“驾驭”高炉高风温

　近年来，我国一系列高风温技术创新与应用实践取得了显著的成效，新建或大修改造的高炉设计风温一般为1250℃±50℃，提高风温成为当代高炉炼铁技术发展的一个显著趋势。2001年~2012年，我国重点钢铁企业高炉的平均风温从1081℃提高到1183℃，但尚未达到1200℃，和国外先进水平相比差距甚大。

　　提高风温是当代高炉炼铁技术发展的重要途径，是引领炼铁工业实现可持续发展的重大关键共性技术。提高风温不是最终目标，而是为高炉实现高效、低耗、低碳、低成本、低排放奠定基础。炼铁工业以提高风温为技术突破，可以进一步提高喷煤量、降低燃料消耗，从而构建高效率、低成本、低排放的当代高炉炼铁技术体系。

　　实现高风温的关键技术

　　燃烧高炉煤气实现高风温技术。目前，绝大多数钢铁厂热风炉以燃烧低热值高炉煤气为主，如果不采用煤气和助燃空气预热技术，热风炉拱顶温度仅能达到1200℃~1250℃，根本无法实现高风温，这是当前制约我国高炉提高风温最重要的因素之一。

　　实现低品质高炉煤气的高效能源转换，研究开发燃烧单一低热值高炉煤气实现1280℃±20℃的高风温技术，应是我国当代高炉高风温技术创新的必由之路。实现这个目标的核心是采用煤气和助燃空气高效预热技术，通过提高煤气和助燃空气的物理热量，从而有效提高热风炉拱顶温度。

　　采用合理的热风炉结构形式。目前，高炉热风炉主要有内燃式、外燃式和顶燃式3种结构形式，并且这3种热风炉都有实现1250℃以上高风温的实践。在选择热风炉结构形式时，值得关注的一种技术发展趋势是顶燃式热风炉蓬勃发展。研究人员针对外燃式和顶燃式热风炉的工艺特性、结构特点、热风炉燃烧和换热过程进行了定量的分析对比，计算结果表明：顶燃式热风炉的高温烟气流速度分布均匀性、格子砖表面温度分布均匀性、流场分布和速度矢量场分布的均匀性均优于外燃式热风炉。

　　采用高效格子砖。实践证实，采用高效格子砖可以强化蓄热室格子砖与气体之间的热交换，有效降低拱顶温度与风温的差值，显著提高风温。在维持格子砖活面积或格子砖重量恒定时，合理地减小格子砖格孔直径，可以增加格子砖的加热面积，有效改善气体与格子砖之间的传热过程，从而增加格子砖的换热量。但是过度缩小格子砖孔径，会导致气体通过格孔通道的阻力增大，造成气体阻力损失增大，消耗更多的鼓风动能。而且过小的格子砖孔径还容易造成蓄热室中格子砖通孔率下降、格孔容易阻塞，导致蓄热室有效利用率下降。

　　格子砖孔径和砖型的选用应统筹考虑，格子砖孔数越多、孔径越小并不意味着更加合理，须要综合考量蓄热室的热效率、有效利用率、气体运动阻力和格子砖使用寿命等因素。蓄热室高温区首选硅质格子砖，并且要求硅砖的残余石英必须低于1%。应该根据蓄热室高度方向上的温度曲线划分温度区间，并依此合理选用不同材质和理化性能的格子砖。

　　改善热风炉操作。热风炉燃烧初期宜采用强化燃烧模式，使拱顶温度快速达到设定值；燃烧过程中应合理调节煤气量和助燃空气量，在维持较低空气过剩系数的条件下，使热风炉燃烧末期的烟气温度达到设定目标。评价热风炉燃烧操作的主要标志是：在合理的燃烧周期内，热风炉拱顶温度和烟道温度满足设定参数的要求且不超标，空气过剩系数低，烟气中残余的CO和O2含量低，煤气和助燃空气消耗量少。

　　热风炉送风操作同样须要改进和完善。配置4座热风炉时，应采用“2烧2送”交错并联送风的操作模式。采用这种送风模式一般能够提高风温25℃左右。另外，要减少冷风混风量，混风量应根据送风温度变化进行在线调节，使高风温得到有效利用。3座热风炉采用“2烧1送”的工作模式，可以合理地缩短送风周期、增加换炉次数。采用“2烧1送”工作模式时，由于送风初期与末期的风温变化较大，为了保持恒定的风温须要在热风中混入冷风，但也要注意减少冷风混风量。

　　重视高温热风的安全输送

　　目前，制约高炉实现高风温的另一个重要环节是高温热风的安全输送。近一段时期，随着风温的提高，许多热风炉的热风总管、热风环管、热风支管和送风装置等发生局部过热、发红、漏风乃至管道烧损等事故。因此，对于热风管道系统的设计和维护，必须给予足够的重视，要系统地研究在高温、高压、高富氧的送风条件下，实现1280℃±20℃高风温所采取的可靠技术措施。

　　热风管道承受着高温、高压和弹塑性变形作用，是热风炉系统中工况最恶劣的管道。计算表明，对管道直径为2800mm、工作压力为0.45MPa的热风管道，其盲板力可达2800kN，因此热风管道的设计必须保证在此工况下土建结构、管道钢壳、耐火材料砌体工作稳定。经过多年的研究和探索，我国已经构建了一套完整的热风管道设计体系和方法，包括热风管道拉杆设计、波纹补偿器计算与选型、耐火材料设计计算、关键部位的有限元计算分析等方面。

　　热风管道设计应考虑工作温度、工作压力、耐火材料荷载、钢结构弹塑性变形、管道试压、环境温度的变化和多工况耦合等因素，保证热风管道的安全稳定运行。热风支管与热风总管的结合部采用三角形刚性拉梁的设计结构，以保证热风支管和热风总管三岔口的结构稳定，同时还可以抑制热风炉炉壳受热上胀对管道产生的影响。热风总管采用通长的一体化大拉杆结构并且合理设置波纹补偿器，要满足在环境温度变化的情况下，必须保持整个管道系统的结构稳定性，有效提高热风管道的安全性和可靠性，防止管道发生弹塑性形变和位移而导致耐火材料和钢结构的破坏。

　　当风温提高到1250℃以上时，热风管道异常损坏经常发生，已成为影响提高风温和安全生产的重要因素。采用计算机数值仿真模拟技术优化热风管道设计，是当前应当大力推广的设计创新。

　　合理的热风管道设计的关键内容主要包括以下三个方面：

　　一是管道钢结构、波纹补偿器、拉杆和管道支架的合理设计。全面解析整个管道系统的受力状态是优化设计的基础，建立完整的管道系统弹塑性力学分析数学模型，在有约束的条件下降低金属管道系统所产生的应力和应变，同时对于温变应力、膨胀应力和盲板力必须给予足够的重视。

　　二是热风管道内衬的优化设计。热风管道不同于其他的压力管道，其最大的差异在于输送介质为大通量条件下的高温、高压富氧空气。热风管道内衬的径向温度梯度很大，内外温差高达1150℃~1200℃，管壳和波纹补偿器的表面温度应控制在100℃左右。热风管道径向大梯度的温差，使耐火材料内衬结构在没有附加冷却的工况条件下，极易出现温差热应力而造成异常损坏。

　　三是合理解决热风管道内衬的热膨胀。可以通过热风管道内衬温度场数值模拟，得出内衬的温度分布，根据耐火材料的热力学参数，精准计算出预留的膨胀缝大小、数量和位置。径向热膨胀一般采取在管道上部工作层砖衬与隔热层砖衬之间预留膨胀缝的措施，不应设置集中的径向膨胀缝，以避免热风管道上部砖衬的塌落或下沉。合理设置热风管道内衬轴向膨胀缝至关重要，应当在热风管道轴向方向上设置若干个独立的膨胀缝，采用迷宫式密封结构，提高膨胀缝的严密性，防止窜风、漏风，以提高热风管道的绝热保温效果，降低风温损失。热风管道波纹补偿器区域膨胀缝的设计结构尤为重要，这是热风管道中最为薄弱的环节。

　　热风炉孔口部位的工况条件恶劣，孔口的异常破损也是影响热风炉长寿和提高风温的制约环节。热风出口应当采用组合砖结构，组合砖宜采用具有双凹凸榫槽的锁砖结构，才能更好地抵御热风出口上部大墙砖衬对组合砖产生的压应力。除此之外，在热风管道上所有管道连接的“三岔口”部位也均应采用组合砖结构。

　　生产实践证实，热风管道的耐火材料砖衬在高温、高压热风的流动冲刷作用下，容易出现局部过热、窜风甚至内衬脱落现象。对于运行中的热风管道应采用表面温度监测系统，可以在线监控热风管道关键部位的管壳温度，并可以进行数据处理和存储，实现信息化动态管理；同时为了监控热风管道受热膨胀而产生的变形情况，设置管道位移监测仪可以在线监测热风管道的膨胀位移。数字化在线监控装置可以提高热风炉管道工作的可靠性，保障高温热风的稳定输送。

　　延长热风炉寿命

　　在当前技术条件下，热风炉拱顶温度应当控制在1420℃以下，其目的是降低热力型NOx生成量，从而有效预防热风炉炉壳的晶间应力腐蚀。当代热风炉设计要求采取有效的预防晶间应力腐蚀的技术措施，以延长热风炉使用寿命。热风炉炉壳应采用细晶粒钢板，提高炉壳自身的抗腐蚀性能；炉壳焊接安装以后必须对所有焊缝进行探伤检查和研磨，之后采取退火热处理措施，以消除炉壳制造、焊接过程所产生的残余应力。热风炉炉壳施工时，应采用高温区炉壳，涂刷防酸涂料并喷涂耐酸喷涂料等综合防护措施，防止NOx与冷凝水结合以后所形成的酸液对热风炉炉壳产生腐蚀破坏。为了有效防止热风炉燃烧和送风过程中水蒸气的冷凝，对于热风炉高温区炉壳还可以采取外保温等防护措施，使炉壳温度保持在水蒸气露点以上。总而言之，采取综合措施有效预防热风炉炉壳晶间应力腐蚀，是实现热风炉长寿、高效、高风温的重要技术保障。

　　影响当代热风炉寿命的关键因素除了拱顶和高温区炉壳的晶间应力腐蚀外，还有热风炉炉体的耐火材料结构，包括拱顶、热风出口、热风管道和蓄热室格子砖砌体，以及外燃式热风炉燃烧室与蓄热室连接部、内燃式热风炉的燃烧室与蓄热室的隔墙、陶瓷燃烧器本体等部位。这些部位的使用寿命仍是影响热风炉寿命的制约环节。

　　当前值得重点关注的是热风炉热风出口、热风支管和热风管道的寿命，应采取综合技术措施，采用“无过热—低应力”设计体系，着重解决高温、高压管道在复杂受力条件下的力学问题。与此同时，在耐火材料材质和设计结构上也应不断优化，以实现当代热风炉的高效长寿。