四段式热风炉发展新趋势

本报记者 夏杰生

    在本月18日西安召开的“2018年全国高炉炼铁学术年会”上, 河南省豫兴热风炉工程技术有限公司（以下简称豫兴公司）董事长刘世聚介绍的新型四段式热风炉（见图4）创新研发技术成果,引起了代表们的极大关注.与会专家们认为,该热风炉是对现有顶燃式热风炉技术存在缺陷进行科学改进后诞生的炉型,是传统顶燃式热风炉改造的重大技术突破。因为生产实践证明,这种四段式热风炉可有效防止和避免现有顶燃式热风炉燃烧室存在的应力释放受限，导致其热风炉热风出口及拱顶易垮塌、易降低风温等缺陷,可确保其在安全稳定运行过程中，达到节能降耗,实现高风温和延长其使用寿命的目的。

从生产实践中获得创新的灵感

    刘世聚认为，现有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。由于这种顶燃式热风炉锥形拱顶不但砌筑在热风出口大墙之上，而且又是受限于上小下大的炉壳之内，导致热风出口大墙的热膨胀和砌筑在热风出口大墙之上的拱顶热膨胀累积过大，在安装、筑炉以及建设过程中，炉壳均会因为受炉壳制作和焊接影响，其椭圆度会产生10-20cm之间的较大波动（唐山一用户的炉壳制作焊接椭圆度高达30cm）;炉衬砌筑同样存在不规范现象、砌筑椭圆度大体在10-20cm之间波动；耐材线膨胀不稳定（不同的厂家、不同的制造工艺配方、不同的批次原料、差异温差烧成设备是导致耐材线变化差异较大,由于耐材制造的几何尺寸偏差、砌筑砖型泥浆饱扁和砌筑水平差异（不同的砌筑工人、不同砌筑水平）等，都会导致预留的膨胀棉空间不足或受挤压，出现砌体与锥形炉壳之间热应力释放受限,从而造成现有顶燃式热风炉热风出口及其锥段拱顶结构存在不同程度损坏。

    2017年9月12日,在由河钢集团宣钢整体搬迁乐亭沿海钢铁基地大型高炉项目部组织热风炉稳定、长寿、高风温专家交流会上，该项目部技术负责人段新民先生和热风炉专家张君生先生指出，由于现有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。因此，宣钢整体搬迁乐亭高炉配套的热风炉，必须消除和解决现有顶燃式热风炉这一缺陷，保证其稳定长寿高风温运行。

    2018年7月 27日，在广西柳钢防城港钢铁基地3800m³高炉配套的热风炉交流会上，柳钢设计院院长吴建林先生针对相关技术人员提出的热风出口之上只有50-100吨的炉衬承重，不应该发生热风出口损坏和拱顶垮塌频率高问题，提出了热风出口及拱顶联接处的热应力进行计算议题。

其实，在上述议题产生之前，以热风炉专家符政学教授级高工为首的专家团队，就殚精竭虑收集查阅了大量有关产生热应力技术资料和计算公式，进行了多次详细计算，最后得出以下结论：在热风炉工程建设中存在的各种人为不可控综合因素作用下，热应力会受限，但其最高仍可达6.4万吨（按照柳钢3800m³高炉热风炉热风出口直径1800mm×450mm面积计算），即使采用钢制的热风出口横梁也难以承受如此之大的热应力而产生弯曲。即使热应力释放率只有80%--90%，其热风出口热应力发生概率仍有0.64万吨至1.92万吨。而热风炉耐火材料的承重力应该在1万吨左右（根据耐材的高温荷载性能正在委托耐材技术专家实验和计算），当热应力小于爆炸负荷时（计算爆炸负荷为1.2万吨），热风出口和拱顶就会坍塌（见照片1）。热应力超过爆炸负荷时，会将热风炉炉壳焊缝拉开（见照片2），加大吸收膨胀缝隙和纤维棉的使用量，从而出现漏风烧失纤维棉，导致炉衬与炉壳之间高温储留，增加热损失，甚至具有烧坏炉壳的风险（参照热应力计算公式，本计算结果呈我国著名的炼铁专家王筱留教授和程树森博士生导师、符政学总工程师查验复核无误、同时也得到河钢集团技术专家、中冶京城热风炉专家的和国内用户的广泛认可和采用）。

    以符政学为首的专家团队还通过承重计算和热应力计算，得知热风出口之上仅有50-100吨的承重能力（相当于产生最大热应力的1‰），这一数值与热应力相比，相差甚远。这说明过去研发的传统顶燃式热风炉，只考虑到了重力的影响，没有考虑到热应力的影响，才造成热风出口变形，拱顶掉砖等缺陷。国外外燃式、内燃式热风炉都是独立拱顶结构，是依据拱顶和大墙分离的设计理念制造的。它可巧妙地配合热膨胀的自由释放，确保了热风炉实现高风温运行长达30-50年使用寿命。而国内现有顶燃式热风炉燃烧室结构采用将拱顶直接砌筑在热风出口之上，造成耐材膨胀累积过量，再受限于上小下大的锥形钢壳，显然存在着应力得不到彻底释放的设计瑕疵。这是导致其产生热风出口损坏、长期高温、严重者炉壳发红烧穿甚至拱顶垮塌风险主要原因。如果在热风炉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仅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低为零。

    上述缜密计算和理论研究，及生产实践，使豫兴人获得了创新研发用新型四段式热风炉改造现有顶燃式热风炉的灵感。四段式顶燃式热风炉成果的推出和实施，得到中国炼铁用户和专家的支持，也为今后长寿命高风温顶燃式热风炉设计提供了科学依据。

从理论到实践的创新喜结硕果

    从2009年至今，豫兴公司对全国一百多座450m³～2500m³高炉配套现有顶燃式热风炉热风出口结构和锥形拱顶结构进行了多种方式的优化改造，均取得良好的使用效果。

其中较为突出的改造思路：解决现有燃烧室拱顶结构的热应力受限对热风出口及拱顶的损坏结构问题，旨在使燃烧室拱顶和热风出口结构稳定，不出现高温侵蚀也不会垮塌，从而可完全适应长期高风温的安全运行环境及要求。

    具有代表性的改造方法：找出现有顶燃式热风炉热风出口和锥形拱顶结构不合理，造成热风出口应力集中，导致的热风出口变形，拱顶掉砖垮塌的原因，实施热风出口与直段大墙结构分离。改造后的顶燃式热风炉形成预燃室段、锥形拱顶段、热风出口直墙段、蓄热室段四段分段结构，简称为四段式顶燃式热风炉。

其具体改造措施：以中铁装备制造公司3×2350m³高炉配套的现有顶燃式热风炉频繁出现的热风出口变形、拱顶垮塌等结构缺陷为经典改造案例，利用原预燃室钢壳结构，部分锥形拱顶结构和部分直段结构，在燃烧室结构和锥形拱顶结构之间，增加一段加粗后的炉壳，使拱顶内衬砖直接砌筑在焊接在加粗后的炉壳托板之上，与下部热风出口大墙实现断开分离，采用迷宫联接的方式进行技术改造。

    自2017年9月10号起，豫兴公司陆续对中铁装备制造公司3×2350m³高炉配套的9座现有顶燃式热风炉实施切割炉壳，在现有顶燃式热风炉基础上进行四段式结构改造（见照片3），投产后取得了明显的使用效果，消除了隐患，确保热风炉长期高风温稳定运行的良好效果。

2017年12月27日，经过详细的调研论证，河钢集团宣钢整体搬迁唐山乐亭沿海钢铁基地4×2922（3000）m³高炉配套的顶燃式热风炉，果断采用豫兴四段式顶燃式热风炉技术。目前，项目正在紧锣密鼓的建设之中。

在我国使用的现有顶燃式热风炉用户中，热风炉燃烧室结构损坏，致使风温、节能指标、产能影响的企业，在新一轮产能置换项目交流和对接中，其用户专家纷纷看好和接收拱顶结构和大墙结构断开分离的四段式顶燃式热风炉，可有效避免热风出口和拱顶叠加热应力累积，导致锥形炉壳限制造成热风炉结构损坏。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过度和发展。

    自2016年底至今，新建和产能置换的顶燃式热风炉工程，其燃烧室部位均采用拱顶和热风出口直段断开结构：河钢集团宣钢整体搬迁乐亭沿海钢铁基地4X2922（3000）m³、中铁装备制造3X2350m³、纵横丰南钢铁基地3、4号2850m³、赤峰远联1080m³、1350m³、山西建龙1080m³、1380m³、1580m³、河北澳森1288m³、江苏镔鑫1288m³、唐山东海1288m³ 、设计中的河北敬业2X1580m³、辽宁新鹏辉1200m³、云南仙福2X1350m³、晋城福盛1080m³、江苏闽源等约76座热风炉,均采用了四段式顶燃式热风炉和热风出口与拱顶断开结构的顶燃式热风炉。

刘世聚认为，彻底解决结构缺陷的四段式顶燃式热风炉，必然成为今后热风炉结构稳定、长寿、高风温发展的新趋势。