張鋼“改進(jìn)型”頂燃式熱風(fēng)爐的設(shè)計與應(yīng)用

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(jìn)型”頂燃式熱風(fēng)爐的設(shè)計與應(yīng)用

李詠茹 王麗 張吉增

山東省淄博市張店鋼鐵總廠 255010

熱風(fēng)爐作為高爐的主要配套設(shè)備，它的設(shè)計質(zhì)量對高風(fēng)溫的提供和煉鐵工序能耗的降低至關(guān)重要。本文重點(diǎn)對張鋼1350m3高爐“改進(jìn)型”熱風(fēng)爐的設(shè)計特點(diǎn)和使用情況進(jìn)行了闡述。

熱風(fēng)管道；預(yù)燃室；耐火材料

前言

熱風(fēng)爐是煉鐵生產(chǎn)過程中高爐的主要附屬設(shè)備之一，其投資約占高爐的50%～60%，它供給高爐熱風(fēng)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(fēng)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(fēng)溫范圍內(nèi)，熱風(fēng)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(yīng)地進(jìn)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(fēng)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(fēng)爐的選型、結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計、耐火材料的配置等顯得尤為重要。

1 熱風(fēng)爐的選型

目前國內(nèi)外熱風(fēng)爐的結(jié)構(gòu)型式有內(nèi)燃式、外燃式、頂燃式等。由于內(nèi)燃式熱風(fēng)爐隔墻的限制，蓄熱室氣流分布不均勻，內(nèi)燃式熱風(fēng)爐在大型化方向上被外燃式熱風(fēng)爐所取代。而外燃式在結(jié)構(gòu)上由于過于復(fù)雜，限制了風(fēng)溫的進(jìn)一步提高?！案倪M(jìn)型”頂燃式熱風(fēng)爐是山東冶金設(shè)計院在“卡盧金”頂燃式熱風(fēng)爐專利技術(shù)基礎(chǔ)上，吸收其他形式的頂燃式熱風(fēng)爐技術(shù)優(yōu)點(diǎn)研究開發(fā)的一種新型頂燃式熱風(fēng)爐，取消了燃燒室，將預(yù)燃室置于熱風(fēng)爐頂部，煤氣和助燃空氣環(huán)腔安置在預(yù)燃室內(nèi)，煤氣和助燃空氣在預(yù)燃室內(nèi)充分混合，在熱風(fēng)爐拱頂燃燒，這樣可以節(jié)省熱風(fēng)爐的占地面積，熱風(fēng)爐高度及直徑相對較小，耐火材料及鋼結(jié)構(gòu)用量相對較少。實踐證明，在相同高爐容積條件下，“改進(jìn)型”頂燃式熱風(fēng)爐比其它形式熱風(fēng)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(jìn)型”頂燃式熱風(fēng)爐。

2 “改進(jìn)型”頂燃式熱風(fēng)爐的主要設(shè)計參數(shù)

本次設(shè)計確定的主要參數(shù)如下:

熱風(fēng)爐數(shù)量:3座

熱風(fēng)爐全高:39.64米

爐殼內(nèi)徑: 10.28/9.43/8.84

送風(fēng)制度: 兩燒一送

送風(fēng)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(fēng)溫度:1200℃

冷風(fēng)流量:3200Nm3/min

空氣耗量:118000Nm3/h

煤氣耗量:115000Nm3/h

空氣預(yù)熱溫度:180℃

煤氣預(yù)熱溫度:180℃

熱風(fēng)爐效率:78.05%

3 設(shè)計的主要特點(diǎn)

3.1 預(yù)燃室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.1.1 預(yù)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(jié)構(gòu)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(fēng)溫度的溫差。

3.1.2 預(yù)燃室采用分別支撐與爐殼上的獨(dú)立支撐結(jié)構(gòu)，熱風(fēng)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(fēng)出口，保證熱風(fēng)爐拱頂在高溫高壓下的穩(wěn)定性。

3.1.3 預(yù)燃室是頂燃式熱風(fēng)爐的核心部位，預(yù)燃室結(jié)構(gòu)參數(shù)正確與否，直接關(guān)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(fēng)爐的送風(fēng)能力和熱效率。因此，預(yù)燃室結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計至關(guān)重要。

預(yù)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(yù)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(yù)燃室；下層空氣噴嘴將空氣沿徑向噴入預(yù)燃室中心。這種結(jié)構(gòu)形式使煤氣在預(yù)燃室內(nèi)產(chǎn)生邊緣強(qiáng)中心弱的旋流，與上層助燃空氣產(chǎn)生的旋流混合并旋轉(zhuǎn)向下運(yùn)動，被下層助燃空氣噴嘴沿徑向噴入的空氣充分?jǐn)嚢枨懈?，由喉口進(jìn)入拱頂，速度迅速降低并在拱頂燃燒?？刂坪眯鲝?qiáng)度就相當(dāng)于控制了煙氣在格子磚上表面邊緣和中心的強(qiáng)度，達(dá)到煙氣均勻合理的分布。因此喉口直徑與預(yù)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(shè)計中顯得尤為重要。

3.2 熱風(fēng)管道設(shè)計特點(diǎn)

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

3.3 耐火材料的配置

3.3.1 熱風(fēng)爐蓄熱體:上部高溫區(qū)采用耐火度高、蠕變率低的硅磚，設(shè)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(fēng)爐本體內(nèi)襯），設(shè)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(dāng)于黏土磚6層）；下部為采用熱震穩(wěn)定性強(qiáng)的黏土磚。

3.3.2 熱風(fēng)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(yù)燃室

預(yù)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(yù)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(fù)合堇青石磚。

3.3.4 管道耐材

熱風(fēng)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(fēng)總管及熱風(fēng)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(fēng)支管與熱風(fēng)總管、混風(fēng)管、倒流休風(fēng)管至熱風(fēng)總管、熱風(fēng)總管至熱風(fēng)豎管、熱風(fēng)豎管至熱風(fēng)直管、倒流休風(fēng)管至倒流煙囪、熱風(fēng)豎管人孔、倒流休風(fēng)煙囪、熱風(fēng)直管與熱風(fēng)圍管及熱風(fēng)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(fēng)爐本體內(nèi)襯、預(yù)燃室、拱頂、各管道等部位設(shè)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(shè)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(shè)計采用的其它新技術(shù)

4.1 熱風(fēng)爐煙氣余熱回收利用技術(shù)

熱風(fēng)爐廢氣中含有大量的熱能，本次設(shè)計的指導(dǎo)思想就是充分利用熱風(fēng)爐廢氣余熱，提高熱風(fēng)爐系統(tǒng)的熱效率，降低燃料消耗。這是高爐煉鐵技術(shù)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(shè)計中采用了地上鋼煙道，分體式煤氣、助燃空氣預(yù)熱器，其主要工藝參數(shù)如下:

空氣預(yù)熱器:空氣流量:89000Nm3/h空氣進(jìn)口壓力:12kPa

預(yù)熱前空氣溫度:20℃ 預(yù)熱后空氣溫度:180℃

煙氣流量:95000Nm3/h 煙氣溫度:300℃

煤氣預(yù)熱器:煤氣流量:118000Nm3/h 煤氣進(jìn)口壓力:8kPa

預(yù)熱前煤氣溫度:80℃ 預(yù)熱后煤氣溫度:180℃

煙氣流量:95000Nm3/h 煙氣溫度300℃

經(jīng)過預(yù)熱器后的煙氣，仍有部分顯熱，設(shè)計中在預(yù)熱器后的煙道上預(yù)留接口，利用煙氣剩余的熱量，由引風(fēng)機(jī)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?zé)煔夂笏屯ッ合到y(tǒng)的中速磨，干燥煤粉，煙氣預(yù)熱得到更進(jìn)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(shù)

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(yuǎn)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(yīng)用

熱風(fēng)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(shè)備事故，在單燒高爐煤氣的情況下，風(fēng)溫實送能力達(dá)1200℃以上。只是受高爐操作水平及原燃料條件的限制，有時風(fēng)溫利用水平較低。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.17.040