李詠茹 王麗 張吉增

山東省淄博市張店鋼鐵總廠 255010

張鋼“改進型”頂燃式熱風爐的設計與應用

李詠茹 王麗 張吉增

山東省淄博市張店鋼鐵總廠 255010

熱風爐作為高爐的主要配套設備，它的設計質(zhì)量對高風溫的提供和煉鐵工序能耗的降低至關重要。本文重點對張鋼1350m3高爐“改進型”熱風爐的設計特點和使用情況進行了闡述。

熱風管道；預燃室；耐火材料

前言

熱風爐是煉鐵生產(chǎn)過程中高爐的主要附屬設備之一，其投資約占高爐的50%～60%，它供給高爐熱風的熱量約占煉鐵生產(chǎn)能耗的20%，它消耗的高爐煤氣約占高爐產(chǎn)生煤氣的50%。提高風溫，不僅可以提高爐缸溫度，使下部熱量充沛，而且也不會影響高爐爐腹煤氣量的變化，對順行影響小，在1000℃～1100℃風溫范圍內(nèi)，熱風溫度每提高100℃，可以降低焦比20kg/tFe，同時可增產(chǎn)3%～5%。還可增加噴吹煤粉40kg/t鐵，相應地進一步降低焦比。隨著國家對節(jié)能減排的重視及世界能源日趨緊張，石油、煤炭、天然氣價格日益攀升，為保證熱風爐的換熱效率，更好地向高爐提供恒溫、恒壓的高溫空氣，熱風爐的選型、結構參數(shù)的設計、耐火材料的配置等顯得尤為重要。

1 熱風爐的選型

目前國內(nèi)外熱風爐的結構型式有內(nèi)燃式、外燃式、頂燃式等。由于內(nèi)燃式熱風爐隔墻的限制，蓄熱室氣流分布不均勻，內(nèi)燃式熱風爐在大型化方向上被外燃式熱風爐所取代。而外燃式在結構上由于過于復雜，限制了風溫的進一步提高。“改進型”頂燃式熱風爐是山東冶金設計院在“卡盧金”頂燃式熱風爐專利技術基礎上，吸收其他形式的頂燃式熱風爐技術優(yōu)點研究開發(fā)的一種新型頂燃式熱風爐，取消了燃燒室，將預燃室置于熱風爐頂部，煤氣和助燃空氣環(huán)腔安置在預燃室內(nèi)，煤氣和助燃空氣在預燃室內(nèi)充分混合，在熱風爐拱頂燃燒，這樣可以節(jié)省熱風爐的占地面積，熱風爐高度及直徑相對較小，耐火材料及鋼結構用量相對較少。實踐證明，在相同高爐容積條件下，“改進型”頂燃式熱風爐比其它形式熱風爐節(jié)約鋼材30%，節(jié)約耐火材料15%，總投資可節(jié)約20%。經(jīng)過全面分析，確定采用“改進型”頂燃式熱風爐。

2 “改進型”頂燃式熱風爐的主要設計參數(shù)

本次設計確定的主要參數(shù)如下:

熱風爐數(shù)量:3座

熱風爐全高:39.64米

爐殼內(nèi)徑: 10.28/9.43/8.84

送風制度: 兩燒一送

送風周期:45分鐘

格子磚高度:20.22米

格子磚截面積:48.1m2

單位m3格子磚加熱面積:48m2

格子磚總加熱面積:139635m2

單位爐容加熱面積:99.31m2/m3

拱頂溫度:1350℃～1400℃

廢氣溫度（最大）:450℃

熱風溫度:1200℃

冷風流量:3200Nm3/min

空氣耗量:118000Nm3/h

煤氣耗量:115000Nm3/h

空氣預熱溫度:180℃

煤氣預熱溫度:180℃

熱風爐效率:78.05%

3 設計的主要特點

3.1 預燃室結構特點

3.1.1 預燃室及拱頂背襯采用噴涂層、耐火纖維毯、輕質(zhì)保溫隔熱磚到工作層，該結構可以吸收砌體膨脹，提高耐火材料隔熱保溫效果，降低爐殼溫度，減少拱頂溫度與送風溫度的溫差。

3.1.2 預燃室采用分別支撐與爐殼上的獨立支撐結構，熱風爐拱頂、爐墻、格子磚和爐殼均勻而且對稱，拱頂只有一個熱風出口，保證熱風爐拱頂在高溫高壓下的穩(wěn)定性。

3.1.3 預燃室是頂燃式熱風爐的核心部位，預燃室結構參數(shù)正確與否，直接關系到煤氣和助燃空氣混合是否均勻、燃燒是否充分、煙氣分布是否合理，也就決定了整個熱風爐的送風能力和熱效率。因此，預燃室結構參數(shù)的設計至關重要。

預燃室為煤氣和助燃空氣混合的部位，其中有煤氣環(huán)腔和空氣環(huán)腔。上層為煤氣環(huán)腔，有兩排煤氣噴嘴，每排有噴嘴18個，噴嘴為矩形。兩排噴嘴水平砌筑，煤氣沿31°角切向噴入預燃室；下層為空氣環(huán)腔，有兩排助燃空氣噴嘴，每排有噴嘴18個，呈矩形，水平砌筑，上層空氣噴嘴將助燃空氣沿13°角方向噴入預燃室；下層空氣噴嘴將空氣沿徑向噴入預燃室中心。這種結構形式使煤氣在預燃室內(nèi)產(chǎn)生邊緣強中心弱的旋流，與上層助燃空氣產(chǎn)生的旋流混合并旋轉向下運動，被下層助燃空氣噴嘴沿徑向噴入的空氣充分攪拌切割，由喉口進入拱頂，速度迅速降低并在拱頂燃燒?？刂坪眯鲝姸染拖喈斢诳刂屏藷煔庠诟褡哟u上表面邊緣和中心的強度，達到煙氣均勻合理的分布。因此喉口直徑與預燃室直徑的比例、喉口直徑與拱頂內(nèi)徑的比例、煤氣和空氣噴嘴的角度及數(shù)目在設計中顯得尤為重要。

3.2 熱風管道設計特點

熱風管道系統(tǒng)的設計、安裝和砌筑，往往因為對熱風盲板力和管道熱應力考慮不周到，限制了不少熱風爐提供1250℃以上的高風溫。由于頂燃式熱風爐其熱風總管與熱風圍管不在同一水平面上，需要有一段熱風豎管過渡到熱風直管，通過熱風直管與熱風圍管相連，在這方面表現(xiàn)的更為突出。因此在設計中非常重視。熱風圍管被固定在高爐框架上，成為熱風管道系統(tǒng)的固定件，送風時受盲板力和熱應力的作用，與之相連的熱風直管就沿著其中心線向圍管相反方向膨脹，為此設計中采用了兩段波紋管補償器和管道支座；熱風支管與熱風總管的連接上，設置了波紋補償器和拉桿組，在支管和總管中心線的交點設置管道支座，吸收因盲板力和熱應力引起的橫向位移和軸向位移；熱風總管上設置了長拉桿、熱風總管與熱風豎管之間、熱風總管端部設置了波紋管補償器，以吸收管道的縱向膨脹位移和拉桿的彈性伸長；同時熱風出口處的爐殼鋼板采取了加厚措施，以防止因盲板力和熱應力使熱風出口處的爐殼變形，進而造成爐墻和管道耐火材料損壞，影響熱風爐壽命。

3.3 耐火材料的配置

3.3.1 熱風爐蓄熱體:上部高溫區(qū)采用耐火度高、蠕變率低的硅磚，設計中充分考慮了高溫區(qū)和低溫區(qū)的界面溫度（包括熱風爐本體內(nèi)襯），設定硅磚高度為8.52m，防止硅磚溫度頻繁波動而引起硅磚粉化；中部有硅磚和黏土磚混合過渡段，硅磚4層（相當于黏土磚6層）；下部為采用熱震穩(wěn)定性強的黏土磚。

3.3.2 熱風爐本體內(nèi)襯

喉口:由爐殼到工作層依次采用支撐臂耐熱混凝土、硅酸鋁耐火纖維毯、高鋁磚。

拱頂:由外到內(nèi)依次采用噴涂層、硅酸鋁耐火纖維毯、輕質(zhì)保溫黏土磚、輕質(zhì)隔熱硅磚，工作層用耐火度高、抗腐蝕性好、蠕變率低的硅磚。

上部高溫區(qū):由外到內(nèi)依次采用硅酸鋁耐火纖維板、輕質(zhì)黏土磚、輕質(zhì)硅磚、硅磚。

下部低溫區(qū):由外到內(nèi)依次采用硅酸鋁耐火纖維板、輕質(zhì)黏土磚、黏土磚。

3.3.3 預燃室

預燃室球頂:由外到內(nèi)依次采用噴涂層、硅酸鋁耐火纖維毯、兩層輕質(zhì)黏土磚、紅柱石磚。

預燃室:耐火材料由外到內(nèi)依次采用噴涂層、硅酸鋁耐火纖維毯、低鐵莫來石磚、紅柱石磚，煤氣環(huán)道、空氣環(huán)道及個噴嘴工作面均采用莫來石復合堇青石磚。

3.3.4 管道耐材

熱風支管:由外到內(nèi)依次采用硅酸鋁耐火纖維板、低鐵莫來石磚4層，充分考慮支管的保溫、隔熱及熱膨脹，工作面采用蠕變率低、耐火度高、熱震性能好的低蠕變高鋁磚。

熱風總管及熱風直管:下部120°范圍內(nèi)噴涂72mm厚噴涂層，上部240°噴涂54mm厚噴涂層，下部120°范圍內(nèi)鋪襯2mm油紙，上部240°鋪襯20mm硅酸鋁耐火纖維毯，向內(nèi)依次采用兩層低鐵莫來石磚和一層低蠕變高鋁磚。

各孔口、交叉口、三岔口:熱風支管與熱風總管、混風管、倒流休風管至熱風總管、熱風總管至熱風豎管、熱風豎管至熱風直管、倒流休風管至倒流煙囪、熱風豎管人孔、倒流休風煙囪、熱風直管與熱風圍管及熱風圍管與鵝頸管等各孔口、三岔口、交叉口均使用低蠕變高鋁質(zhì)組合磚。

熱風爐本體內(nèi)襯、預燃室、拱頂、各管道等部位設計了膨脹縫，以吸收耐火材料的膨脹位移；爐墻與火帽子之間同時還設置滑動縫，以耐火纖維毯填充，使砌磚耐材局部或整體位移時不致?lián)p壞。

4 設計采用的其它新技術

4.1 熱風爐煙氣余熱回收利用技術

熱風爐廢氣中含有大量的熱能，本次設計的指導思想就是充分利用熱風爐廢氣余熱，提高熱風爐系統(tǒng)的熱效率，降低燃料消耗。這是高爐煉鐵技術發(fā)展的內(nèi)在要求和必然趨勢，是減少二氧化碳排放、降低污染和能耗、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、創(chuàng)建資源節(jié)約型企業(yè)的重要手段。

設計中采用了地上鋼煙道，分體式煤氣、助燃空氣預熱器，其主要工藝參數(shù)如下:

空氣預熱器:空氣流量:89000Nm3/h空氣進口壓力:12kPa

預熱前空氣溫度:20℃ 預熱后空氣溫度:180℃

煙氣流量:95000Nm3/h 煙氣溫度:300℃

煤氣預熱器:煤氣流量:118000Nm3/h 煤氣進口壓力:8kPa

預熱前煤氣溫度:80℃ 預熱后煤氣溫度:180℃

煙氣流量:95000Nm3/h 煙氣溫度300℃

經(jīng)過預熱器后的煙氣，仍有部分顯熱，設計中在預熱器后的煙道上預留接口，利用煙氣剩余的熱量，由引風機引至高爐噴煤系統(tǒng)的煙氣發(fā)生爐，中和煙氣發(fā)生爐的高溫煙氣后送往磨煤系統(tǒng)的中速磨，干燥煤粉，煙氣預熱得到更進一步的利用。

4.2 蓄熱室格子磚采用了高發(fā)射率覆層技術

蓄熱室上部高溫區(qū)格子磚采用了新型輻射材料—微納米高溫遠紅外節(jié)能涂料。該材料發(fā)射率0.91～0.93；耐火度大于1800℃；附著力2級以上；抗熱震性1200℃，室內(nèi)10次以上無脫落；粒度25nm～78nm。使用該材料，可縮短升溫時間，降低排煙溫度，提高爐溫及爐溫均勻度，燃料燃燒充分，提高熱效率，提高工效5%～15%，延長蓄熱體壽命，節(jié)能5%～20%。

5 生產(chǎn)實踐與應用

熱風爐自投入使用至今已經(jīng)兩年多，沒有出現(xiàn)任何操作及設備事故，在單燒高爐煤氣的情況下，風溫實送能力達1200℃以上。只是受高爐操作水平及原燃料條件的限制，有時風溫利用水平較低。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.17.040