刘全兴

（原青岛特钢）

摘  要  本文提出了超高风温的概念，介绍了实现1300℃以上超高风温热风炉的技术路线图。从炉型选择、高温空气燃烧技术应用、耐火材料研发，蜂窝砖小孔化、高温拱顶耐火材料减重化、耐晶间应力腐蚀钢板的研制等问题进行明确阐述。特别是对送风系统的受力复杂化入手，对热风出口、热风管道及热风支管的连接方式等优化设计方面提出了新理念、新思路。提出了靠近高炉、降低炉体高度、增强管道强度、改进砌筑方式等一系列提高结构稳定性的建设性意见。

关键词  高炉热风炉  高效预热  超高风温  送风系统   结构稳定性

1  引言

高炉炼铁使用高风温是当今世界炼铁技术发展的方向。高炉热风炉进一步提高风温，降低燃料比成为炼铁高质量发展的一个重要途径。纵观全国高炉热风炉技术进步、生产实践和发展的形势，2019年全国重点钢铁企业高炉炼铁热风温度为1147.47℃，比上年升高15.38℃，普遍采用高风温顶燃式热风炉，风温的提高大大强化了高炉冶炼，燃料比降低，收到良好经济效益。然而，在钢铁产业转型升级，炼铁高质量发展的今天，炼铁对高风温的需求越来越高，一方面对老旧的热风炉进行升级改造的迫切性凸显，应用成熟、先进、实用的热风炉高风温技术机遇期已经到来；另一方面，对1300℃以上超高风温的技术研究的步伐一刻没有停歇，我们一直在努力进行。特别是针对高风温热风炉送风系统出现的种种故障与问题，我们逐一进行仔细认真剖析，提出了系统性切实可行的解决方案。从空间布置到炉体、管道的方方面面，在技术上要有创新与突破，设计上要有新思维，工艺上要有新优化。我们现实需不需要超高风温，回答是肯定的。尽管超高风温在高位时降低焦比的幅度有所降低，但超高风温确实代表世界炼铁的水平。炼铁使用高风温，降低燃料比成为新常态，是炼铁高质量发展的一个重要途径。

2  超1300℃超高风温的技术系统性改进

2.1  高风温具有良好发展前景

什么是超高风温？我的理解和未来的发展趋势应该定义为：1200℃-1300℃为高风温，而1300℃-1400℃才叫超高风温。热风炉也不仅仅为高炉提供热风，现实高炉热风炉已经成为油页岩气体的加热炉。未来可以非高炉炼铁提供热源等不可预知的功能，因此，超高风温是钢铁强国的一个标志，具有广阔发展前景。

全世界现有高炉1500座，其中三分之二在中国（917座）。中国高炉燃料比与先进企业相比平均高出30~40kg/t-HM。风温在炼铁过程中热量贡献率约25%~30%，热风温度每提高100℃，吨铁可以降低焦比3%~5%，提高产量3%-4%。近年来炼铁原燃料大幅度涨价，原燃料成本所占炼铁制造成本大幅增长，占85%~90%，炼铁生产已经进入了高成本时代。高风温对于富氧喷煤强化炼铁，推动炼铁高质量发展具有重要作用。近20年来热风炉技术进步加快，全国风温已经达到了1160℃的水平。这是多年来生产、设计和建设单位共同努力的结果。从技术和环保层面来分析，主要是由于采取了以下技术措施：高炉广泛采用富氧鼓风；推广应用顶燃式热风炉；改进预热系统，提高煤气和助燃空气的预热温度；提高废气温度以及改进蓄热体设计，解决送风系统故障问题等。中国炼铁学界提出了下一步的目标是实现1280±20℃的风温水平。因此，我们要研究的课题是如何在节能减排最优化的前提下达到目标超高风温。

2.2  实现超高风温的技术路线图

1300℃风温是目前世界最高水平，国际上只有个别热风炉短期达到。有文献报道太钢6号高炉（4350m3）热风炉风温达到1310℃，处于国内领先水平。热风炉工艺技术的开发过程中解决了一些关键问题，在更高温度的基础上力争两代炉龄寿命。结合耐火材料技术发展现状，提升设备材料等先进工艺及模型技术的系统开发。因此，提示研究人员进行关键的工艺需求分析与选择，明确要解决抗晶间应力腐蚀蚀工艺技术问题；针对关键工艺技术开展深入分析与研究，确定相应的工艺装备配置升级以及过程控制模型、实验检测方案，按照完整性要求进行系统开发与集成。把高炉热风管道系统作为重点，系统分析各部位参数和运行技术指标及生产故障案例教训，创新技术理念，本着“就近、降高、顺势、精砌”的原则，提出四个目标：

（1）送风风温的要求长期高于1300℃运行，拱顶温度1450℃。

（2）正常使用寿命按照一代炉龄20-30年免维护设计。

（3）热风炉运行期间外部钢壳平均温度小于100℃。

（4）工业废气排放要优于国家排放要求。

2.3  优化组合后实现超高风温工艺流程

A.顶燃式热风炉（强化燃烧，高效传热，气流均匀）+

B.高效预热（附加加热换热系统或辅助热风炉法等）+

C.燃烧器专用砖+优质硅砖，高效，抗渣化蜂窝砖+

D.靠近高炉，降低高度，对称布置，圆滑过渡+

E.热风系统优化设计与砌筑（复合式热风出口，热风支管）+

F.解决晶间应力腐蚀，炉体、管道绝热+

G.全自动化，智能化操作的全新工艺流程。

H. 其它，... ...。

A+B+C+D+E+F+G+H=1300℃ 超高风温热风炉实现1300℃超高风温整体工艺技术和设备组成的路线图，对热风炉要有新的认识，然后优化工艺流程和技术路线。

首先是选择最佳的热风炉炉型。根据较长时间的生产验证，我们已经认识到顶燃式热风炉是最佳的炉型。因为它具有燃烧强度大传热性能好，加热均匀等优点。

其次，必须采用高温空气燃烧技术。按照目前的高炉煤气热值偏低，要想达到1300℃以上的超高风温几乎是不可能的，但是我们可以通过综合换热的办法把燃烧介质的物理温度通过工艺加热到助燃空气550~600℃，煤气由目前的120℃，加热到300℃。用这样的燃烧介质去烧热风炉，拱顶温度就达到了1420℃以上。拱顶温度达到1420以上，还要考虑氮氧化物的生成问题。如何防止钢材晶间应力腐蚀也是一个大的问题。

第三，我们要优化耐火材料的选择和使用。特别是高品质的硅砖或者是堇青石砖。采用小孔径的蓄热体等一系列措施。可以保证蓄热能力足够，燃烧能力强大。

第四，热风管道要采取综合治理的办法保证安全运行承载超高风温，结构稳定性好，实现高温长寿。通过提高或煤气和助燃空气物理热（爬梯子）的途径来提高拱顶温度；改进热风炉的设计，强化换热过程，减小拱顶温度与送风温度之间的差值，送风温度与拱顶温之差，我们已经缩短到了50~70℃。采用优质硅砖作拱顶和热风炉的高温区，热风炉可承受 1500℃的高温，因此初始送风温度可以达到 1350℃。

3  全热风系统的技术保证的解决方案

3.1  送风系统存在的风险不容低估：

事故案例：某钢厂（5860m3，2010.2.11）热风管道断裂、掉落重大事故；

某钢厂4号（4966m3，2020.3.8）热风管道膨胀节吹开，耐材脱落着火事故；

某钢厂3号（3200m3，2010.7.19）热风炉大拉杆断裂，热风管道位移事故；

某钢厂（2680m3，2009.12.30）热风三岔口烧坏事故；

某钢厂10号（2580m3，1997.3.6）热风围管烧开、断裂事故； 

某钢厂7号（2580m3，1990.9.19）热风主管端头盲板鼓开事故；

某钢厂7号（2580m3，1998.6.22）外热式拱顶炉皮鼓开事故；

某钢厂3号（1053m3，1998.12.27）热风出口炉皮鼓开重大伤亡事故；

某钢厂6号（507m3，2008.8.3）热风管道膨胀节烧损事故；

还有一些钢厂也曾出现过此类事故。

主要原因：

（1）设计缺陷----布置上热风炉远离高炉，有的150米以外；热风管道强度不够，管壳薄，耐火材料砌筑质量差，不承压和设备选型不达标，尤其是波纹膨胀器难以与热风管道强度相匹配；

（2）施工焊接质量不佳；

（3）砌筑方式不合理；

（4）膨胀节事故居多等。

解决热风系统是个复杂的问题，重点要解决耐高温高压与系统匹配问题，还要考虑复杂多向的膨胀受力问题，材质和施工质量问题等等。包括热风管道强度、热风出口、三岔口的有效处理，热风支管连接方式等等。

到现在为止已经出现了完整的系统化的采用新技术的一个阶段。例如，卡鲁金顶燃式热风炉在国内已经有18年的应用历史。国内无论应用原装的卡鲁金热风炉，釆用国产转化的卡鲁金顶燃式热风炉，已经收到了投资省、风温高、节能减排，降低生产成本，提高企业经济效益的良好的效果。这一现实已经为全国的钢铁企业所接受和认可。但是热风炉由于种种原因，在风温的使用方面仍然没有达到设计能力。所说的达到1200℃风温，往往在热风管道，膨胀节，拉杆等问题上出现的种种原因限制了高风温的使用。根据多年在热风系统暴露出来的问题我们有针对性的进行技术研究加以解决这些突出的矛盾。把风温提高到1250℃，甚至1300℃以上是有实际意义的。目前我国高炉热风炉正处于一个大改造，提高风温，增加喷煤比，提高富氧率，改善优化炉料结构等一系列技术措施，最终是要降低高炉的燃料比。提高炼铁生产率和经济效益。

3.2  现有热风系统缺陷的解决方案

根据国内高炉热风炉出现的各种事故案例分析，绝大多数的隐患发生在送风系统。例如管道过长，膨胀节拉开，损坏。三岔口烧红，管道强度不够，这些造成了重大的设备隐患和设备故障。把风温提高到1200℃，甚至1300℃，热风炉的送风系统已经成为了限制性环节。为此，我们有针对性地对热风炉进行全面的科学的受力分析并有针对性地捉出可靠的解决方案。研究制定解决影响热风炉稳定性的一些具体问题。改进热风炉及送风系统的结构。这样热风炉就可以平稳长期安全的运行。

热风炉系统受力分析：热风炉送风系统已成为使用高风温和长寿的限制性环节。热风炉的工况客观上具有来自燃烧、送风周期性的炉体涨落；钢材和耐材膨胀力及叠加膨胀力；高温高压的扩张力及盲板力；拱顶自身重力和砌体的下滑力；炉体涨落与热风出口水平位移的剪切力；送风冲击力和送风结束后的钢壳反弹力等错综复杂的应力作用，从而导致了热风炉出口和拱顶垮塌的恶性事故发生。 炉体与管道结构强度是根本，管道的长短与膨胀，交接口组合砖设计与质量，耐材砌筑质量至关重要。管道断裂；热风围管鼓开；膨胀节破损鼓开都与此相关；盲板力:大拉杆断裂，管道失稳，造成事故；剪切力:热风出口破损，掉砖，窜风，烧坏； 焊接质量不佳：炉底板漏风，炉皮、管道、膨胀节烧坏等恶性事故。

解决热风炉送风系统故障问题是一项综合性系统工程。

我们通过大量的热风系统的典型事故案例分析，可以突出三大部位四大环节。三大部位是热风出口、三岔口和热风管道。四大环节可以划分为，一是；热风系统管适强度与系统高温高压不配套；二是沒有弄清楚热风系统受力复杂化问题，沒有釆取有针对性的有效措施加以克服；三是存在设计上的"短板"，例如空间布置，波纹膨胀器的选用，大拉杆的结构形式与选用，四是热风系统耐火材料选取的标准与砌筑方式等等。分析后得出一个基本认识，从设计上进行改进。

靠近高炉。对热风炉各种复杂的影响高风温使用的因素有一个重新认识，这些问题都是可以克服的，提出解决方案。从设计布置上靠近高炉，缩短热风管道的距离，热风炉与高炉越近越好。不仅有效风温损失小，而且膨胀量减少，投资省，运行稳定；

降低热风炉高度。从热风炉复杂的受力情况和结构不对称角度考虑，如何加高热风炉的主张都是于此相违背的。唯有使得热风炉在燃烧期和送风期炉体的上下膨胀量降低，才有利于减少涨落，保证热风出口的稳定性。

解决热风管道的强度问题。热风管道的强度对热风系统的稳定性至关重要。初步的想法是把热风管道的钢壳厚度从原来的16~20mm增加到28mm。加强膨胀节的强度，减少爭故隐患。另外，砌砖应该要进行科学、有效率的技术研究，真正解决膨胀的问题。

热风系统布置与连接方式。有实践经验表明，建议选择“顺势”的理念：(1) “喇叭口”式过渡性连接；(2) 斜管连接；(3) 垂直热风支管；(4) 对称布置；(5) 首钢新2号高炉（1327m3）顶燃热风炉矩形布置。

3.3  改进耐火材料与结构砌筑方式问题：

提高大直径热风管道内衬砌体稳定性的技术措施有：改进内衬砌体设计（包括采用全机制成型组合砖、拱形或“D”形圆滑过渡内衬等）、工作环采用超低蠕变耐火砖和高强度火泥、上部砌体采用新型绝热材料等。

大直径热风管道对建设标准和工程质量的要求应更加严格管控，尤其应避免较大的安装结构应力，内衬耐火砖普遍采用咬砌方式等。

热风管道的重要性要高于热风炉本身，全面提高高温高压工况、大直径热风管道的稳定性是高炉冶炼技术发展的必然要求，应当引起业主、设计、监理、施工各方面的高度重视。

4  结论

（1）经理论分析与实践经验综合，获得和使用好1300℃以上超高风温顶燃式热风炉新的集成综合技术的体现。其应用为高炉稳定顺行、高产稳产、降低成本提供了可靠保障。高效的1300℃的超高风温热风炉是俄罗斯卡鲁金顶燃式高温热风炉的发展与完善。超高风温更加有利于提高富氧喷煤技术和降低成本，进一步提高高炉炼铁高质量发展的水平。

（2）要突破 1350℃ 的送风温度，必须解决送风系统众多实际问题，还要解决氮化物的生成和耐腐蚀钢板问题。要解决这些问题的途径是：一是有针对性解决热风炉系统各种受力，顺势而为。二是研究在燃烧的过程中超高温带来一系列不利因素的影响，抑制和限制氮化物的生成。 通过在设计上合理布置，加大燃烧器的能力，改善耐火材料质量，采用高效预热这一“爬梯子”应用技术和提高智能化、自动化水平等一系列综合技术助力实现1300℃超高风温的目标。

5  参考文献

[1]  刘全兴，高炉热风炉操作与煤气知识问答，冶金工业出版社，2005.

[2]  刘全兴，高炉送风系统结构稳定性的研究，炼铁机械设备，2010（4）：27-28.

[3]  刘述临，炼铁，我们也要加入“强国俱乐部”，高风温长寿热风炉研讨会论文集， 1-4，秦皇岛，2005年9月.

[4]  向宏宇、王长春、刘辉凯，太钢超高温免维护热风炉实践.

[5]  王长春，顶燃式热风炉尺寸和工作制度优化（一）.