摘  要  本文主要從湛江鋼鐵高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)的高風(fēng)溫的實際應(yīng)用情況入手，從高風(fēng)溫的工藝設(shè)計、關(guān)鍵設(shè)備選型、耐火材料配置進行了介紹，并列舉了幾項頂燃式熱風(fēng)爐高風(fēng)溫燃燒新技術(shù)，最后又結(jié)合高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐熱風(fēng)管系設(shè)計理念對湛江鋼鐵頂燃式熱風(fēng)爐混風(fēng)管系和送風(fēng)總管管系設(shè)計進行了簡要介紹。

關(guān)鍵詞  頂燃式熱風(fēng)爐  耐火材料  高風(fēng)溫  熱風(fēng)管系

Application and Practice of top combustion stove high blast temperature technology in Baosteel Zhanjiang

Ao Aiguo  Su Wei  Zhang Yongxin

（Baosteel Zhanjiang Iron&Steel Co.,Ltd.）

Abstract  The practical application of top combustion stove high blast temperature in Zhanjiang Iron and Steel Company Limited is introduced in this paper. It begins with high temperature process design, key equipment selection and refractory material distribution. Several new technologies of combustion operation in high temperature top combustion hot stoves are listed as well. Finally, combined with the design concept of high temperature hot stove’s blast pipe system, the hot blast stove air duct system and air supply manifold pipe system design in Zhanjiang Iron and Steel Company Limited is introduced.

Keywords  Top Combustion hot stove, refractory, high blast temperature, hot blast pipe system

高爐冶煉中采用高風(fēng)溫操作是近代高爐操作的主要發(fā)展方向之一。在焦煤緊張、市場競爭激烈的今天，高風(fēng)溫的使用顯得尤為重要。湛江鋼鐵煉鐵廠在熱風(fēng)爐設(shè)計選型階段就對各種爐型的熱風(fēng)爐在國內(nèi)外大型高爐的應(yīng)用進行了充分的調(diào)研、比較，再結(jié)合湛江鋼鐵的實際需求進行了系統(tǒng)的論證與研究，選用了卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐。高風(fēng)溫頂燃式熱風(fēng)爐自20 世紀(jì)80 年代末投入運行以來，目前在世界上已有30 多座高爐采用頂燃式熱風(fēng)爐，有的使用壽命已有20多年，運行狀況良好。熱風(fēng)爐高風(fēng)溫是一項綜合技術(shù)，而國內(nèi)各廠家在采用卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐工藝的同時又進行了適當(dāng)改進。本文主要從湛江鋼鐵熱風(fēng)爐系統(tǒng)高風(fēng)溫工藝設(shè)計、關(guān)鍵設(shè)備選型、耐火材料配置進行了介紹，列舉了幾項頂燃式熱風(fēng)爐高風(fēng)溫燃燒新技術(shù)，指出了頂燃式高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐混風(fēng)管系和送風(fēng)總管管系設(shè)計時需要注意之處。

1  湛江鋼鐵熱風(fēng)爐系統(tǒng)高風(fēng)溫工藝設(shè)計、耐材配置和設(shè)備選型

寶鋼湛江鋼鐵兩座高爐容積均為5050m3，各配置1套熱風(fēng)爐系統(tǒng)。熱風(fēng)爐系統(tǒng)本體區(qū)配置4座卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐，每座熱風(fēng)爐配置一個混風(fēng)室，采用兩燒兩送交錯并聯(lián)的送風(fēng)制度。為適應(yīng)湛江鋼鐵在不同階段煤氣平衡的變化，以全燒高爐煤氣為主要設(shè)計工況，同時也能適應(yīng)短時間內(nèi)摻燒高熱值煤氣（LDG）的設(shè)計工況。熱風(fēng)爐送風(fēng)溫度≥1300℃。熱風(fēng)爐系統(tǒng)配置煙氣余熱回收裝置，預(yù)熱采用板式換熱器預(yù)熱助燃空氣和煤氣，并配置前置預(yù)熱爐對助燃空氣進行二級預(yù)熱，使空氣溫度到達550℃等新工藝、新技術(shù)。

1.1  熱風(fēng)爐耐材的選用傾向有利于熱量傳遞的設(shè)計

    熱風(fēng)爐爐內(nèi)耐材選擇依據(jù)熱風(fēng)爐不穩(wěn)態(tài)傳熱模擬計算確定。根據(jù)熱風(fēng)爐各部位的工作溫度分別選擇不同的耐材配置。熱風(fēng)爐拱頂與蓄熱室大墻砌體分開，形成各自獨立的結(jié)構(gòu)，爐墻可獨立脹縮。湛江頂燃式熱風(fēng)爐設(shè)計拱頂最高溫度為1450℃，送風(fēng)溫度1300℃。為確保熱風(fēng)管系能夠長期、安全、穩(wěn)定運行，熱風(fēng)管系內(nèi)部耐材按照其工況溫度，進行相應(yīng)的配置。

    熱風(fēng)爐出口聯(lián)絡(luò)管流體溫度設(shè)計為1400℃，工作磚襯采用低蠕變高鋁磚H21、隔熱磚襯分別為輕質(zhì)高鋁磚D16和A13、輕質(zhì)粘土磚A18，管殼內(nèi)噴涂耐火噴涂料，管殼設(shè)計溫度小于150℃。

    混風(fēng)室內(nèi)流體溫度設(shè)計為1400℃，工作磚襯采用低蠕變高鋁磚H22和H23、隔熱磚襯分別為輕質(zhì)高鋁磚D16、輕質(zhì)粘土磚D14，管殼內(nèi)噴涂耐火噴涂料，管殼設(shè)計溫度小于150℃。

    混風(fēng)室后熱風(fēng)支管工況較為復(fù)雜，流體溫度設(shè)計為1350℃，采用抗熱震更好的低蠕變高鋁磚H231、輕質(zhì)高鋁磚D16、輕質(zhì)粘土磚D14、管殼內(nèi)噴涂耐火噴涂料，管殼設(shè)計溫度小于150℃。

    熱風(fēng)主、圍管流體溫度設(shè)計≥1300℃，采用低蠕變高鋁磚H23、輕質(zhì)高鋁磚A13、輕質(zhì)粘土磚D14、管殼內(nèi)噴涂耐火噴涂料，管殼設(shè)計溫度小于150℃。 

1.2  采用有利于送風(fēng)管道穩(wěn)定的混風(fēng)室配置

與傳統(tǒng)的卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐只有1座混風(fēng)室不同，湛江鋼鐵頂燃式熱風(fēng)爐結(jié)合了寶鋼外燃式熱風(fēng)爐30年的成熟使用經(jīng)驗，深入分析了頂燃式熱風(fēng)爐熱風(fēng)管系出現(xiàn)的常見問題，在4座熱風(fēng)爐熱風(fēng)出口各配置1座外燃式風(fēng)格的混風(fēng)室和熱風(fēng)出口聯(lián)絡(luò)管，確保熱風(fēng)主、支管均采用與圍管相同標(biāo)高的管系設(shè)計。這種工藝設(shè)計能夠解決頂燃式熱風(fēng)爐拱頂熱風(fēng)出口短管因爐殼上漲、位移大而產(chǎn)生的耐材破壞和管殼發(fā)紅問題，同時能夠使整條熱風(fēng)管道的流體溫度維持在一個平穩(wěn)的水平（1300～1350℃），與傳統(tǒng)頂燃式熱風(fēng)爐熱風(fēng)主、支管流體高達150℃的溫度波動不同，湛江的熱風(fēng)主、支管流體溫度波動僅為50℃，最大限度減少流體溫度波動對管系造成的影響，能夠確保整條熱風(fēng)管道在1270～1300℃風(fēng)溫下長期、安全、穩(wěn)定運行，對熱風(fēng)管系的壽命有著積極的影響。

　　為降低爐底的熱沖擊，采用鍋底形爐底過渡。為保證砌體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，所有孔口全部采用組合磚設(shè)計。

1.3  增加熱均壓新工藝

熱風(fēng)爐系統(tǒng)增加了一套熱均壓裝置，把前行送風(fēng)爐的壓力在換爐燃燒前均壓到燃燒結(jié)束投運到送風(fēng)的熱風(fēng)爐爐內(nèi)。該工藝使熱風(fēng)爐充壓初期使用了送風(fēng)前行熱風(fēng)爐爐內(nèi)壓力及高溫度的熱風(fēng)，把前行熱風(fēng)爐的溫度和余熱得到了再使用，并縮短了換爐時間和減少了風(fēng)機的充風(fēng)量。

1.4  采用高熱效應(yīng)的余熱回收裝置----板式換熱器

煤氣預(yù)熱系統(tǒng)為一級預(yù)熱，采用整體板式換熱器預(yù)熱熱風(fēng)爐和前置預(yù)熱爐燒爐所需的高爐煤氣，預(yù)熱溫度為180℃左右。

助燃空氣預(yù)熱系統(tǒng)為二級預(yù)熱：一級預(yù)熱系統(tǒng)采用整體板式換熱器進行預(yù)熱，預(yù)熱溫180℃左右；二次預(yù)熱系統(tǒng)采用2座前置預(yù)熱爐對一級預(yù)熱后的助燃空氣進行再次預(yù)熱，將熱風(fēng)爐燒爐用的助燃空氣預(yù)熱至550℃左右。

1.5  熱風(fēng)爐爐殼、熱風(fēng)管道管殼溫度實時檢測

在高風(fēng)溫操作條件下，熱風(fēng)爐爐殼、熱風(fēng)管道管殼易出現(xiàn)串風(fēng)發(fā)紅現(xiàn)象，如未及時發(fā)現(xiàn)和察覺，易導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。

為了確保熱風(fēng)爐爐殼和管殼的安全，及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)測爐殼和管殼溫度的異常狀況，設(shè)計時在熱風(fēng)爐爐殼、前置預(yù)熱爐爐殼、熱風(fēng)管道管殼等重要部位布置了貼片熱電偶。操作人員在中控室HMI畫面上即可實時監(jiān)視各部位爐殼溫度變化情況，及早發(fā)現(xiàn)、及早預(yù)防和處理，省時省力，避免人工檢查帶來的各種不便。

2  熱風(fēng)爐高風(fēng)溫燃燒新技術(shù)

2.1  單一煤氣管道和燒嘴工藝流程下的燃燒技術(shù)

湛江鋼鐵高爐熱風(fēng)爐采用的是卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐，采用全燒低熱值高爐煤氣為設(shè)計工況。通過優(yōu)化燃燒參數(shù)合理燃燒把熱風(fēng)爐的熱效率提高到最大。并針對使用單一低熱值高爐煤氣，通過實踐和不斷改進總結(jié)了一套低熱值煤氣下拱頂溫度控制技術(shù)（包括殘氧分析燃燒技術(shù)、單一煤氣下拱頂溫度控制等）。

2.2  精細化操作技術(shù)：增加殘氧自動控制技術(shù)

為了燃燒控制精細化、自動化，在原有把殘氧分析作為燒爐參考參數(shù)基礎(chǔ)上，增加了殘氧分析值自動控制程序，從工藝和燃燒原理的基礎(chǔ)上把熱風(fēng)爐燒爐的殘氧控制作為輔助燃燒的一個重要手段，使空燃比的控制更合理，并提高了燃燒的自動化程度。

2.3  優(yōu)化和改進熱風(fēng)爐熱均壓工藝和程控系統(tǒng)

     做為節(jié)能環(huán)保新技術(shù)，熱風(fēng)爐的熱均壓工藝不僅有利于熱量的回收，而且對熱風(fēng)爐的壽命和能源利用很有益處。該系統(tǒng)與熱風(fēng)爐同步投入運行，通過在熱風(fēng)爐系統(tǒng)安全和換爐控制穩(wěn)定等方面多次優(yōu)化工藝和程控，該系統(tǒng)在湛江熱風(fēng)爐中運行率100%。

3  熱風(fēng)爐送風(fēng)管道系統(tǒng)長壽設(shè)計

熱風(fēng)管道是熱風(fēng)爐系統(tǒng)中非常重要的部分，穩(wěn)定和可靠的熱風(fēng)管系是保持高風(fēng)溫的保障。湛江鋼鐵結(jié)合工程實踐，對國內(nèi)外典型的熱風(fēng)管系設(shè)計形式進行對比，分析總結(jié)了影響熱風(fēng)管系穩(wěn)定長壽的因素,應(yīng)用了"低應(yīng)力、有序約束、可控的位移、合理耐材設(shè)計"的設(shè)計理念。根據(jù)熱風(fēng)管系的布置，采用熱風(fēng)管系分析軟件，優(yōu)化波紋管、拉桿配置、并配置與管系相適應(yīng)的耐材砌體結(jié)構(gòu)，改善耐材砌體結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境，形成完善、配套的長壽型熱風(fēng)管道系統(tǒng)。

3.1  合理優(yōu)化卡盧金設(shè)計的熱風(fēng)爐混風(fēng)管系

原設(shè)計中，卡盧金熱風(fēng)爐混風(fēng)體系共用1個混風(fēng)室和平行冷熱風(fēng)進入，熱風(fēng)閥外側(cè)單波紋管。湛江鋼鐵在設(shè)計初期就對該設(shè)計進行了優(yōu)化，采用4個熱風(fēng)爐獨立的混風(fēng)室上部進風(fēng)+內(nèi)側(cè)雙波紋管，使混風(fēng)系統(tǒng)更加合理。

3.2  送風(fēng)總管管系 

湛江鋼鐵頂燃式熱風(fēng)爐的送風(fēng)溫度設(shè)計可達到1300℃，送風(fēng)管系作為熱風(fēng)管系,又承受工作壓力達550Kpa的高壓。為保證高溫?zé)犸L(fēng)的穩(wěn)定輸送，磚襯設(shè)計不僅要考慮結(jié)構(gòu)的整體性，還要考慮各向膨脹位移所帶來的熱應(yīng)力破損。因此，熱風(fēng)管道在設(shè)計時根據(jù)管系的布置，采用熱風(fēng)管系分析軟件，對管系膨脹位移和受力進行計算，應(yīng)用了"低應(yīng)力、有序約束、可控的位移、合理耐材設(shè)計"的設(shè)計理念，在熱風(fēng)主管、熱風(fēng)支管等處設(shè)置了波紋補償器，在熱風(fēng)主管、支管上還設(shè)置了大拉桿，以消除盲板力及波紋補償器產(chǎn)生的反力，并配置與管系相適應(yīng)的耐材砌體結(jié)構(gòu)，改善耐材砌體結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境，形成完善、配套的長壽型熱風(fēng)管道系統(tǒng)，實現(xiàn)了1300℃高風(fēng)溫的穩(wěn)定輸送。

3.3  熱風(fēng)管系波紋補償器

    熱風(fēng)管系波紋補償器的波材質(zhì)采用SUS316L不銹鋼。波紋管波采用單層結(jié)構(gòu)，波紋管成型之后必須進行固溶處理。波紋補償器的波元件不允許有環(huán)焊縫，其縱焊縫只允許有一條，且必須采用自動氬弧焊焊接。波紋補償器元件與接管的環(huán)焊縫必須采用氬弧焊焊接，筒節(jié)不允許有環(huán)焊縫。波紋管膨脹節(jié)元件與接管的連接需緊密貼合。鎧裝環(huán)采用304不銹鋼棒材。補償器迷宮組件（包括擋圈組件）采用耐熱不銹鋼310S，厚度≥10mm。補償器膨脹縫迷宮隔熱層采用不銹鋼絲網(wǎng)包覆的無氯含鋯硅酸鋁纖維氈。補償器膨脹縫采用陶瓷纖維繩，不銹鋼絲網(wǎng)材質(zhì)選用310S，壓條材質(zhì)選用310S扁鋼。連接短管采用Q345B低碳合金鋼。

4  湛江鋼鐵頂燃式熱風(fēng)爐高風(fēng)溫應(yīng)用實績

4.1  頂燃式熱風(fēng)爐投產(chǎn)后運行穩(wěn)定

湛江鋼鐵頂燃式熱風(fēng)爐投產(chǎn)后運行穩(wěn)定，沒有因為熱風(fēng)爐設(shè)備問題而導(dǎo)致高爐休風(fēng)的事故。從湛江投產(chǎn)至今該送風(fēng)管系各點溫度都在正常范圍，混風(fēng)系統(tǒng)等各關(guān)鍵部位的溫度也在正常范圍內(nèi)（見下表1）。

4.2  高爐高風(fēng)溫利用水平逐步提高，技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)持續(xù)改善

高爐投產(chǎn)后高風(fēng)溫利用水平逐步提高，風(fēng)溫目前維持在1270～1280℃左右。爐況穩(wěn)定順行，高爐煤比、燃料比、工序能耗等技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)持續(xù)優(yōu)化。高風(fēng)溫對高爐爐況穩(wěn)定順行、經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)改善發(fā)揮了積極作用。

4.3  熱風(fēng)爐高爐煤氣實際單耗低于設(shè)計值

通過優(yōu)化燃燒參數(shù)合理燃燒把熱風(fēng)爐的熱效率提高到最大。針對使用單一低熱值高爐煤氣，通過實踐和不斷改進總結(jié)了一套低熱值煤氣下拱頂溫度控制技術(shù)。目前，高爐煤氣單耗逐步降低至580m3/t-p左右，低于設(shè)計值675.6m3/t-p。

5  結(jié)語

（1）熱風(fēng)爐高風(fēng)溫是一項綜合技術(shù)，與熱風(fēng)爐的設(shè)計、耐火材料配置、關(guān)鍵設(shè)備選用及施工、操作和維護密切相關(guān)。

（2）高風(fēng)溫頂燃式熱風(fēng)爐每個環(huán)節(jié)的設(shè)計都必須運用現(xiàn)代科學(xué)的技術(shù)手段，進行科學(xué)理論的分析計算、仿真模擬、實驗室冷態(tài)試驗、熱態(tài)模擬試驗、現(xiàn)場測試和應(yīng)用實績調(diào)研分析等，以確保高風(fēng)溫頂燃式熱風(fēng)爐設(shè)計的優(yōu)化。

（3）高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐的管路系統(tǒng)中，要重視關(guān)鍵部位的材料使用和結(jié)構(gòu)設(shè)計。尤其是風(fēng)溫超過1250℃以后，現(xiàn)有的熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)和管道系統(tǒng)已經(jīng)達到極限，需要進一步研究熱風(fēng)爐的溫度分布以及各部分耐火材料的適應(yīng)性。

6  參考文獻

［1］國宏偉，張建良，楊天均．高爐高風(fēng)溫技術(shù)進展[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2013：3-7．

［2］劉全興．高爐熱風(fēng)爐的發(fā)展與耐火材料配置[J]．耐火材料，2013，47（增1）：27—32．