大型高爐熱風(fēng)爐技術(shù)的比較分析

張健欣

摘 要：高爐熱風(fēng)爐是煉鐵廠高爐重要的附屬設(shè)備，隨著高爐熱風(fēng)爐技術(shù)的不斷改進(jìn)和提高，我國高爐熱風(fēng)溫度已經(jīng)逐漸得到了提高。高爐熱風(fēng)爐于二十世紀(jì)五十年代在我國得到應(yīng)用，當(dāng)時(shí)以內(nèi)燃式熱風(fēng)爐技術(shù)為主，之后逐漸引入并開發(fā)了外燃式熱風(fēng)爐和頂燃式熱風(fēng)爐，技術(shù)逐步得到了提高。大型高爐熱風(fēng)爐以外燃式熱風(fēng)爐和頂燃式熱風(fēng)爐為主，比較典型的有外燃式熱風(fēng)爐Didier、NSC和頂燃式熱風(fēng)爐，該文主要比較分析了三種典型熱風(fēng)爐的本體結(jié)構(gòu)，并對(duì)外燃式熱風(fēng)爐和頂燃式熱風(fēng)爐的速度分布、格子磚表面溫度分布、風(fēng)爐流場進(jìn)行比較分析。

關(guān)鍵詞：大型高爐 高爐熱風(fēng)爐 外燃式熱風(fēng)爐 頂燃式熱風(fēng)爐 拱頂 結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TF578 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）11（b）-0051-01

高爐熱風(fēng)爐是煉鐵廠高爐重要的附屬設(shè)備，煉鐵生產(chǎn)過程中，高爐熱風(fēng)爐向高爐內(nèi)部持續(xù)鼓入大量的高溫空氣，從而保證高爐中燃燒的焦炭將鐵礦石中的鐵氧化物還原成金屬鐵，能夠能將降低焦比、增加產(chǎn)量。

二十世紀(jì)五十年代，我國高爐以內(nèi)燃式熱風(fēng)爐為主，不過其在技術(shù)方面有許多不完善的地方，同時(shí)隨著風(fēng)溫的增加其缺陷也會(huì)更為明顯。到了六十年代，出現(xiàn)了燃燒室與蓄熱室分開的外燃式熱風(fēng)爐。七十年代，我國開發(fā)了頂燃式熱風(fēng)爐，并且在的高爐上得到了應(yīng)用。之后對(duì)高爐熱風(fēng)爐進(jìn)行不斷的完善。從高爐熱風(fēng)爐的發(fā)展過程可以看出，高爐有效容積、強(qiáng)化冶煉程度及爐溫、風(fēng)壓的不斷提高，致使熱風(fēng)爐的結(jié)構(gòu)也隨之變化。該文主要比較分析Didier、NSC以及頂燃式三種典型熱風(fēng)爐的本體結(jié)構(gòu)，并對(duì)外燃式熱風(fēng)爐和頂燃式熱風(fēng)爐的速度分布、格子磚表面溫度分布、風(fēng)爐流場進(jìn)行比較分析。

1 高爐熱風(fēng)爐的分類

根據(jù)現(xiàn)代熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用于4000 m3級(jí)別的高爐熱風(fēng)爐可分為三類，包括內(nèi)燃式、外燃式以及頂燃式三種。

1.1 內(nèi)燃式熱風(fēng)爐

霍戈文熱風(fēng)爐是內(nèi)燃式熱風(fēng)爐的成功代表，其體積小、材料用量少，能夠節(jié)省很大一部分的投資，并且其良好的生產(chǎn)效果能夠滿足高風(fēng)溫和長壽的需求。普通內(nèi)燃式熱風(fēng)爐存在一定的缺陷，比如火井偏在一側(cè)導(dǎo)致氣流的分布參差，阻礙了直徑的擴(kuò)大；燃燒室隔墻結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜；拱頂溫度不得超過1320℃、風(fēng)溫要控制在980～1100℃。

1.2 外燃式熱風(fēng)爐

大型高爐多采用外燃式熱風(fēng)爐，目前使用較多且效果好的外燃式熱風(fēng)爐是新日鐵工外燃熱風(fēng)爐。其具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，防止晶間應(yīng)力腐蝕，增加了熱風(fēng)閥的使用壽命等優(yōu)點(diǎn)。外燃式熱風(fēng)爐也存在一些缺點(diǎn)，其材料消耗相對(duì)較大，異型磚拱頂?shù)膹?fù)雜結(jié)構(gòu)造成施工比較困難，同時(shí)結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，受力參差。

1.3 頂燃式熱風(fēng)爐

其撤除了燃燒室，在熱風(fēng)爐的拱頂直接安裝燃燒器。頂燃式熱風(fēng)爐將內(nèi)燃式、外燃式的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，不僅增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、增加了蓄熱面積，而且還降低了熱損失，增加了熱風(fēng)爐的使用壽命等等。

用于5000 m3級(jí)別的高爐熱風(fēng)爐技術(shù)為外燃式熱風(fēng)爐和頂燃式熱風(fēng)爐兩種。

2 大型高爐熱風(fēng)爐技術(shù)的比較分析

該文主要比較分析用于5000 m3級(jí)別大型高爐熱風(fēng)爐的外燃式熱風(fēng)爐和頂燃式熱風(fēng)爐兩種。

2.1 外燃式和頂燃式熱風(fēng)爐本體結(jié)構(gòu)的比較

外燃式熱風(fēng)爐應(yīng)用較多的類型是得式（Didier）式和新日式鐵式（NSC）外燃式。下面對(duì)典型形式的外燃式、頂燃式熱風(fēng)爐進(jìn)行比較：

2.1.1 Didier外燃式

（1）布置：一列式。

（2）拱頂特點(diǎn)：2個(gè)不同半徑近于1/4球體和半個(gè)截頭圓錐組成，尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

（3）燃燒器：柵格燃燒器，火焰短，空煤氣預(yù)熱溫度要求基本相同，對(duì)掉物具有較強(qiáng)的敏感性，有火井，可用15年。

（4）氣流：分布較差。

（5）優(yōu)勢：外形低。

（6）缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拱頂溫度高，晶間應(yīng)力腐蝕問題突出，穩(wěn)定性差，對(duì)溫度差具有較強(qiáng)的敏感性。

2.1.2 NSC外燃式

（1）布置：一列式。

（2）拱頂特點(diǎn)：2個(gè)相同半徑半球頂和1個(gè)圓柱連聯(lián)管組成，尺寸小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

（3）燃燒器：3孔套筒燃燒器，火焰長，需要建立在其它設(shè)備比較嚴(yán)格的基礎(chǔ)上運(yùn)行，有火井，可用15年。

（4）氣流：分布較好。

（5）優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

（6）缺點(diǎn)：面積大，存在晶間應(yīng)力腐蝕、聯(lián)通管問題。

2.1.3 頂燃式

（1）布置：一列式、矩形、菱形。

（2）拱頂特點(diǎn)：燃燒和蓄熱相結(jié)合，拱頂直徑小，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)對(duì)稱。

（3）燃燒器：旋流擴(kuò)散環(huán)形燃燒器，多孔旋流噴射，火焰短，適應(yīng)性較強(qiáng)，無火井，可使用25年。

（4）氣流：分布良好。

（5）優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)對(duì)稱，布置靈活，面積小，原材料消耗相對(duì)較小，煙氣分布優(yōu)，降低了晶間應(yīng)力腐蝕。

（6）缺點(diǎn)：火器位置高導(dǎo)致管系設(shè)計(jì)相對(duì)較為復(fù)雜。

2.2 外燃式和頂燃式熱風(fēng)爐數(shù)值計(jì)算定性比較分析

2.2.1 速度分布比較

頂燃式風(fēng)爐爐內(nèi)的速度是圍繞熱風(fēng)爐中心線進(jìn)行，分布對(duì)稱，從而確保煙氣不會(huì)出現(xiàn)參差，使之受熱均勻。

外燃式熱風(fēng)爐在燃燒的過程中，所形成的高溫?zé)煔獠荒苓_(dá)到中心對(duì)稱的要求進(jìn)入格子磚，造成受熱參差不均勻，使格子磚的效率無法提高。

2.2.2 格子磚表面溫度分布比較

頂燃式熱風(fēng)爐格子磚表面的溫度分布比較均勻，最大的溫差也不會(huì)超過50℃。

外燃式熱風(fēng)爐格子磚溫度分布參差，而且相差較大，最大的溫差可高達(dá)200℃。

2.2.3 風(fēng)爐流場比較

頂燃式熱風(fēng)爐流場比較均勻，圍繞熱風(fēng)爐中心線旋流向下流入格子磚，使格子磚能夠均勻的受熱。

外燃式熱風(fēng)爐由于空間結(jié)構(gòu)制約了高溫?zé)煔?，難以均勻的流入格子磚，在流入之前會(huì)形成比較大的渦流，導(dǎo)致氣流分配參差，降低結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

高爐是消耗能量巨大的專業(yè)設(shè)備，必須要在大量的熱量基礎(chǔ)上才可以確保冶煉成功，現(xiàn)代熱風(fēng)爐的發(fā)展要求提高熱效率、節(jié)約能源、延長使用壽命等。頂燃式熱風(fēng)爐的本體結(jié)構(gòu)技術(shù)、流場傳熱技術(shù)都具有明顯的優(yōu)勢，特別是對(duì)于大型高爐來說，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

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