摘要：介绍了鞍钢高炉热风炉高风温及其相应的节能技术的进步。重点叙述了鞍钢针对本企业热风炉长期坚持使用低热值煤气烧炉的特点，开展了热风炉结构形式的改造和热风炉自预热、前置炉及辅助热风炉等根本性改造；继而开展了针对热风炉的多项综合节能技术的研究与应用，实现了热风温度的大幅提高和热风炉烧炉煤气消耗的大幅降低，取得了良好的效果，极大地推动了鞍钢高炉热风炉技术的进步。

关键词：高炉  热风炉  技术  发展

1前言

对于高炉炼铁而言，热风温度的高低及品质（风温及风压的波动幅度）的优劣对高炉运行稳定性的影响极大，这对业内人士毋庸赘言。依据各种燃气的产出和使用状况，鞍钢经过多年的探索和实践，在热风炉领域提高热风温度、优化热风品质、降低烧炉煤气单耗，进而提高高炉生产效率方面成功地走出了一条“长期坚持使用低热值煤气烧炉” 的绿色低耗发展之路，至2014年，全厂年平均热风温度已达1200℃水平；热风炉吨铁烧炉煤气单耗2015年比2011年降低447GJ/t；高炉的综合焦比由2011年的507kg/t降至2015年的488kg/t，降幅达19kg/t。

2 鞍钢热风炉高风温及其节能技术的进步

回首鞍钢热风炉高风温及其节能技术的进步历程，经历了“热风炉技术装备革命性改造”、“高风温及节能关键技术攻关和集成应用”和“高风温科学利用”三个阶段。

2.1热风炉技术装备革命性改造阶段（2003年至2008年）

鞍钢炼铁总厂在1991年至2000年间，10年平均风温水平在1001℃,2001年至2003年勉强升至1026℃水平。究其原因，固然有当时的原燃料水平、操作理念及水平、高炉生产强度等问题，但此间风温上不去的关键问题，应是热风炉的结构形式及其核心的技术装备水平落后。

据此，鞍钢炼铁总厂在改善原燃料质量的同时，不断提高热风炉的技术装备，引进霍戈文内燃式热风炉、卡鲁金顶燃式热风炉，全烧高炉煤气，通过多种手段，在没有高热值煤气的情况下，风温逐步提高，2007年至2008年间，鞍钢平均风温迅速提高到1070℃水平（见图1）。

2.1.1热风炉结构形式的根本性改造

（1）霍戈文热风炉的应用

2003年以前，鞍钢高炉采用传统的内燃式热风炉，由于其内燃烧室墙的温度分布不均匀，各部分砖衬产生不均匀膨胀等结构缺陷，造成燃烧室与蓄热室间的隔墙开裂窜气，以及火井上部隔墙向蓄热室倾斜倒塌和掉砖等问题，限制了风温的提高，平均风温在1000℃-1050℃。

霍戈文（Hoogovens）热风炉（国内称之为高温改造内燃式）自1969年问世以来，迄今为止已在十几个国家的几十座高炉推广应用。根据该型热风炉具有结构合理、占地少、投资省、热效率高、风温高、寿命长等优点，鞍钢于2003年前后，引进了霍戈文的“高温长寿式”热风炉。其中2003年鞍钢异地新建1号高炉（3200m3），引进霍戈文内燃式，由于霍戈文热风炉采用悬链先式拱顶结构，合理的燃烧室，自立式隔墙和矩形燃烧器等优点，得以在大高炉上应用，同时采用热管技术对空气和煤气双预热到180℃-200℃，在高炉煤气富化的条件下，实现风温1200℃。

之后2010年鞍钢鞍凌公司1#高炉2600m3亦采用此种结构形式热风炉，平均风温达到1150℃～1200℃。

（2）大型外燃式热风炉

外燃式热风炉是内燃式热风炉的进化与发展。

1976年鞍钢6号高炉（1050m3）热风炉（AWR-Ⅰ）投产，是我国第一座外燃式热风炉，虽然经过几次凉炉、再生产和更换格子砖、燃烧器，但确切地讲，双拱顶及连接管，大墙与炉壳，已工作整整30年，可谓是我国的长寿热风炉。进入21世纪，鞍钢自主研究开发的7号、10号高炉（2580m3）高炉热风炉仍采用新日铁式外燃热风炉，一直平稳运行。鞍钢鲅鱼圈新建4038m3高炉采用PW公司大型地得外燃式热风炉。

2006年鞍钢消化吸收外燃式热风炉的技术缺陷，对关键技术采取一系列的措施，2、3高炉（3200m3）配套建设4座外燃式热风炉，同时采用2座球炉预热助燃空气方式，空气预热到600℃，煤气使用管式换热器预热到200℃，实现低热值煤气1200℃水平。

（3）顶燃式热风炉的应用

顶燃热风炉高温废气向下分布较为均匀，相对体积小，结构简单，材料用量大大少于内燃式热风炉，占地面积又大大小于外燃式热风炉，从而大大节省了投资、降低了消耗。在俄罗斯和乌克兰冶金工厂的1386m3～3200m3的高炉上使用了卡鲁金（Kalugin）顶燃式热风炉。之后，由于其结构紧凑、高温长寿、热效率高等特点，在国内广泛应用，该式热风炉在我国迅速得以应用。

2009年在5高炉引进卡鲁金顶燃式热风炉，同时采用2座预热炉预热助燃空气方式，空气预热到600℃，煤气使用热管换热器预热到200℃，实现低热值煤气1200℃水平[2]。峰值风温可达1250℃。

图1  鞍钢本部炼铁总厂全厂2001～2014年风温变化情况[1]

2.1.2热风炉关键技术的跟进

作为“热风炉结构形式根本性改造”配套跟进的热风炉关键技术前置燃烧炉换热系统和辅助热风炉等，对新的热风炉结构形式实现其高风温，必不可少，裨益多多。

（1）前置燃烧炉换热系统

德国迪林根（Diligence）罗尔5号高炉（2220m3）采用前置燃烧炉换热系统（Additional Preheating Heat-exchange System）。在罗尔5号高炉采用的前置燃烧炉换热系统中，建有两台金属换热器、1座燃烧炉，利用循环的废气可将助燃空气预热到500℃，同时把煤气预热到250℃，用单一的低热值（3000kJ/m3）高炉煤气可把风温提高到1285℃。

这种金属换热器法是一种热工设备的组合，具有较高的灵活性，独立于热风炉而存在，可以根据高炉状态的变化灵活地调节空气和煤气的预热温度，从而提高或降低热风温度，减少或增加预热空气和煤气量。

在鞍钢11号高炉（2580m3）应用了此系统，高炉煤气与助燃空气同时预热至300℃，获得1200 ℃以上风温。此外，双预热还能减少高炉煤气的放散，既可节约能源，又能净化环境。

（2）辅助热风炉

辅助热风炉就是在正常建设热风炉的同时，建设两座辅助热风炉，预热热风炉的助燃空气，所以它的作用与热风炉的作用相同，预热气体介质。辅助热风炉燃料为过剩的高炉煤气，然后预热热风炉用助燃空气，为热风炉燃烧输送预热的助燃空气给热风炉烧炉，大幅度提高助燃空气物理热，风温可达到1200℃以上。辅助热风炉的操作与热风炉的操作相同，采用全计算机操作和控制。同时设立混风室，预热的助燃空气温度可根据高炉需要风温的情况来控制，预热温度一般控制在300—600℃，可控性强、操作灵活。

此工艺技术可节省大量的高热值煤气，多利用高炉煤气，经济效益显著。鞍钢在西区2#、3#高炉（3200m3）和4#、5#高炉（2580m3）采用这种辅助热风炉法。

2.1.3鞍钢高炉热风炉现状

经过热风炉技术装备革命性改造后，便形成了鞍钢当下高炉热风炉技术装备状态：

鞍钢现有高炉8座，高炉配备热风炉29座，其中内燃式热风炉6座，顶燃式热风炉3座，外燃式热风炉20座。大高炉都采用了双预热技术。热风炉的基本情况见表1。

表1   热风炉的基本情况

2.2高风温及节能关键技术攻关和集成应用阶段（2009年～2013年）

在“热风炉结构形式根本性改造”及热风炉关键技术的配套跟进完成后，鞍钢的平均风温迅速提高到1070℃水平。但由于原料入炉品位的提高、综合燃料比的降低和高炉生产强度的提高等因素，当时的1070℃风温水平已明显偏低。

在认真地对标研究之后，发现造成“鞍钢风温偏低、烧炉煤气单耗高”的一个重要原因是2580m3的高炉拖后腿（见图1）。其中，4号高炉因煤气预热器预热管结垢越发严重、空气预热炉坍塌越发严重原因形成1160℃水平；7号高炉因短管里外段温度都高（高时可达300度，正常应在150度以下），风温烧不上去，最终形成1140℃水平；11号高炉因煤气管道细、加之10号高炉停炉，造成烧炉煤气压力低，形成1140℃水平。

在完成对全部高炉热风状态进行的研究分析后，针对鞍钢“热风温度低、热风品质差及烧炉煤气单耗高”等问题，采取沿整个热风生产工艺路线、依次从“热风生产的烧炉煤气和助燃空气的准备、热风炉内蓄传热效率的提高，到热风炉换炉制度的优化及热风科学输送”等多环节，以集成创新、自主创新相结合的方式，系统开发“热风炉烟气余热强化回收技术、热风炉富氧燃烧技术、热风炉格子砖应用高辐射覆层黑体涂料技术、热风炉操作制度优化技术、热风炉应用高反射率白体涂料技术、送风系统关键部位预制预警技术”等6项关键技术，最终实现“热风温度的提高、热风品质的提升及烧炉煤气单耗的降低”的目的。

2.2.1热风炉富氧燃烧技术

鞍钢常年以来存在着氧氮不平衡问题，表现在氮气紧张、氧气过剩。其原因就是用氮设备日益增加，用氧设备相对稳定且随著设备检修和氧气使用的不均衡导致波动较大，表现为氧氮短期平衡、长期不平衡现象。采用热风炉富氧燃烧技术对富余氧气进行消纳，不仅有效降低氧气放散损失，而且很好地提高了热风炉和高炉的技术经济指标，起到了一举两得的效果。

2012年12月开展了在鞍钢尚属空白的热风炉富氧燃烧技术研究。通过对热能设备调研比较，确定选用热风炉来消纳富余氧气。在试验中，开发了鞍钢独有的氧气高压减压燃烧技术和氧气预混燃烧技术。鞍钢2#高炉的运行结果，优选富氧率为3%，实现了热风炉节能3.4%。

图2  鞍钢2#高炉热风炉煤气消耗对比图

2.2.2热风炉操作制度优化技术

针对固定周期换炉制度诸多弊端，首创了热风炉非固定周期换炉技术。该技术不动最高风温、以一个“人为”规定的、较大幅度提升了的最低送风温度作为整个热风炉系统换炉工艺的统一控制指标，通过调整燃烧制度，实现后继炉的燃烧终点与先行炉的送风终点的匹配相合；辅以“换炉期间风机改为定风压操作”，可同时实现风温的大幅提高和风温及风压二者换炉期间的波动。从而实现热风温度及品质的双提高。

图3  非固定周期运行方式示意图[3]

上图显示，采用非固定周期换炉，各个热风炉风温均维持在工艺要求的最低温度值以上，从而减小了固定周期换炉的风温波动幅度。

下图，在先行炉到达燃烧终点、转为送风的同时，根据监控数据，通过调整其废气温度的上升速率，使后继炉的燃烧终点与先行炉的送风终点相合，同时继先行炉之后向高炉送风。

此项技术2010年底应用于鞍钢5#高炉热风炉，平均风温提高16℃，风温波动幅度降低8.9%，煤气单耗降低3％[4]。

2.2.3强化热风炉烟气余热回收技术

为强化热风炉燃烧，合理提高烧炉煤气与助燃空气的预热温度，项目组根据鞍钢具体情况，充分利用板式换热器传热性能高、压降低、可在线清洗和不易积灰等特点，择优筛选“利用板换替代原有的管换前置炉”方案，同时进行结构改良，保证板换平均寿命至少达15年。方案实施后，煤气预热温度提高了40℃，风温多提高12℃，可多降焦比2kg/t。

2.2.4热风炉高效节能涂料应用技术

（1）高辐射覆层黑体涂料技术

高辐射微纳米涂料的超细颗粒渗透到耐材基体中填充了空隙，从而使耐材的气孔率降低、体积密度增大，使耐火材料的耐压强度和抗折强度得到提高，提高了耐材在抵抗高温荷重下变形的能力，提高格子砖的高温蠕变性能，这非常有利提高高炉热风炉的使用寿命。该高辐射新材料工作温度：300～1810℃；适合燃气、煤、油、电等各种燃料种类，可缩短升温时间；降低排烟温度；提高炉温及炉温均匀度，燃料燃烧充分；提高热效率，提高工效5%～15%；保护炉衬，延长炉窑使用寿命；节能5%～20%。

针对格子砖蓄热及辐射传热能力低、热风炉换热效率低的问题，采用高辐射黑体涂料提高格子砖的表面黑度，开发了鞍钢热风炉高效黑体节能涂料应用技术。先后进行了实验室试验、现场测试及鞍钢与安阳钢厂的对比测试，结果表明，鞍钢5#高炉热风炉的热风平均温度提高23℃，有效热量的利用率提高3.89%；同时，热风炉烟气温度降低24℃，热量损失降低2.71%。

（2）高反射率白体涂料技术

根据白体涂料的反射率高、热吸收率低的特点，将其涂刷应用在热风炉拱顶内表面和热风总管一些部位的内表面，结果是白体涂料将90％以上的热射线反射到其内部，有效减少了热设备外表面的散热损失。2012年在鞍钢10高炉实施，年节能率为7.07%，热风温度平均提高16.7℃。

图5  热风炉高效节能涂料技术应用示意

2.2.5送风系统关键部位预制预警技术

针对鞍钢热风炉送风管路系统普遍存在的问题，开发了送风系统关键部位预制预警技术，进行了支管热风三叉口、热风短管和拉杆与支座等高炉热风炉送风管道改造工程。技术应用后，鞍钢3#高炉热风平均温度由1192℃提升至1210℃，提高18℃。

图6  送风系统关键部位预制预警示意图

3高风温科学利用（2008年至今）

高风温对高炉冶炼实现低消耗、低成本的作用是至关重要的。但如何评价高炉冶炼中“风温”的高、何为高风温在高炉冶炼上的“科学”利用，这，是炼铁工作者必须具备的科学理念。尤其是在2010年前后，鞍钢的炼铁工作者们对待高风温的科学意识便更加清晰了。

3.1对“高风温”相对性的科学评述

（1）本企业可稳定用于高炉生产的最高热风温度及品质水平。

炼铁工作者应当知晓本企业“在当下技术装备、烧炉物质条件、操作水平下，本企业的可实现的可稳定用于高炉生产的最高热风温度及品质水平”，以及该水平之下各主要状态对应的热风炉并高炉系列的操作状态和特点。在鞍钢，炼铁工作者就要知晓鞍钢热风炉在“长期坚持使用低热值煤气烧炉”的原则特点下，本企业可实现的最高热风水平及其它。

（2）与本企业“当下”原燃料水平、操作理念及水平相对应的最高热风温度及品质水平。

“当下”原燃料水平、高炉操作者的操作理念及水平等，都是有相当的交互影响度的。而一定的“原燃料水平、高炉操作者的操作水平”，对此下“可稳定用于高炉生产的最高热风温度及品质水平”是有限度的。如何在当下原燃料水平、高炉操作者的操作水平下追求尽量高的、可保证高炉生产稳定顺行的“高”的热风温度及品质水平”，是高炉操作者对“高”的热风水平的“科学”理念和做法。

可见，对于热风炉系统而言，其自身能够生产的最高风温和最终送与高炉的最高风温是不同的。

（3）最终限定高炉生产使用的最高风温水平的因素，是市场。

高炉生产强度，固然受热风温度水平、原燃料水平、高炉操作者的操作水平、高炉运行状况等因素限制，但高炉生产强度的选定更要考虑当下钢铁产品的市场状况，不但要以销定产，更要充分考量利润率、成本及消耗等因素，从而以此适应市场、确定单位时间内的产量，进而确定高炉的生产强度，最终确定一个合理的“科学”的风温水平，以保证在热风环节的成本最低。

3.2鞍钢科学高风温实践

尤其是在2013年以来，依鞍钢的原燃料水平、高炉操作者的操作水平等，高炉生产强度之高炉利用系数本可以达到2.6上下，但为适应当前严峻的市场状况，高炉利用系数降至2.3水平，随之热风温度也本应用到1220℃，现也随之退到1200℃弱水平。最终体现在热风环节上，吨铁成本降低3.72元/t。

图7   炼铁总厂2010～2013年煤气吨铁单耗趋势图

4、结语

随着炼铁技术的发展，热风炉的选择范围越来越大。对鞍钢提高高炉热风炉风温、减小风温波动，降低烧炉煤气单耗、较大幅度地降低炼铁生产成本等起到了关键作用，在炼铁技术的节能环保领域，提高了鞍钢的市场竞争力；且鞍钢高炉热风炉综合节能集成技术，不仅适用于大型高炉热风炉，而且对于国内中小型高炉热风炉同样具有推广价值和引领作用。

参考文献：

[1] 孟凡双,张洪宇. 鞍钢高炉热风炉技术的发展. 炼铁系统对标及技术交流研讨会论文集（上）, 2011.5

[2] 孟凡双.鞍钢5号高炉顶燃式热风炉生产实践. 炼铁.2010.4

[3] 李卫东,刘德军.高炉热风炉可变周期试验研究. 2012年十一钢钢研院(所)铁前低成本生产技术研究专题交流会. 2012.7

[4] 孟凡双.，鞍钢热风炉无波动换炉系统的应用实践. 冶金丛刊. 2009.6

作者简介：孟凡双，男，1975年出生，毕业于安徽工业大学热能工程专业，高级工程师，现从事热风炉运行及节能技术管理工作。