劉全興

（原青島特鋼）

摘  要  本文提出了超高風溫的概念，介紹了實現(xiàn)1300℃以上超高風溫熱風爐的技術(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行明確闡述。特別是對送風系統(tǒng)的受力復(fù)雜化入手，對熱風出口、熱風管道及熱風支管的連接方式等優(yōu)化設(shè)計方面提出了新理念、新思路。提出了靠近高爐、降低爐體高度、增強管道強度、改進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  高爐熱風爐  高效預(yù)熱  超高風溫  送風系統(tǒng)   結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

1  引言

高爐煉鐵使用高風溫是當今世界煉鐵技術(shù)發(fā)展的方向。高爐熱風爐進一步提高風溫，降低燃料比成為煉鐵高質(zhì)量發(fā)展的一個重要途徑?？v觀全國高爐熱風爐技術(shù)進步、生產(chǎn)實踐和發(fā)展的形勢，2019年全國重點鋼鐵企業(yè)高爐煉鐵熱風溫度為1147.47℃，比上年升高15.38℃，普遍采用高風溫頂燃式熱風爐，風溫的提高大大強化了高爐冶煉，燃料比降低，收到良好經(jīng)濟效益。然而，在鋼鐵產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，煉鐵高質(zhì)量發(fā)展的今天，煉鐵對高風溫的需求越來越高，一方面對老舊的熱風爐進行升級改造的迫切性凸顯，應(yīng)用成熟、先進、實用的熱風爐高風溫技術(shù)機遇期已經(jīng)到來；另一方面，對1300℃以上超高風溫的技術(shù)研究的步伐一刻沒有停歇，我們一直在努力進行。特別是針對高風溫熱風爐送風系統(tǒng)出現(xiàn)的種種故障與問題，我們逐一進行仔細認真剖析，提出了系統(tǒng)性切實可行的解決方案。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)計上要有新思維，工藝上要有新優(yōu)化。我們現(xiàn)實需不需要超高風溫，回答是肯定的。盡管超高風溫在高位時降低焦比的幅度有所降低，但超高風溫確實代表世界煉鐵的水平。煉鐵使用高風溫，降低燃料比成為新常態(tài)，是煉鐵高質(zhì)量發(fā)展的一個重要途徑。

2  超1300℃超高風溫的技術(shù)系統(tǒng)性改進

2.1  高風溫具有良好發(fā)展前景

什么是超高風溫？我的理解和未來的發(fā)展趨勢應(yīng)該定義為：1200℃-1300℃為高風溫，而1300℃-1400℃才叫超高風溫。熱風爐也不僅僅為高爐提供熱風，現(xiàn)實高爐熱風爐已經(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，超高風溫是鋼鐵強國的一個標志，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企業(yè)相比平均高出30~40kg/t-HM。風溫在煉鐵過程中熱量貢獻率約25%~30%，熱風溫度每提高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，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)進入了高成本時代。高風溫對于富氧噴煤強化煉鐵，推動煉鐵高質(zhì)量發(fā)展具有重要作用。近20年來熱風爐技術(shù)進步加快，全國風溫已經(jīng)達到了1160℃的水平。這是多年來生產(chǎn)、設(shè)計和建設(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；推廣應(yīng)用頂燃式熱風爐；改進預(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蓄熱體設(shè)計，解決送風系統(tǒng)故障問題等。中國煉鐵學界提出了下一步的目標是實現(xiàn)1280±20℃的風溫水平。因此，我們要研究的課題是如何在節(jié)能減排最優(yōu)化的前提下達到目標超高風溫。

2.2  實現(xiàn)超高風溫的技術(shù)路線圖

1300℃風溫是目前世界最高水平，國際上只有個別熱風爐短期達到。有文獻報道太鋼6號高爐（4350m3）熱風爐風溫達到1310℃，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。熱風爐工藝技術(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)備材料等先進工藝及模型技術(shù)的系統(tǒng)開發(fā)。因此，提示研究人員進行關(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以及過程控制模型、實驗檢測方案，按照完整性要求進行系統(tǒng)開發(fā)與集成。把高爐熱風管道系統(tǒng)作為重點，系統(tǒng)分析各部位參數(shù)和運行技術(shù)指標及生產(chǎn)故障案例教訓，創(chuàng)新技術(shù)理念，本著“就近、降高、順勢、精砌”的原則，提出四個目標：

（1）送風風溫的要求長期高于1300℃運行，拱頂溫度1450℃。

（2）正常使用壽命按照一代爐齡20-30年免維護設(shè)計。

（3）熱風爐運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)化組合后實現(xiàn)超高風溫工藝流程

A.頂燃式熱風爐（強化燃燒，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，對稱布置，圓滑過渡+

E.熱風系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與砌筑（復(fù)合式熱風出口，熱風支管）+

F.解決晶間應(yīng)力腐蝕，爐體、管道絕熱+

G.全自動化，智能化操作的全新工藝流程。

H. 其它，... ...。

A+B+C+D+E+F+G+H=1300℃ 超高風溫熱風爐實現(xiàn)1300℃超高風溫整體工藝技術(shù)和設(shè)備組成的路線圖，對熱風爐要有新的認識，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爐爐型。根據(jù)較長時間的生產(chǎn)驗證，我們已經(jīng)認識到頂燃式熱風爐是最佳的爐型。因為它具有燃燒強度大傳熱性能好，加熱均勻等優(yōu)點。

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，要想達到1300℃以上的超高風溫幾乎是不可能的，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)去燒熱風爐，拱頂溫度就達到了1420℃以上。拱頂溫度達到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，燃燒能力強大。

第四，熱風管道要采取綜合治理的辦法保證安全運行承載超高風溫，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，實現(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；改進熱風爐的設(shè)計，強化換熱過程，減小拱頂溫度與送風溫度之間的差值，送風溫度與拱頂溫之差，我們已經(jīng)縮短到了50~70℃。采用優(yōu)質(zhì)硅磚作拱頂和熱風爐的高溫區(qū)，熱風爐可承受 1500℃的高溫，因此初始送風溫度可以達到 1350℃。

3  全熱風系統(tǒng)的技術(shù)保證的解決方案

3.1  送風系統(tǒng)存在的風險不容低估：

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

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

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

某鋼廠（2680m3，2009.12.30）熱風三岔口燒壞事故；

某鋼廠10號（2580m3，1997.3.6）熱風圍管燒開、斷裂事故； 

某鋼廠7號（2580m3，1990.9.19）熱風主管端頭盲板鼓開事故；

某鋼廠7號（2580m3，1998.6.22）外熱式拱頂爐皮鼓開事故；

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

某鋼廠6號（507m3，2008.8.3）熱風管道膨脹節(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)計缺陷----布置上熱風爐遠離高爐，有的150米以外；熱風管道強度不夠，管殼薄，耐火材料砌筑質(zhì)量差，不承壓和設(shè)備選型不達標，尤其是波紋膨脹器難以與熱風管道強度相匹配；

（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。

解決熱風系統(tǒng)是個復(fù)雜的問題，重點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。包括熱風管道強度、熱風出口、三岔口的有效處理，熱風支管連接方式等等。

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)的一個階段。例如，卡魯金頂燃式熱風爐在國內(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爐，釆用國產(chǎn)轉(zhuǎn)化的卡魯金頂燃式熱風爐，已經(jīng)收到了投資省、風溫高、節(jié)能減排，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟效益的良好的效果。這一現(xiàn)實已經(jīng)為全國的鋼鐵企業(yè)所接受和認可。但是熱風爐由于種種原因，在風溫的使用方面仍然沒有達到設(shè)計能力。所說的達到1200℃風溫，往往在熱風管道，膨脹節(jié)，拉桿等問題上出現(xiàn)的種種原因限制了高風溫的使用。根據(jù)多年在熱風系統(tǒng)暴露出來的問題我們有針對性的進行技術(shù)研究加以解決這些突出的矛盾。把風溫提高到1250℃，甚至1300℃以上是有實際意義的。目前我國高爐熱風爐正處于一個大改造，提高風溫，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)濟效益。

3.2  現(xiàn)有熱風系統(tǒng)缺陷的解決方案

根據(jù)國內(nèi)高爐熱風爐出現(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，管道強度不夠，這些造成了重大的設(shè)備隱患和設(shè)備故障。把風溫提高到1200℃，甚至1300℃，熱風爐的送風系統(tǒng)已經(jīng)成為了限制性環(huán)節(jié)。為此，我們有針對性地對熱風爐進行全面的科學的受力分析并有針對性地捉出可靠的解決方案。研究制定解決影響熱風爐穩(wěn)定性的一些具體問題。改進熱風爐及送風系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。這樣熱風爐就可以平穩(wěn)長期安全的運行。

熱風爐系統(tǒng)受力分析：熱風爐送風系統(tǒng)已成為使用高風溫和長壽的限制性環(huán)節(jié)。熱風爐的工況客觀上具有來自燃燒、送風周期性的爐體漲落；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；爐體漲落與熱風出口水平位移的剪切力；送風沖擊力和送風結(jié)束后的鋼殼反彈力等錯綜復(fù)雜的應(yīng)力作用，從而導致了熱風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)強度是根本，管道的長短與膨脹，交接口組合磚設(shè)計與質(zhì)量，耐材砌筑質(zhì)量至關(guān)重要。管道斷裂；熱風圍管鼓開；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:熱風出口破損，掉磚，竄風，燒壞； 焊接質(zhì)量不佳：爐底板漏風，爐皮、管道、膨脹節(jié)燒壞等惡性事故。

解決熱風爐送風系統(tǒng)故障問題是一項綜合性系統(tǒng)工程。

我們通過大量的熱風系統(tǒng)的典型事故案例分析，可以突出三大部位四大環(huán)節(jié)。三大部位是熱風出口、三岔口和熱風管道。四大環(huán)節(jié)可以劃分為，一是；熱風系統(tǒng)管適強度與系統(tǒng)高溫高壓不配套；二是沒有弄清楚熱風系統(tǒng)受力復(fù)雜化問題，沒有釆取有針對性的有效措施加以克服；三是存在設(shè)計上的"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，四是熱風系統(tǒng)耐火材料選取的標準與砌筑方式等等。分析后得出一個基本認識，從設(shè)計上進行改進。

靠近高爐。對熱風爐各種復(fù)雜的影響高風溫使用的因素有一個重新認識，這些問題都是可以克服的，提出解決方案。從設(shè)計布置上靠近高爐，縮短熱風管道的距離，熱風爐與高爐越近越好。不僅有效風溫損失小，而且膨脹量減少，投資省，運行穩(wěn)定；

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

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

熱風系統(tǒng)布置與連接方式。有實踐經(jīng)驗表明，建議選擇“順勢”的理念：(1) “喇叭口”式過渡性連接；(2) 斜管連接；(3) 垂直熱風支管；(4) 對稱布置；(5) 首鋼新2號高爐（1327m3）頂燃熱風爐矩形布置。

3.3  改進耐火材料與結(jié)構(gòu)砌筑方式問題：

提高大直徑熱風管道內(nèi)襯砌體穩(wěn)定性的技術(shù)措施有：改進內(nèi)襯砌體設(shè)計（包括采用全機制成型組合磚、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度火泥、上部砌體采用新型絕熱材料等。

大直徑熱風管道對建設(shè)標準和工程質(zhì)量的要求應(yīng)更加嚴格管控，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。

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

4  結(jié)論

（1）經(jīng)理論分析與實踐經(jīng)驗綜合，獲得和使用好1300℃以上超高風溫頂燃式熱風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℃的超高風溫熱風爐是俄羅斯卡魯金頂燃式高溫熱風爐的發(fā)展與完善。超高風溫更加有利于提高富氧噴煤技術(shù)和降低成本，進一步提高高爐煉鐵高質(zhì)量發(fā)展的水平。

（2）要突破 1350℃ 的送風溫度，必須解決送風系統(tǒng)眾多實際問題，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：一是有針對性解決熱風爐系統(tǒng)各種受力，順勢而為。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、自動化水平等一系列綜合技術(shù)助力實現(xiàn)1300℃超高風溫的目標。

5  參考文獻

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

[2]  劉全興，高爐送風系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究，煉鐵機械設(shè)備，2010（4）：27-28.

[3]  劉述臨，煉鐵，我們也要加入“強國俱樂部”，高風溫長壽熱風爐研討會論文集， 1-4，秦皇島，2005年9月.

[4]  向宏宇、王長春、劉輝凱，太鋼超高溫免維護熱風爐實踐.

[5]  王長春，頂燃式熱風爐尺寸和工作制度優(yōu)化（一）.