1680m3高爐熱風爐系統(tǒng)技術(shù)特點

蘭天陽

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

0 引言

山西高義鋼鐵有限公司（以下簡稱山西高義鋼鐵）地處山西省運城市，是國家準入企業(yè)，山西省“百強企業(yè)”。為貫徹落實中共中央、國務(wù)院《關(guān)于全面加強生態(tài)環(huán)境保護堅決打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》，按照《國務(wù)院關(guān)于化解產(chǎn)能嚴重過剩矛盾的指導(dǎo)意見》、《國務(wù)院關(guān)于鋼鐵行業(yè)化解過剩產(chǎn)能實現(xiàn)脫困發(fā)展的意見》和《鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能置換實施辦法》規(guī)定，山西高義鋼鐵嚴格落實產(chǎn)能減量置換政策要求，將廠區(qū)原有淘汰型高爐拆除減量置換成一座1680m3高爐。該1680m3高爐及其配套工程是由中冶京誠工程技術(shù)有限公司總承包建設(shè)，高爐設(shè)計年產(chǎn)鐵水192 萬噸，于2021年2月順利投產(chǎn)。此次1680m3高爐工程設(shè)計是以實現(xiàn)高爐穩(wěn)定、順行、高產(chǎn)、長壽為目標。結(jié)合原燃料條件，采用了槽下分散篩分、分散稱量工藝；高爐上料系統(tǒng)采用了主皮帶上料、無料鐘爐頂裝料工藝；爐底、爐缸采用陶瓷杯與大塊碳磚相結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)；爐腹、爐腰及爐身下部等關(guān)鍵區(qū)域采用銅冷卻壁（或組合式冷卻壁）；煤氣凈化采用重力除塵器+干式布袋除塵器工藝；采用均壓煤氣回收設(shè)施及環(huán)保底濾渣處理等工藝技術(shù)。

本文以山西高義鋼鐵1680m3高爐工程為例，重點介紹了該高爐采用錐柱旋切頂燃熱風爐技術(shù)的概況，詳述了該熱風爐的設(shè)計特點，并對該高爐投產(chǎn)后熱風爐的使用效果進行了總結(jié)。

1 熱風爐設(shè)計概況

山西高義鋼鐵高爐產(chǎn)能置換工程建有一座1680m3高爐及其配套工程。該高爐配備有三座錐柱旋切頂燃式熱風爐，因項目現(xiàn)場熱風爐位置面積狹小，三座熱風爐按一列式布置，而換熱器區(qū)域與熱風爐棧橋區(qū)域呈平行前后布置。1680m3高爐熱風爐系統(tǒng)輸入條件如表1所示。

表1 1680m3高爐熱風爐系統(tǒng)輸入條件

2 熱風爐技術(shù)特點

2.1 錐柱旋切燃燒器

2.1.1 燃燒器技術(shù)特點

錐柱旋切頂燃式燃燒器主要技術(shù)特點包括：采用錐柱復(fù)合結(jié)構(gòu)，煤氣噴口位于錐柱復(fù)合結(jié)構(gòu)處，因此煤氣的混合半徑不同；三維渦旋強力混合燃燒，燃燒火焰短；負壓區(qū)面積小，空氣過剩系數(shù)??；拱頂溫度與送風溫度之間的差值小；格子磚上表面溫度分布均勻。數(shù)模仿真實驗燃燒器縱切面溫度分布如圖1所示。

圖1 數(shù)模仿真實驗燃燒器縱切面溫度分布

2.1.2 錐柱旋切頂燃式燃燒器的技術(shù)優(yōu)勢

在同等條件下錐柱旋切頂燃式燃燒器具有的技術(shù)優(yōu)勢包括：降低了助燃空氣的消耗，煤氣完全燃燒時空氣過剩系數(shù)約為1.03；熱風爐燃燒加熱時，煙氣中殘氧和CO 的含量為卡魯金熱風爐燃燒器的35%～50%；拱頂溫度與送風溫度差值≤80℃；熱風爐的風溫可提高15℃，煤氣節(jié)約3%，噸鐵煤氣消耗量節(jié)約5%。

2.2 高效格子磚

熱風爐格子磚傳統(tǒng)孔徑有?43mm、?35mm、?30mm，目前熱風爐格子磚主流孔徑為?28mm、?25mm 以及20mm。此次山西高義鋼鐵1680m3高爐項目熱風爐采用了19 孔，?25mm 孔徑的高效格子磚。在熱風爐單位風量加熱面積達到45 m2/(m3·min-1)時，單位風量格子磚的重量約為1.02 t/(m3·min-1)，在滿足熱風爐蓄熱和換熱能力的同時減少了格子磚的重量。

2.3 中冶京誠專利技術(shù)爐箅子

中冶京誠專利技術(shù)爐箅子具有較高的穩(wěn)定性，設(shè)備依靠相鄰零件鎖死，托梁支撐箅子板，受格子磚均布荷載作用，箅子板的中間部位受壓。此次山西高義鋼鐵1680m3高爐項目熱風爐采用中冶京誠爐箅子專利技術(shù)，帶橫梁的多種孔型爐箅子耐熱溫度可達500℃[1]，箅子板活面積大于61%，冷風分配均勻率大于95%。在正對冷風入口處采用分流板，可均勻分配冷風。

在現(xiàn)行高爐操作水平逐漸提高、燃料比和高爐煤氣熱值逐漸降低、節(jié)能減排力度大的環(huán)境下，該技術(shù)不僅有效地提高了蓄熱室下部格子磚的蓄熱量，而且滿足了提高廢煙氣排放溫度，提高空、煤氣預(yù)熱溫度，達到更高拱頂溫度的目的。

2.4 爐殼鋼結(jié)構(gòu)采用圓弧形過渡連接

熱風爐殼體由三部分焊接構(gòu)成。這三部分包括：下部蓄熱室的直筒殼體、中部燃燒室的錐柱頂殼體、頂部燃燒器的錐頂殼體。熱風爐殼體底部采用圓弧過渡，與螺栓連接固定，螺栓預(yù)埋在混凝土基礎(chǔ)上，爐殼與爐底板連接形式如圖2所示。各段爐殼鋼結(jié)構(gòu)間采用圓弧形過渡連接，爐殼與爐殼間連接形式如圖3所示。

圖2 爐殼與爐底板連接形式

圖3 爐殼與爐殼間連接形式

2.5 多段式爐體結(jié)構(gòu)

圖4為多段式爐體結(jié)構(gòu)示意圖。由圖4可以看出；爐體自上而下依次為燃燒器、燃燒室和蓄熱室；燃燒器和燃燒室分別支撐在爐殼托圈上，蓄熱室直接砌筑在爐底上；上下相鄰的兩段砌體之間完全脫開，通過迷宮式滑動縫連接，既保證相互之間不受膨脹影響，又保證有良好的密封性。

圖4 多段式爐體結(jié)構(gòu)示意圖

2.6 熱風管道分段式結(jié)構(gòu)

由于設(shè)置了必要的補償器、支座及拉緊裝置，熱風管道系統(tǒng)被分割為若干個獨立區(qū)域，各區(qū)域間互不影響，保證了各區(qū)域補償器吸收該處鋼結(jié)構(gòu)管殼的膨脹位移[1]。在拉緊裝置的配合設(shè)置下，該種分段式結(jié)構(gòu)方式保證了熱風管道系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.6.1 拉緊裝置優(yōu)化

圖5為優(yōu)化后的熱風管道補償器及拉緊裝置示意圖。由圖5可以看出：熱風爐座圈中心線與拉桿中心線重合，改善了座圈兩側(cè)焊縫受力；座圈連接拉桿銷軸方向由豎直改為水平，方便了因熱風爐上漲導(dǎo)致的拉桿上下傾動；改變了熱風主支管三岔口固定支座位置，釋放了主管膨脹，減輕了三岔口變形以及座圈受力。

圖5 優(yōu)化后的熱風管道補償器及拉緊裝置示意圖

2.6.2 優(yōu)化三岔口部位砌筑形式

熱風管道內(nèi)襯根據(jù)耐材特性沿長度方向分段，各段間設(shè)置合理的砌體膨脹縫，其中三岔口采用特殊的砌筑形式，以此保證熱風管道內(nèi)襯的穩(wěn)定。各段內(nèi)襯獨立，以及特殊砌體形式可以避免管道內(nèi)襯無序膨脹對三岔口部位的擠壓和破壞。

（1）采用分段式三岔口內(nèi)襯砌筑結(jié)構(gòu)。圖6為分段式內(nèi)襯砌筑結(jié)構(gòu)示意圖，由圖6可以看出，三岔口組合磚及澆注料側(cè)增加了擋磚環(huán)固定，可防止管道磚受熱膨脹對三岔口組合磚及澆注料產(chǎn)生擠壓和破壞。

圖6 分段式內(nèi)襯砌筑結(jié)構(gòu)示意圖

（2）三岔口上部進行澆筑。圖7為三岔口上部澆筑示意圖，由圖7可以看出，熱風管道三岔口砌筑結(jié)構(gòu)全部采用了上部澆注料澆筑、下部組合磚砌筑形式，澆注料部位加厚。

圖7 三岔口上部澆筑示意圖

（3）熱風閥兩側(cè)砌磚采用擋磚環(huán)結(jié)構(gòu)，便于熱風閥的更換。圖8為熱風閥兩側(cè)擋磚環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8 熱風閥兩側(cè)擋磚環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

（4）熱風管道內(nèi)部襯磚全部采用“Z”字形設(shè)計。圖9為“Z”字形砌筑示意圖，由圖9可以看出，管道襯磚采用“Z”字形設(shè)計，可起到很好的環(huán)向密封氣流作用，且單磚拐折處環(huán)環(huán)相扣、相互支撐，避免管道內(nèi)襯掉磚。

圖9 “Z”字形砌筑示意圖

2.7 其他優(yōu)化點

（1）該項目熱風爐區(qū)域建設(shè)場地狹小，沒有足夠位置進行經(jīng)典的一列式布置。需將換熱器區(qū)域整體布置在與棧橋柱平行的位置，并縮短旁通管。

（2）為節(jié)約業(yè)主投資，取消了熱風爐棧橋區(qū)域頂部橋式起重機。熱風爐上部熱風閥、空煤氣燃燒閥、煤氣切斷閥等閥門的檢修更換采用汽車吊。在此基礎(chǔ)上將6 排棧橋柱減少至5 排，取消原橋式起重機預(yù)留的吊裝孔位置，將吊裝孔移至框架柱外側(cè)，縮短了熱風主管長度，降低了熱風的溫度損失。主體框架優(yōu)化至空煤氣燃燒閥檢修平臺下部，該平臺至熱風爐爐頂平臺間設(shè)立單獨的小平臺和走梯。

3 熱風爐投產(chǎn)后使用效果

3.1 送風溫度

表2為1680m3高爐熱風爐實際操作參數(shù)。由表2可以看出，在燒單一煤氣、無煤氣加熱爐、拱頂最高溫度1310℃、廢煙氣最高溫度400℃的條件下，山西高義鋼鐵1680m3高爐熱風爐系統(tǒng)煤氣燃燒充分，送風溫度可達1230℃以上。

表2 1680m3高爐熱風爐實際操作參數(shù)

3.2 鋼結(jié)構(gòu)（爐皮、管皮）溫度

2021年7月項目現(xiàn)場進行了點檢。熱風爐鋼結(jié)構(gòu)（爐皮、管皮）最高溫度情況為：熱風爐拱頂溫度＜100℃，熱風出口溫度＜105℃，三岔口下部溫度＜120℃，無壓漿修補操作。

4 結(jié)語

山西高義鋼鐵1680m3高爐采用了錐柱旋切頂燃式熱風爐，在單燒高爐煤氣的條件下，送風溫度達1230℃以上，該技術(shù)在國內(nèi)外處于領(lǐng)先地位。熱風爐廢煙氣中氮氧化物低于國家超低排放標準，單位加熱風量煤氣消耗量處于較好水平。1680m3高爐投產(chǎn)后的生產(chǎn)實踐表明，通過優(yōu)化熱風爐主要設(shè)計參數(shù)，綜合利用中冶京誠熱風爐各種高效、可靠的技術(shù)，實現(xiàn)了高風溫和綠色、環(huán)保的設(shè)計目標。

目前中冶京誠通過改進前期錐柱旋切頂燃式燃燒器結(jié)構(gòu)的形式，開發(fā)出了第二代旋切頂燃熱風爐燃燒器專利技術(shù)。采用中冶京誠第二代熱風爐旋切頂燃式燃燒器專利技術(shù)，可以避免原有熱風爐容易拱頂?shù)舸u等缺陷，增強熱風爐磚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，延長了熱風爐使用壽命；同時有效地保障了高爐生產(chǎn)的安全、穩(wěn)定運行。后續(xù)的工程實踐表明，中冶京誠第二代旋切頂燃式熱風爐專利技術(shù)適用于各個級別高爐熱風供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計。