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 拱顶温度的控制

如前所述，随着技术进步和对高风温技术的深入研究，人们越来越清晰地认识到，提高风温是一项涉及专业门类广、跨学科领域和需要多工序协同的复杂工程问题。这个复杂的工程问题，不仅关系到高炉自身的生产运行，还关乎整个钢铁制造流程能源流的动态调控。从某种程度上，提高风温已成为高炉炼铁工序的关键共性技术，对于高炉炼铁低碳绿色、节能减排和高效长寿，具有重要的现实意义和深远的战略意义。进而言之，高风温技术包括清洁高效燃烧技术、高效传热技术、高温 -高压热风安全稳定输送技术，以及高温热风的应用技术等，还应当包括降低燃料消耗减少CO₂排放，减少热风炉烟气SO_x和NO_x的生成与排放，实现热风炉全流程智能化运行等命题。

提高热风炉拱顶温度是实现高风温的一个基本前提和必要条件。理论研究和生产实践表明，当拱顶温度超过1420℃以上时，NO_x会大量生成、体积分数急剧增高。这不仅造成严重的环境污染，还会导致热风炉炉壳出现晶界应力腐蚀，严重影响热风炉寿命和安全，成为当前限制热风炉提高风温的重大技术障碍之一。对此必须给予足够的重视，并着力解决限制性关键技术难题。从当前技术发展现状分析，将热风炉拱顶温度控制在1380 ℃以下是比较安全的温度区间，风温达到1250℃以上时热风炉的拱顶温度也不宜超过1400℃，努力将拱顶温度与风温的差值控制在100℃以下，可提高热风炉能量转换效率和热能的有效利用，最大限度降低热量耗散。根据热力型NO_x生成机理，实测表明在热风炉拱顶温度低于1400℃时，热风炉烟气中NO_x的质量分数一般可以控制在0.01％以内，甚至低于0.007％ ，在这种工况下，可以有效抑制晶界应力腐蚀问题，同时减少污染物排放。

随着顶燃式热风炉技术的推广应用，配置助燃空气高温预热技术，在全烧高炉煤气条件下，中国部分先进大型高炉风温水平已达到国际一流水平，特别是京唐、湛江和日照等8座5000m³以上巨型高炉，其中7座高炉采用了顶燃式热风炉配置助燃空气高温预热技术，风温均达到了1250℃甚至更高。在拱顶温度已不再是高风温的关键技术难题时，必须要将拱顶温度控制在合理的范围内，而不是无限度地提高拱顶温度。当拱顶温度超过1420℃以上时，会造成NO_x急剧生成，不仅对生态环境造成严重污染，还极易造成热风炉炉壳的晶界应力腐蚀，造成高温区炉壳在焊缝和残余应力集中的部位，沿着晶界出现腐蚀和裂纹，使炉壳强度下降和失效，最终导致炉壳出现开裂、发红、窜风等破损，威胁热风炉安全生产和使用寿命。

3.2 晶间应力腐蚀的预防

      在热风炉操作过程中，建议将热风炉拱顶温度控制在（1380±20）℃的合理范围内，进一步缩小拱顶温度与风温的差值，将其控制在100 ℃以内。采用高效格子砖、涂装高辐射材料、提高鼓风流场分布均匀性等多种技术措施，可有效提高热风炉的能量利用和转换效率，更加充分地利用好高温热量。图9所示为首钢京唐1号高炉1号热风炉工作周期内的温度变化过程。

在热风炉设计建造过程中，为了有效预防热风炉炉壳晶间应力腐蚀，应当采取以下措施：（1）提高热风炉炉壳材质，优先采用细晶粒高强度、高性能的钢板，严格控制钢板材料缺陷；（2）根据炉壳热-力加载条件下的有限元仿真分析结果，对强度薄弱的区域采取“补强”措施，减少炉壳应力集中；（3）拱顶和高温区炉壳的结构设计应采用曲面平滑过渡，减少尖角连接结构，使其力学结构合理、受力均匀；（4）炉壳钢板采用预装切割、保护性拼装焊接，冬季施工中必须对焊接钢板和焊条进行加热，降低焊接应力和变形，焊接后要对炉壳表面的焊缝打磨平滑；（5）炉壳焊后应进行退火热处理，以消除焊接残余应力；（6）炉壳内表面涂装抗酸腐蚀的耐酸涂料，隔断NO_x等酸性介质与炉壳内壁的接触；（7）有条件的可在炉壳内表面敷设抗酸腐蚀的不锈钢钢箔，或采用不锈钢复合钢板，抵抗腐蚀性气体在冷凝结露后积聚所产生的破坏；（8）采用炉壳外保温等措施，控制炉壳表面温度达到露点以上（一般炉壳温度控制在100℃以上），防止酸性物质的凝聚、沉积。总之，热风炉炉壳晶间应力腐蚀的预防是一项综合的技术，需要从系统全局出发，必须采取综合措施才能取得有效结果。

３.３热风炉操作的优化

      毋庸置疑，在当前技术条件下，高效清洁热高风温技术是高炉炼铁实现低碳绿色的重要基础和支撑，进一步提高风温是现代高炉炼铁的关键共性技术 。未来高风温技术，不再追求单一的风温指标，而是以高效、低碳、清洁、低排放、绿色化、智能化多目标为关注点，实现多目标的集成优化。从热风炉生产操作的层次分析，应当做好以下几个方面：（1）在约束条件下，合理控制拱顶温度，努力将拱顶温度控制在（1380±20）℃的范围内，缩小拱顶温度与风温的差值；（2）采用数字化、信息化和智能化控制模型或方法，实现热风炉系统的自感知、自适应、自决策和自执行，进而实现热风炉燃烧 － 换炉 －送风全流程智能化精准调控和闭环运行；（3）构建动态输入 － 输入的耗散结构结构体系，注重全过程物质流、能量流和信息流的高效耦合运行，例如关注拱顶温度与烟道温度的协同耦合，注重烟气成分的动态变化，建立数字映射模型，将其前置反馈到煤气和助燃空气流量的输入与调节；（4）减少冷风的混入量，提高风温水平；（5）通过大数据挖掘和系统自学习，建立起热风炉强化燃烧、强化送风的动态甘特图，提高热风炉工作效率和转换周期，通过缩短送风周期进而提高风温；（6）多座热风炉发挥好交错并联送风的技术优势，使多座热风炉运行动态 － 有序、协同 － 连续、高效 － 节能；（7）合理调控热风炉燃烧的空燃比，降低空气过剩系数，降低能源消耗和CO₂ 、CO 的排放；（8）加强热风炉炉体和管道的监测与维护，密切关注炉壳、管道表面温度、应力的变化，杜绝安全事故、延长使用寿命。

４ 结论

   （1）高风温是现代高炉重要的技术特征之一，是现代高炉实现低碳绿色冶炼的重要技术支撑，也是未来高炉炼铁发展的关键共性技术。提高风温必须从传统的技术理念中摆脱出来，建立起耗散结构优化的能量高效转换的工程思维和认识。

   （2）全燃烧低热值高炉煤气实现高风温是未来高炉炼铁技术的发展方向。顶燃式热风炉由于具有多工况适应性，与煤气预热和助燃空气高温预热工艺耦合匹配，是中国在5000ｍ^３ 巨型高炉上实现的重大技术创新，全部燃烧低热值煤气时风温稳定达到1250℃以上，取得了显著的应用成效和实绩，对产业技术进步产生了重要的推动作用。

    （3）在当前技术条件下，控制拱顶温度在合理范围内，采取综合措施有效抑制热风炉晶间应力腐蚀，缩小拱顶温度与风温的差值，采用智能化技术改进热风炉操作等是实现热风炉高风温和高效长寿的重要技术措施。

    （4）高风温技术是系统集成技术，包括热风炉燃烧、气体运动、传热、热风输送和热风使用等多个单元技术组合，是21世纪中叶高炉炼铁技术进步的重要方向之一。提高风温的前提条件是必须具备足够高的拱顶温度和蓄热量，通过提高热风炉拱顶温度、优化热风炉燃烧、改善热风炉操作，降低热风炉自身能源消耗，提高能源转换效率，从而降低高炉炼铁工艺的CO₂ 、CO和NO_x排放。