1 四段式顶燃式热风炉成功应用于新建项目

　　为进一步加大钢铁产能压减力度，优化河北省钢铁产业布局，河钢集团有限公司(以下简称“河钢集团”)制定出台了宣钢整体退出方案，并在唐山乐亭经济开发区建设“河钢集团产品升级结构调整(沿海基地 ) 项目”。拟建项目采取“整体规划，分步实施”的原则分两期建设，第一期实施1000万吨规模，新建3座高炉。

　　2017年9月12日由河钢集团产能转移及宣钢产能置换整体搬迁项目乐亭沿海钢铁基地大型高炉项目部组织的中冶京城工程技术有限公司、唐钢国际工程技术有限公司、河南省豫兴热风炉工程技术有限公司、河钢集团发起组织的宣钢、唐钢炼铁技术专家项目组和耐火材料制造商的山东鲁耐耐火材料有限公司、郑州安耐克耐火材料有限公司等七家单位面对面进行技术交流和讨论。会议指出由于现有三段式顶燃式热风炉拱顶是砌筑在热风出口之上，造成了热风出口结构和拱顶结构在高温工作条件下损坏，且损坏率高达90%以上，肯定了河南省豫兴热风炉工程技术有限公司(以下简称为豫兴公司)的四段式顶燃式热风炉结构稳定和长寿的特点。之后，河钢集团技术专家经过多轮论证，一致决定河钢集团乐亭沿海钢铁基地大型高炉热风炉采用四段式顶燃式热风炉技术。由此，开启了四段式顶燃式热风炉为大型国企集团大型高炉群配套之路。

　　目前，乐亭沿海钢铁基地3座2988m³高炉四段式热风炉的1号高炉、2号高炉配套的6座四段式顶燃式热风炉已拔地而起(见图1)，而3号高炉配套的四段式顶燃式热风炉将于今年10月份启动建设。

图1 3000m³级高炉配置的四段式热风炉

　　另外，唐山津西钢铁公司2座2000m³高炉配套的四段式顶燃式热风炉正在建设中。辽宁新鹏辉产能置换项目直接设计1350m³高炉四段式顶燃式热风炉。

2 四段式顶燃式热风炉在改造工程中的应用

　　2003年，我国开始引进三段式顶燃式热风炉，经过十多年的发展，热风炉的形式逐渐从内燃式和外燃式向顶燃式转变。目前，顶燃式热风炉在我国的市场占有率在80%以上。新建的高炉和产能置换的高炉已经100%配置为各种顶燃式热风炉，顶燃式热风炉已发展为我国的主流炉型。

　　然而，三段式顶燃式热风炉，经过十几年的高风温使用，曝露出重大结构缺陷和燃烧器缺陷，出现热风出口高温、炉壳发红、锥形拱顶垮塌、热风炉炉壳严重开裂、燃烧器煤气喷嘴移位、断裂、风温降低等问题，需要频繁维修，严重影响了炼铁生产成本，造成钢铁企业损失。

　　自2008年至今，豫兴公司维修和改造了一百多座三段式顶燃式热风炉的燃烧室和预燃室结构，有些是原样维修、有些是切割炉壳改造。其中最经典的工程是三段式顶燃式热风炉全部切割炉壳改造为四段式结构。

　　典型案例如下 ：

　　2017年4月中铁装备制造3座2500m³高炉配置的9座三段式顶燃式热风炉全部切割炉壳改造为四段式结构(见图2);

图2 2500m³级高炉配置的四段式热风炉

　　秦皇岛安丰钢铁公司正在将2座1080m³高炉配套的三段式切割炉壳改造为四段式 ;

　　内蒙赤峰远联钢铁公司1350m³高炉三段式改造为四段式，炉壳已近焊接完毕进入砌炉程序(见图3);

图3 1350m³级高炉配置的四段式热风炉

　　辽宁嘉辰2座1350m³高炉配套的三段式也正在切割炉壳，改造为四段式。

3 四段式顶燃式热风炉的特点

　　三段式顶燃式热风炉主要由第一段预燃室(煤气、空气预混室)、第二段燃烧室(锥形拱顶和热风出口大墙)、第三段蓄热室(格子砖室和冷风室)组合，段与段之间采用迷宫联接。该热风炉在使用过程中，频频出现预燃室、燃烧室结构损坏，燃烧室热风出口炉壳局部高温、拱顶坍塌等问题。调查发现，这类热风炉在使用过程中，除预燃室煤气喷嘴100%损坏外，最致命的一个共性频繁出现的问题，就是热风出口和热风出口之上的拱顶结构稳定性差，导致燃烧室结构损坏，其直接结果就是降低风温使用。该部位频繁损坏的原因是该部位存在应力和应力集中现象。为此，豫兴公司开发出彻底优化改造受力结构的四段式顶燃式热风炉。

　　从三段式、四段式顶燃式热风炉的结构示意图可以看出，四段式顶燃式热风炉是将三段式顶燃式热风炉燃烧室锥形拱顶和热风出口连体结构实施再分离，形成了新的预燃室段、燃烧室锥形拱顶段、燃烧室热风出口直墙段、蓄热室段四段分离结构、耐火衬结构段段独立支撑在炉壳之上，段与段采用迷宫联接，也就由三段式优化为新的四段式顶燃式热风炉，从而解决了热风出口及拱顶应力集中的结构缺陷。

　　在上小下大锥顶炉壳内，采用内衬与热风出口大墙断开的迷宫联接设计，让热风出口之上的砌体热应力自由释放，这种结构状态下的热风出口之上产生热应力就等于热风出口之上的承重重力，而且这样的结构不受施工、安装、材料、性能综合因素影响，就会消除应力的破坏作用，防止热风出口与拱顶组合燃烧室结构的损坏，使炉壳发红、锥形拱顶垮塌等风险因素降为零。

　　值得注意的是，有人提出，四段式顶燃式热风炉热风出口与锥形拱顶断开结构，在燃烧室热风出口大墙之上又增加了一段迷宫结构，且因为增加段没有格子砖挤紧大墙，易出现增加段大墙蠕变开裂、倒塌，甚至有高温从裂缝进入直段大墙和炉壳轻质砖夹层，烧坏炉壳和轻质砖以及支撑拱顶的托板的风险。但事实上，这种说法存在认识上的误区。热风炉的设计理念是消除应力和避免应力存在，如果提倡格子砖挤紧作用就是提倡应力作用，这和消除应力的设计理念相悖。而增加段的大墙和迷宫，其结构稳定与否，与选择耐火材料品质有一定关系，但高风温热风炉燃烧室均采用耐高温、高温热震稳定好的硅砖，硅砖蠕变率和膨胀率均在可控范围之内，因此不存在上述风险。四段式顶燃式热风炉由新日铁外燃式热风炉逐步发展而来，新日铁外燃式热风炉本体的小拱顶与大拱顶联接处在 1400- 1450℃连续高温环境下已经有运行20-30年的记录，这并没有格子砖的挤紧作用，但稳定而长寿。因此，只要顶燃式热风炉的燃烧室结构受力合理、应力分散，结构稳定，就一定能实现节能、长寿、长期高风温。

4 顶燃式热风炉发展趋势

　　2017年初对中铁装备制造3座2500m³高炉配套的9座三段式热风炉燃烧室结构切割炉壳改造为四段式技术至今，河北省境内的产能置换和改造的顶燃式热风炉，炉容在2000m³以上的已达13座，其中11座高炉配置了豫兴顶燃式热风炉技术，11 座高炉中3座采用悬链线顶燃式热风炉技术，8座采用了豫兴四段式顶燃式热风炉技术。这11座顶燃式热风炉，全部采用热风出口直段与拱顶断开技术。该技术非常巧妙的将耐材膨胀热应力和综合集中的应力分散和转移至炉壳之上，使拱顶和热风出口直段结构双稳定，可以无任何隐患地长期稳定使用高风温，不会出现炉壳因综合应力作用而开裂和耐火材料损坏垮塌的现象。

　　河北省是我国钢铁大省，钢铁产能占据我国钢铁产能30%-40%，河北省内的大型高炉发展直接影响和带动我国钢铁设备更新换代发展的趋势。河钢集团乐亭高炉群配置豫兴四段式热风炉和津西钢铁产能置换项目高炉群配置豫兴四段式热风炉、中铁装备制造高炉群切割炉壳改造为豫兴四段式热风炉以及已经签署的近20 多座1000m³以上、2000m³以下切割三段式炉壳改造为四段式的事实，证明了豫兴四段式顶燃式热风炉是今后大型高炉配套高风温顶燃式热风炉发展的主流技术。

　　在新一轮产能置换项目交流和对接中，用户纷纷看好拱顶结构和大墙结构断开分离的顶燃式热风炉。顶燃式热风炉的设计，正在向应力释放不受限、消除设计风险因素方向发展。彻底解决结构缺陷的四段式顶燃式热风炉，必将成为今后大型高炉热风炉结构稳定、长寿、高风温发展的新趋势。