劉全興

（原青島特鋼）

摘  要  本文提出了超高風(fēng)溫的概念，介紹了實(shí)現(xiàn)1300℃以上超高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐的技術(shù)路線圖。從爐型選擇、高溫空氣燃燒技術(shù)應(yīng)用、耐火材料研發(fā)，蜂窩磚小孔化、高溫拱頂耐火材料減重化、耐晶間應(yīng)力腐蝕鋼板的研制等問題進(jìn)行明確闡述。特別是對(duì)送風(fēng)系統(tǒng)的受力復(fù)雜化入手，對(duì)熱風(fēng)出口、熱風(fēng)管道及熱風(fēng)支管的連接方式等優(yōu)化設(shè)計(jì)方面提出了新理念、新思路。提出了靠近高爐、降低爐體高度、增強(qiáng)管道強(qiáng)度、改進(jìn)砌筑方式等一系列提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的建設(shè)性意見。

關(guān)鍵詞  高爐熱風(fēng)爐  高效預(yù)熱  超高風(fēng)溫  送風(fēng)系統(tǒng)   結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

1  引言

高爐煉鐵使用高風(fēng)溫是當(dāng)今世界煉鐵技術(shù)發(fā)展的方向。高爐熱風(fēng)爐進(jìn)一步提高風(fēng)溫，降低燃料比成為煉鐵高質(zhì)量發(fā)展的一個(gè)重要途徑?？v觀全國高爐熱風(fēng)爐技術(shù)進(jìn)步、生產(chǎn)實(shí)踐和發(fā)展的形勢(shì)，2019年全國重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)高爐煉鐵熱風(fēng)溫度為1147.47℃，比上年升高15.38℃，普遍采用高風(fēng)溫頂燃式熱風(fēng)爐，風(fēng)溫的提高大大強(qiáng)化了高爐冶煉，燃料比降低，收到良好經(jīng)濟(jì)效益。然而，在鋼鐵產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，煉鐵高質(zhì)量發(fā)展的今天，煉鐵對(duì)高風(fēng)溫的需求越來越高，一方面對(duì)老舊的熱風(fēng)爐進(jìn)行升級(jí)改造的迫切性凸顯，應(yīng)用成熟、先進(jìn)、實(shí)用的熱風(fēng)爐高風(fēng)溫技術(shù)機(jī)遇期已經(jīng)到來；另一方面，對(duì)1300℃以上超高風(fēng)溫的技術(shù)研究的步伐一刻沒有停歇，我們一直在努力進(jìn)行。特別是針對(duì)高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐送風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)的種種故障與問題，我們逐一進(jìn)行仔細(xì)認(rèn)真剖析，提出了系統(tǒng)性切實(shí)可行的解決方案。從空間布置到爐體、管道的方方面面，在技術(shù)上要有創(chuàng)新與突破，設(shè)計(jì)上要有新思維，工藝上要有新優(yōu)化。我們現(xiàn)實(shí)需不需要超高風(fēng)溫，回答是肯定的。盡管超高風(fēng)溫在高位時(shí)降低焦比的幅度有所降低，但超高風(fēng)溫確實(shí)代表世界煉鐵的水平。煉鐵使用高風(fēng)溫，降低燃料比成為新常態(tài)，是煉鐵高質(zhì)量發(fā)展的一個(gè)重要途徑。

2  超1300℃超高風(fēng)溫的技術(shù)系統(tǒng)性改進(jìn)

2.1  高風(fēng)溫具有良好發(fā)展前景

什么是超高風(fēng)溫？我的理解和未來的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該定義為：1200℃-1300℃為高風(fēng)溫，而1300℃-1400℃才叫超高風(fēng)溫。熱風(fēng)爐也不僅僅為高爐提供熱風(fēng)，現(xiàn)實(shí)高爐熱風(fēng)爐已經(jīng)成為油頁巖氣體的加熱爐。未來可以非高爐煉鐵提供熱源等不可預(yù)知的功能，因此，超高風(fēng)溫是鋼鐵強(qiáng)國的一個(gè)標(biāo)志，具有廣闊發(fā)展前景。

全世界現(xiàn)有高爐1500座，其中三分之二在中國（917座）。中國高爐燃料比與先進(jìn)企業(yè)相比平均高出30~40kg/t-HM。風(fēng)溫在煉鐵過程中熱量貢獻(xiàn)率約25%~30%，熱風(fēng)溫度每提高100℃，噸鐵可以降低焦比3%~5%，提高產(chǎn)量3%-4%。近年來煉鐵原燃料大幅度漲價(jià)，原燃料成本所占煉鐵制造成本大幅增長，占85%~90%，煉鐵生產(chǎn)已經(jīng)進(jìn)入了高成本時(shí)代。高風(fēng)溫對(duì)于富氧噴煤強(qiáng)化煉鐵，推動(dòng)煉鐵高質(zhì)量發(fā)展具有重要作用。近20年來熱風(fēng)爐技術(shù)進(jìn)步加快，全國風(fēng)溫已經(jīng)達(dá)到了1160℃的水平。這是多年來生產(chǎn)、設(shè)計(jì)和建設(shè)單位共同努力的結(jié)果。從技術(shù)和環(huán)保層面來分析，主要是由于采取了以下技術(shù)措施：高爐廣泛采用富氧鼓風(fēng)；推廣應(yīng)用頂燃式熱風(fēng)爐；改進(jìn)預(yù)熱系統(tǒng)，提高煤氣和助燃空氣的預(yù)熱溫度；提高廢氣溫度以及改進(jìn)蓄熱體設(shè)計(jì)，解決送風(fēng)系統(tǒng)故障問題等。中國煉鐵學(xué)界提出了下一步的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)1280±20℃的風(fēng)溫水平。因此，我們要研究的課題是如何在節(jié)能減排最優(yōu)化的前提下達(dá)到目標(biāo)超高風(fēng)溫。

2.2  實(shí)現(xiàn)超高風(fēng)溫的技術(shù)路線圖

1300℃風(fēng)溫是目前世界最高水平，國際上只有個(gè)別熱風(fēng)爐短期達(dá)到。有文獻(xiàn)報(bào)道太鋼6號(hào)高爐（4350m3）熱風(fēng)爐風(fēng)溫達(dá)到1310℃，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。熱風(fēng)爐工藝技術(shù)的開發(fā)過程中解決了一些關(guān)鍵問題，在更高溫度的基礎(chǔ)上力爭(zhēng)兩代爐齡壽命。結(jié)合耐火材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提升設(shè)備材料等先進(jìn)工藝及模型技術(shù)的系統(tǒng)開發(fā)。因此，提示研究人員進(jìn)行關(guān)鍵的工藝需求分析與選擇，明確要解決抗晶間應(yīng)力腐蝕蝕工藝技術(shù)問題；針對(duì)關(guān)鍵工藝技術(shù)開展深入分析與研究，確定相應(yīng)的工藝裝備配置升級(jí)以及過程控制模型、實(shí)驗(yàn)檢測(cè)方案，按照完整性要求進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)與集成。把高爐熱風(fēng)管道系統(tǒng)作為重點(diǎn)，系統(tǒng)分析各部位參數(shù)和運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)及生產(chǎn)故障案例教訓(xùn)，創(chuàng)新技術(shù)理念，本著“就近、降高、順勢(shì)、精砌”的原則，提出四個(gè)目標(biāo)：

（1）送風(fēng)風(fēng)溫的要求長期高于1300℃運(yùn)行，拱頂溫度1450℃。

（2）正常使用壽命按照一代爐齡20-30年免維護(hù)設(shè)計(jì)。

（3）熱風(fēng)爐運(yùn)行期間外部鋼殼平均溫度小于100℃。

（4）工業(yè)廢氣排放要優(yōu)于國家排放要求。

2.3  優(yōu)化組合后實(shí)現(xiàn)超高風(fēng)溫工藝流程

A.頂燃式熱風(fēng)爐（強(qiáng)化燃燒，高效傳熱，氣流均勻）+

B.高效預(yù)熱（附加加熱換熱系統(tǒng)或輔助熱風(fēng)爐法等）+

C.燃燒器專用磚+優(yōu)質(zhì)硅磚，高效，抗渣化蜂窩磚+

D.靠近高爐，降低高度，對(duì)稱布置，圓滑過渡+

E.熱風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與砌筑（復(fù)合式熱風(fēng)出口，熱風(fēng)支管）+

F.解決晶間應(yīng)力腐蝕，爐體、管道絕熱+

G.全自動(dòng)化，智能化操作的全新工藝流程。

H. 其它，... ...。

A+B+C+D+E+F+G+H=1300℃ 超高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐實(shí)現(xiàn)1300℃超高風(fēng)溫整體工藝技術(shù)和設(shè)備組成的路線圖，對(duì)熱風(fēng)爐要有新的認(rèn)識(shí)，然后優(yōu)化工藝流程和技術(shù)路線。

首先是選擇最佳的熱風(fēng)爐爐型。根據(jù)較長時(shí)間的生產(chǎn)驗(yàn)證，我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到頂燃式熱風(fēng)爐是最佳的爐型。因?yàn)樗哂腥紵龔?qiáng)度大傳熱性能好，加熱均勻等優(yōu)點(diǎn)。

其次，必須采用高溫空氣燃燒技術(shù)。按照目前的高爐煤氣熱值偏低，要想達(dá)到1300℃以上的超高風(fēng)溫幾乎是不可能的，但是我們可以通過綜合換熱的辦法把燃燒介質(zhì)的物理溫度通過工藝加熱到助燃空氣550~600℃，煤氣由目前的120℃，加熱到300℃。用這樣的燃燒介質(zhì)去燒熱風(fēng)爐，拱頂溫度就達(dá)到了1420℃以上。拱頂溫度達(dá)到1420以上，還要考慮氮氧化物的生成問題。如何防止鋼材晶間應(yīng)力腐蝕也是一個(gè)大的問題。

第三，我們要優(yōu)化耐火材料的選擇和使用。特別是高品質(zhì)的硅磚或者是堇青石磚。采用小孔徑的蓄熱體等一系列措施。可以保證蓄熱能力足夠，燃燒能力強(qiáng)大。

第四，熱風(fēng)管道要采取綜合治理的辦法保證安全運(yùn)行承載超高風(fēng)溫，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，實(shí)現(xiàn)高溫長壽。通過提高或煤氣和助燃空氣物理熱（爬梯子）的途徑來提高拱頂溫度；改進(jìn)熱風(fēng)爐的設(shè)計(jì)，強(qiáng)化換熱過程，減小拱頂溫度與送風(fēng)溫度之間的差值，送風(fēng)溫度與拱頂溫之差，我們已經(jīng)縮短到了50~70℃。采用優(yōu)質(zhì)硅磚作拱頂和熱風(fēng)爐的高溫區(qū)，熱風(fēng)爐可承受 1500℃的高溫，因此初始送風(fēng)溫度可以達(dá)到 1350℃。

3  全熱風(fēng)系統(tǒng)的技術(shù)保證的解決方案

3.1  送風(fēng)系統(tǒng)存在的風(fēng)險(xiǎn)不容低估：

事故案例：某鋼廠（5860m3，2010.2.11）熱風(fēng)管道斷裂、掉落重大事故；

某鋼廠4號(hào)（4966m3，2020.3.8）熱風(fēng)管道膨脹節(jié)吹開，耐材脫落著火事故；

某鋼廠3號(hào)（3200m3，2010.7.19）熱風(fēng)爐大拉桿斷裂，熱風(fēng)管道位移事故；

某鋼廠（2680m3，2009.12.30）熱風(fēng)三岔口燒壞事故；

某鋼廠10號(hào)（2580m3，1997.3.6）熱風(fēng)圍管燒開、斷裂事故； 

某鋼廠7號(hào)（2580m3，1990.9.19）熱風(fēng)主管端頭盲板鼓開事故；

某鋼廠7號(hào)（2580m3，1998.6.22）外熱式拱頂爐皮鼓開事故；

某鋼廠3號(hào)（1053m3，1998.12.27）熱風(fēng)出口爐皮鼓開重大傷亡事故；

某鋼廠6號(hào)（507m3，2008.8.3）熱風(fēng)管道膨脹節(jié)燒損事故；

還有一些鋼廠也曾出現(xiàn)過此類事故。

主要原因：

（1）設(shè)計(jì)缺陷----布置上熱風(fēng)爐遠(yuǎn)離高爐，有的150米以外；熱風(fēng)管道強(qiáng)度不夠，管殼薄，耐火材料砌筑質(zhì)量差，不承壓和設(shè)備選型不達(dá)標(biāo)，尤其是波紋膨脹器難以與熱風(fēng)管道強(qiáng)度相匹配；

（2）施工焊接質(zhì)量不佳；

（3）砌筑方式不合理；

（4）膨脹節(jié)事故居多等。

解決熱風(fēng)系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的問題，重點(diǎn)要解決耐高溫高壓與系統(tǒng)匹配問題，還要考慮復(fù)雜多向的膨脹受力問題，材質(zhì)和施工質(zhì)量問題等等。包括熱風(fēng)管道強(qiáng)度、熱風(fēng)出口、三岔口的有效處理，熱風(fēng)支管連接方式等等。

到現(xiàn)在為止已經(jīng)出現(xiàn)了完整的系統(tǒng)化的采用新技術(shù)的一個(gè)階段。例如，卡魯金頂燃式熱風(fēng)爐在國內(nèi)已經(jīng)有18年的應(yīng)用歷史。國內(nèi)無論應(yīng)用原裝的卡魯金熱風(fēng)爐，釆用國產(chǎn)轉(zhuǎn)化的卡魯金頂燃式熱風(fēng)爐，已經(jīng)收到了投資省、風(fēng)溫高、節(jié)能減排，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的良好的效果。這一現(xiàn)實(shí)已經(jīng)為全國的鋼鐵企業(yè)所接受和認(rèn)可。但是熱風(fēng)爐由于種種原因，在風(fēng)溫的使用方面仍然沒有達(dá)到設(shè)計(jì)能力。所說的達(dá)到1200℃風(fēng)溫，往往在熱風(fēng)管道，膨脹節(jié)，拉桿等問題上出現(xiàn)的種種原因限制了高風(fēng)溫的使用。根據(jù)多年在熱風(fēng)系統(tǒng)暴露出來的問題我們有針對(duì)性的進(jìn)行技術(shù)研究加以解決這些突出的矛盾。把風(fēng)溫提高到1250℃，甚至1300℃以上是有實(shí)際意義的。目前我國高爐熱風(fēng)爐正處于一個(gè)大改造，提高風(fēng)溫，增加噴煤比，提高富氧率，改善優(yōu)化爐料結(jié)構(gòu)等一系列技術(shù)措施，最終是要降低高爐的燃料比。提高煉鐵生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益。

3.2  現(xiàn)有熱風(fēng)系統(tǒng)缺陷的解決方案

根據(jù)國內(nèi)高爐熱風(fēng)爐出現(xiàn)的各種事故案例分析，絕大多數(shù)的隱患發(fā)生在送風(fēng)系統(tǒng)。例如管道過長，膨脹節(jié)拉開，損壞。三岔口燒紅，管道強(qiáng)度不夠，這些造成了重大的設(shè)備隱患和設(shè)備故障。把風(fēng)溫提高到1200℃，甚至1300℃，熱風(fēng)爐的送風(fēng)系統(tǒng)已經(jīng)成為了限制性環(huán)節(jié)。為此，我們有針對(duì)性地對(duì)熱風(fēng)爐進(jìn)行全面的科學(xué)的受力分析并有針對(duì)性地捉出可靠的解決方案。研究制定解決影響熱風(fēng)爐穩(wěn)定性的一些具體問題。改進(jìn)熱風(fēng)爐及送風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。這樣熱風(fēng)爐就可以平穩(wěn)長期安全的運(yùn)行。

熱風(fēng)爐系統(tǒng)受力分析：熱風(fēng)爐送風(fēng)系統(tǒng)已成為使用高風(fēng)溫和長壽的限制性環(huán)節(jié)。熱風(fēng)爐的工況客觀上具有來自燃燒、送風(fēng)周期性的爐體漲落；鋼材和耐材膨脹力及疊加膨脹力；高溫高壓的擴(kuò)張力及盲板力；拱頂自身重力和砌體的下滑力；爐體漲落與熱風(fēng)出口水平位移的剪切力；送風(fēng)沖擊力和送風(fēng)結(jié)束后的鋼殼反彈力等錯(cuò)綜復(fù)雜的應(yīng)力作用，從而導(dǎo)致了熱風(fēng)爐出口和拱頂垮塌的惡性事故發(fā)生。 爐體與管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是根本，管道的長短與膨脹，交接口組合磚設(shè)計(jì)與質(zhì)量，耐材砌筑質(zhì)量至關(guān)重要。管道斷裂；熱風(fēng)圍管鼓開；膨脹節(jié)破損鼓開都與此相關(guān)；盲板力:大拉桿斷裂，管道失穩(wěn)，造成事故；剪切力:熱風(fēng)出口破損，掉磚，竄風(fēng)，燒壞； 焊接質(zhì)量不佳：爐底板漏風(fēng)，爐皮、管道、膨脹節(jié)燒壞等惡性事故。

解決熱風(fēng)爐送風(fēng)系統(tǒng)故障問題是一項(xiàng)綜合性系統(tǒng)工程。

我們通過大量的熱風(fēng)系統(tǒng)的典型事故案例分析，可以突出三大部位四大環(huán)節(jié)。三大部位是熱風(fēng)出口、三岔口和熱風(fēng)管道。四大環(huán)節(jié)可以劃分為，一是；熱風(fēng)系統(tǒng)管適強(qiáng)度與系統(tǒng)高溫高壓不配套；二是沒有弄清楚熱風(fēng)系統(tǒng)受力復(fù)雜化問題，沒有釆取有針對(duì)性的有效措施加以克服；三是存在設(shè)計(jì)上的"短板"，例如空間布置，波紋膨脹器的選用，大拉桿的結(jié)構(gòu)形式與選用，四是熱風(fēng)系統(tǒng)耐火材料選取的標(biāo)準(zhǔn)與砌筑方式等等。分析后得出一個(gè)基本認(rèn)識(shí)，從設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)。

靠近高爐。對(duì)熱風(fēng)爐各種復(fù)雜的影響高風(fēng)溫使用的因素有一個(gè)重新認(rèn)識(shí)，這些問題都是可以克服的，提出解決方案。從設(shè)計(jì)布置上靠近高爐，縮短熱風(fēng)管道的距離，熱風(fēng)爐與高爐越近越好。不僅有效風(fēng)溫?fù)p失小，而且膨脹量減少，投資省，運(yùn)行穩(wěn)定；

降低熱風(fēng)爐高度。從熱風(fēng)爐復(fù)雜的受力情況和結(jié)構(gòu)不對(duì)稱角度考慮，如何加高熱風(fēng)爐的主張都是于此相違背的。唯有使得熱風(fēng)爐在燃燒期和送風(fēng)期爐體的上下膨脹量降低，才有利于減少漲落，保證熱風(fēng)出口的穩(wěn)定性。

解決熱風(fēng)管道的強(qiáng)度問題。熱風(fēng)管道的強(qiáng)度對(duì)熱風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。初步的想法是把熱風(fēng)管道的鋼殼厚度從原來的16~20mm增加到28mm。加強(qiáng)膨脹節(jié)的強(qiáng)度，減少爭(zhēng)故隱患。另外，砌磚應(yīng)該要進(jìn)行科學(xué)、有效率的技術(shù)研究，真正解決膨脹的問題。

熱風(fēng)系統(tǒng)布置與連接方式。有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，建議選擇“順勢(shì)”的理念：(1) “喇叭口”式過渡性連接；(2) 斜管連接；(3) 垂直熱風(fēng)支管；(4) 對(duì)稱布置；(5) 首鋼新2號(hào)高爐（1327m3）頂燃熱風(fēng)爐矩形布置。

3.3  改進(jìn)耐火材料與結(jié)構(gòu)砌筑方式問題：

提高大直徑熱風(fēng)管道內(nèi)襯砌體穩(wěn)定性的技術(shù)措施有：改進(jìn)內(nèi)襯砌體設(shè)計(jì)（包括采用全機(jī)制成型組合磚、拱形或“D”形圓滑過渡內(nèi)襯等）、工作環(huán)采用超低蠕變耐火磚和高強(qiáng)度火泥、上部砌體采用新型絕熱材料等。

大直徑熱風(fēng)管道對(duì)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和工程質(zhì)量的要求應(yīng)更加嚴(yán)格管控，尤其應(yīng)避免較大的安裝結(jié)構(gòu)應(yīng)力，內(nèi)襯耐火磚普遍采用咬砌方式等。

熱風(fēng)管道的重要性要高于熱風(fēng)爐本身，全面提高高溫高壓工況、大直徑熱風(fēng)管道的穩(wěn)定性是高爐冶煉技術(shù)發(fā)展的必然要求，應(yīng)當(dāng)引起業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工各方面的高度重視。

4  結(jié)論

（1）經(jīng)理論分析與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)綜合，獲得和使用好1300℃以上超高風(fēng)溫頂燃式熱風(fēng)爐新的集成綜合技術(shù)的體現(xiàn)。其應(yīng)用為高爐穩(wěn)定順行、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、降低成本提供了可靠保障。高效的1300℃的超高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐是俄羅斯卡魯金頂燃式高溫?zé)犸L(fēng)爐的發(fā)展與完善。超高風(fēng)溫更加有利于提高富氧噴煤技術(shù)和降低成本，進(jìn)一步提高高爐煉鐵高質(zhì)量發(fā)展的水平。

（2）要突破 1350℃ 的送風(fēng)溫度，必須解決送風(fēng)系統(tǒng)眾多實(shí)際問題，還要解決氮化物的生成和耐腐蝕鋼板問題。要解決這些問題的途徑是：一是有針對(duì)性解決熱風(fēng)爐系統(tǒng)各種受力，順勢(shì)而為。二是研究在燃燒的過程中超高溫帶來一系列不利因素的影響，抑制和限制氮化物的生成。 通過在設(shè)計(jì)上合理布置，加大燃燒器的能力，改善耐火材料質(zhì)量，采用高效預(yù)熱這一“爬梯子”應(yīng)用技術(shù)和提高智能化、自動(dòng)化水平等一系列綜合技術(shù)助力實(shí)現(xiàn)1300℃超高風(fēng)溫的目標(biāo)。

5  參考文獻(xiàn)

[1]  劉全興，高爐熱風(fēng)爐操作與煤氣知識(shí)問答，冶金工業(yè)出版社，2005.

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[3]  劉述臨，煉鐵，我們也要加入“強(qiáng)國俱樂部”，高風(fēng)溫長壽熱風(fēng)爐研討會(huì)論文集， 1-4，秦皇島，2005年9月.

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