摘  要：通过热工计算，为本钢3号高炉配置了 3座高温长寿内燃式热风炉．采用了合理的热风炉结构。生产结果表明，热风炉系统运行稳定可靠。能为高炉提供年平均温度为1 200 ℃热风的能力。

关键词：大型高炉；热风炉；内燃式；长寿命

    0  引言

    实现1 200～1 250℃的高风温及20年以上的热风炉砌体无检修寿命，目前主要有两种热风炉型式：一是高温长寿型内燃式热风炉，二是外燃式热风炉。由于外燃式热风炉投资较高(比内燃式高20%以上)、占地面积较大，考虑到本钢3号(2 600m³)高炉建设场地及资金的实际情况，经计算比较，本设计配置3座高温内燃式热风炉，采用高炉煤气配加一定比例的焦炉煤气作为热风炉燃料。

    1  设计概况

    本钢3号(2 600m³)高炉配置3座内燃式热风炉，眼睛形燃烧室配矩形陶瓷燃烧器，高温区采用硅砖，设置烟气余热回收装置，同时预热热风炉燃烧用助燃空气和混合煤气达180℃左右(高炉煤气和焦炉煤气在进入热风炉区域前的混合站内混合)。助燃空气集中送风，配置2台风机，一用一备。热风炉本体区用阀门为液压传动，设有热风炉用液压站。余热回收区阀门为电传动。

    热风炉设计为中冶赛迫与达涅利公司共同设计。热风炉本体系统的基本设计以达涅利公司为主完成，本体区的详细设计、余热回收区、助燃风机区的设计等由中冶赛迪完成。为确保热风炉砌体寿命，满足风温要求，热风炉关键部位(如热风炉拱顶、陶瓷燃烧器等)的耐火材料由达涅利公司提供。

    在基本设计中，对热风炉操作期间可能会出现的9种工况进行了计算；并考虑了空煤气预热和不预热及2炉和3炉操作工况。空煤气预热温度考虑了140℃和180℃两种情况；不预热时考虑混合煤气温度为40℃，助燃空气温度考虑为30％的工况。2炉操作只有在特殊情况下才采用，如阀门维修等，在这种情况下的热风炉能力(加热风量和热风温度)取决于用户的操作水平。因此，2炉操作能力计算只为可能出现的情况做参考。

    同时，为确保陶瓷燃烧器导流板为最佳形状并满足煤气气流在出口的均匀分布，热风炉烘炉前对陶瓷燃烧器做了冷态测试，以确保其结构的合理性，使本热风炉系统成为本钢3号高炉最合适的配套系统。

    2  热风炉设计特点

    2．1  悬链线形才共顶结构

    热风炉拱顶砌砖形状为悬链线形。设计的拱顶砌体与大墙完全脱开，由炉壳独立支撑砌体的重量。综合其特点主要有以下几点：

    (1)拱顶各层砖独立成拱形，隔热砖自身重量由本层拱形支撑，其膨胀变形与耐火砖的脱开，减轻了耐火砖的支撑负担，同时也不会因为耐火砖的急剧膨胀而使局部的隔热砖出现开裂。

    (2)同时在拱顶砌体各部位设置了膨胀缝及压力补偿孔，使其膨胀及在热风炉周期中互不影响，增加了拱顶砌体结构的稳定性。

    (3)硅砖在600℃以下膨胀量较大，在拱脚及拱顶中下部采用了关节砖结构，即拱顶耐火砖的重量落在关节砖上，从而可以通过关节的灵活转动吸收热风炉拱顶硅砖在开炉、凉炉时的膨胀变形量，以确保热风炉砌体在高炉两代炉役中的寿命。

    2．2  “眼睛形”燃烧室及矩形陶瓷燃烧器

    采用变断面“眼睛形”燃烧室，不仅保证了燃烧的稳定性，而且提高了蓄热室的有效利用面积。燃烧室内配置的矩形陶瓷燃烧器，其优选的结构配置确保了煤气和空气混合充分，使燃烧更加完全、稳定，最大限度的避免了燃烧时的爆震及脉动，确保燃烧过程的稳定。

    2．3  独特的板块式墙体结构

    通过计算热风炉内的温度分布，了解热风炉在开炉、操作周期及凉炉过程的温度变化，从而在设计过程中根据热风炉的不同部位选择不同材质的砌体，并且根据这些不同材质砌体的理化性能，在热风炉砌体圆周上，按温度分布的特点设置大小、多少不同的膨胀缝和滑动节点。通过设置这些合理的膨胀缝和滑动节点，使墙体成为独立的板块结构，既保持了砌体的独立性和密封性，又消除了砌体内部因受热不均匀而产生的破坏性应力。在隔墙砌体的中部及中下部设置高性能的隔热砖，以降低隔墙两侧的温度梯度，并在隔墙冷面设置特殊结构的耐热不锈钢板，提高隔墙的结构稳定性及气密性，防止高温烟气“短路”直接损害蓄热室格砖。

    2．4  采用组合砖及高效格子砖

    在砌体开孔部位广泛采用组合砖，以提高易破损部位砌体的结构稳定性和气密性。热风出口采用带双舌槽相互咬砌的耐火砖，结构十分稳定。主支管三岔口及主围管三岔口为平拱结构，采用吊挂组合砖，利用耐热特殊钢将耐火砖吊在管道上，并承担隔热砖的重量，这种结构十分稳定，砖不易脱落，但是对吊挂件材质要求高，耐火砖开槽较复杂。送风支管与围管连接采用组合砖，耐火砖及隔热砖的重量靠热风围管砖及送风支管承担，送风支管波纹管连接法兰不承担砖

的重量，最大限度的使法兰远离热面，保护了送风支管波纹管法兰连接接口。

    蓄热室采用带凹凸槽小孔径的七孑L高效格子砖。

    2．5  热风管道

    热风管道系统设计的特点主要有以下几点：

    (1)热风管道系统考虑了热风炉炉壳、管道钢壳及管道砌体热膨胀所引起的各方向上的变化，并据此设置波纹管及拉杆系统，采用固定支座的合理设置及波纹管的布置，充分吸收了热膨胀引起的位移并保证了稳定性。

    (2)热风管道砌体结构十分合理，在热风支管处，采用了更加合理的砌体结构，既可以通过热膨胀缝自身来吸收膨胀位移，也可以利用特殊的砌体结构及波纹管来方便的更换热风阀。支管耐材砌体采用一条膨胀缝，与支管波纹管的一条膨胀缝形成一道迷宫膨胀缝，缝隙中填入陶瓷毯，这种结构使支管砌体断开形成两个端头的自由膨胀，考虑到热风的冲刷作用，在内环耐火砖膨胀缝处根据热风方向设置了一环保护环缝的砖，同时这环保护砖还可以防止陶瓷毯的掉落。

    这种更加合理的砌体结构将会改变由于反复热膨胀引起的砌体破坏而产生漏风、烧坏设备，最终导致被迫休风的状况。

    (3)如前面所述，在热风主支管三岔口、热风主围管三岔口处上面设置平拱过渡区域，并设置特殊的砌体结构，即采用吊挂件将耐火砌体悬挂在热风管道上。由于砖的重量通过吊挂件传递给了管道，故这种砌体结构更加稳定可靠。

    (4)混风装置采用浇注料加砌砖结合模式。在热风主管周向上设置一圈混风管道，沿混风管道周向上设置4根混风支管进入热风主管。利用耐热浇注料做热面，并砌筑隔热砖绝热。

    混风装置承压焊缝均保证严密，在制造过程中严格预装，保证设计尺寸。投产实践表明，这种混风装置不泄露，工作稳定，混风均匀。

    通过合理的耐火砖配置，热风管道的管壳最高温度低于110℃，有效的减少了热损失。

    2．6  耐火材料的选择及在工程中 的性能质量外观控制

为了保证热风炉高风温长寿命，防止砌体在长期高温或高荷载工作条件下出现变形、下陷、扭曲等不良现象，根据内燃式热风炉的结构特点，本设计在高温区(拱顶、大墙、格子砖)采用硅砖(硅质SiO₂>95%),中、低温分别采用红柱石砖(A1₂0₃>53％)及低蠕变粘土砖(A1₂0₃>39％，及A1₂0₃>42％)。

    由于本工程为中冶赛迪的总包工程，同时也是国内目前为止最大的高炉总承包工程，对耐火材料的性能质量外观控制十分重要。结合本工程的特点，我们对耐火材料在制造、验收、包装、运输等方面做了十分详细的规定。主要包含以下几点：制造商执行的质量保证／质量控制；验收采样；实施的理化测试及检查；目视检验；尺寸检查；预组装；耐火砖标记；验收。

    通过这些对耐火材料的质量控制要求，保证了耐材的性能，为热风炉的稳定、长期工作提供了有力的保障。

    3  分离型余热回收系统

    分离型余热回收装置具有蒸发端与冷凝端分开，布置灵活，设备运行可靠，运转费用低的特点。能够实现一种介质为多种介质换热。

    为了达到热风炉拱顶温度1 400℃的要求，以及提高系统热效率、节约能源，设计采用高效分离型热管换热器回收热风炉烟气余热，同时预热助燃空气和混合煤气，使热风炉系统整体热效率达到82％左右。

  4  助燃风机系统

  热风炉燃烧用助燃空气采用集中送风，设置2台助燃风机，露天布置，一用一备工作方式。每台风机最大风量175 000Nm³／h，全压约12kPa(表压)。风机为双吸风口离心风机，吸风口设置消音器，风机入口带电动档板调节装置。

    5  热风炉控制系统

    5．1  热风炉工作制度及换炉操作制度

    正常工况下为3座热风炉工作，工作制度为二烧一送，即仅有1座热风炉向高炉送风，其余2座热风炉处于燃烧状态(或闷炉)。送风炉的状态转换必须在燃烧结束的热风炉投入送风状态后方可进行，热风炉换炉设自动、单炉自动、手动和现场四种操作方式。

  5．2  操作开关及监控设施

  热风炉系统联动设备及部分不参与联动设备均可在高炉中控室CRT上进行手动操作，也可以在现场通过现场操作箱或阀站进行手动操作，对热风炉各设备进行单独运转，系统各设备保持必要的电气或机械保护，用于设备检修和调试。烟道旁通阀、冷风放风阀、助燃空气放散阀的控制设计为点动操作，即通过中控室等处的数据画面点动控制阀门的开度，以便在非正常工况下控制热风炉系统，使其维持生产。

    此外，在高炉紧急操作台上设置了热风炉紧急情况下操作开关，即在紧急情况下关闭热风阀、混风切断阀及煤气切断阀，防止爆炸事故的发生。

    5．3  非正常换炉操作及事故处理

为了保护热风炉系统正常安全生产，本热风炉系统设置有非正常换炉操作及事故处理程序。

 为使处于燃烧状态的热风炉能在正常换炉顺序之外自动完成燃烧转休止的转换，设有“自动燃烧停止”操作；为防止操作者误操作使高炉断风而酿成事故，设计规定系统中至少有一座热风炉处于送风状态。为满足高炉休风或需将唯一处于送风状态的热风炉转为休止的生产要求，设有“完全休止”操作；接到混合煤气压力低的报警信号时，以单炉自动方式将处于燃烧状态的热风炉自动转为休止，由操作者决定是否进行隔断操作；运转中的助燃风机故障，发出报警，根据联锁条件强制关闭混合煤气切断阀，以单炉自动方式停止处于燃烧状态热风炉的燃烧过程；助燃风机轴承温度升高分二次报警，一次报警时，操作者应检查助燃机冷却水供水温度和轴承润滑油量；二次报警时即停止相应风机的运行。

    5．4  热风炉的控制项目

    (1)燃烧控制。对燃烧过程中的加热初期、拱顶温度管理期和废气温度管理期进行控制，将会在规定的燃烧时问内，保持最佳燃烧状态烧炉，在保证热风炉储备送风所需热量的同时，尽量提高热效率并保护热风炉设备。

    (2)热风炉送风温度控制。本高炉热风炉采用单炉送风，即一座热风炉处于送风状态，其风温控制由混风调节阀完成。设定热风目标温度，混风调节阀在送风时间内始终处于开状态，比较热风目标温度和热风检测温度，自动调节混风调节阀的开度(即调节掺入的冷风量)以实现风温控制，保持送风周期内风温变化不超过允许的范围。用于送风温度控制的热风温度检测点设在热风主管上。

    (3)助燃风机出口压力控制。设定助燃风机出口压力，调节风机吸风口调节阀开度，以保持助燃空气的压力。

    6  实际运行参数

    本钢3号高炉已于2005年9月5日出铁，热风炉系统为3座高温长寿内燃式热风炉，满足高炉操作要求的年平均风温1 200℃，热风炉设计能力确定为1 250℃。

    7  结语

    本钢3号高炉热风炉系统采用了合理的工艺布置及较高的自动化控制水平，在燃烧混合煤气(高炉煤气+焦炉煤气)的条件下能为炉容为2 600³的高炉提供年均温度为1 200℃的热风，具备了实现30年无大修的长寿命结构及材质配置，在国内外具有先进水平。(赵长义节选自《炼铁》2007年第2期)