编者的话：长期以来，我国钢铁企业采用的小帽子顶燃式热风炉，很难在高风温、安全长寿和经济环保这3个核心性能上达成统一。然而，河南省豫兴热风炉工程技术有限公司（下文简称豫兴公司）自主创新研发出的专利技术——柱流多旋流大功率顶燃式热风炉（专利号：ZL202222167589.7），完全可以解决上述困扰炼铁界多年的难题，受到了诸多计划改造小帽子热风炉和炉壳利旧改造内燃式热风炉用户的青睐。相信随着时间的推移，这款兼具高风温、安全长寿与低氮燃烧技术的创新专利热风炉必将会成为助力我国钢铁企业实现高质量发展目标的利器。

科技创新 天道酬勤

豫兴柱流多旋流大功率热风炉闪亮登场

夏杰生

据豫兴公司总裁、柱流多旋流大功率顶燃式热风炉技术（专利号：ZL202222167589.7）发明人刘力铭介绍，河北省宏兴钢铁有限公司1号高炉配置有3座小帽子顶燃式热风炉，其风温低于1200℃，氮氧化物排放高达 100 毫克/立方米，吨铁煤气消耗量在 550m³ ~590m³ 。为了提高风温、减少煤气消耗、多发电，创造更大的经济效益，该公司决定在增建一座热风炉的同时，还将对现有3座小帽子顶燃式热风炉实施技术升级改造。而且，这“增一改三”工程，均采用豫兴公司研发的专利（专利号：ZL202222167589.7）技术成果——柱流多旋流大功率顶燃式热风炉。

2023年4月16日，河北省宏兴钢铁公司1号高炉新增建豫兴柱流多旋流大功率顶燃式热风炉建成点火烘炉。按照合同改造要求，豫兴公司将对1号高炉配置的其它3座小帽子顶 燃式热风炉在不停产情况下，一座一座在线实施切割炉壳全部改造为豫兴柱流多旋流大功率顶燃式热风炉。3座全部改造完毕后，将实施两烧两送模式，预计改造后的热风炉风温可达到1250℃、实现吨铁煤气消耗量降低100m³的改造目的。

喷嘴结构新颖独特

刘力铭指出，宏兴热风炉燃烧器设置为国际首创上下四排几十个内预混短焰陶瓷烧嘴、每排烧嘴喷具有不同的旋流流场分布结构，可确保煤气和空气充分混合燃烧，为高风温打下坚实基础。目前钢铁企业广泛采用的小帽子预燃室结构的顶燃式热风炉，预燃室设置的四排 喷孔，其中上两排是煤气喷孔、下两排是空气喷孔，煤气和空气自喷孔喷出集中旋流从预燃室出口处预混长焰燃烧。这样的结构不仅需要设置较大的预燃室空间和较大的燃烧室空间，而且会带来空气过剩系数大、燃烧不充分的弊端。为了解决这个问题，豫兴公司创造性开发了带有一排至多排（可依据风量大小设置为1排～10 排不等的不同旋流角度的短焰多陶瓷烧嘴结构）范围内的多角度旋流短焰多陶瓷烧嘴结构的燃烧器。

以宏兴柱流多旋流顶燃式热风炉结构为例，核心技术包括燃烧器本体、悬链线拱顶、空气入口管及环道、煤气入口管及环道等4大结构。其中燃烧器本体由悬链线拱顶下半部分的局部悬链线弧形墙体和连接在悬链线拱顶下方的直段墙体构成，悬链线拱顶下半部分的局部 悬链线弧形墙体外侧壁上设置有空气入口管，局部悬链线弧形墙体内设有空气环道，悬链线拱顶下方的直段墙体外侧壁上设置有煤气进口管，直段墙体内设有煤气环道，煤气环道内侧墙体内设置有沿周向垂直且均匀分布的空气分配通道，空气分配通道顶端与空气环道相联 通，空气分配通道侧面一段设置有与混合气体通道相连通的空气通道，煤气环道内侧墙体设有与混合气体通道相联通的煤气通道，直段墙体内侧壁上设置有上下四排短焰多陶瓷烧嘴。如上所述，这种新型燃烧器的空气和煤气采用上下两环道联接柱流加多角度旋流短焰多陶 瓷烧嘴模式，可以使空气和煤气混合效果达到最优状态；在工作时，空气通过空气环道进入周向空气分配通道，随后通过与空气分配通道相连接的空气通道进入混合气体通道；煤气进入煤气环道并通过与混合气体通道相连接的煤气通道进入混合气体通道；在混合气体通道内空气和煤气进行充分混合后，进入与混合气体通道相连的四排短焰多陶瓷烧嘴内。这种被细 分切割成多陶瓷烧嘴结构的新型燃烧器安全、防 爆、低氮、高效、环 保、高风温，且采用稳定长寿的燃烧器结构。

宏兴短焰多陶瓷烧嘴结构原理起源于1986 年，由豫兴公司现任总工程师符政学创造的名称为短焰环形多孔陶瓷燃烧器技术，并在岁月变迁中得到了100多座稳定长寿高风温热风炉的实践验证。2017年符政学带领豫兴技术团队在此原理的基础上成功对山西建龙6号1380m³ 高炉配置的入炉风量为4000Nm³ /min 内燃式热风炉炉壳利旧、热风出口标高不变条件下进行悬链线旋流短焰多陶瓷烧嘴技术的工程改造，改造后的顶燃式热风炉采用悬链线拱顶结构、空气环道内外墙体均采用局部悬链线弧形墙体结构和空气环道结构，利用近8米的悬链线直段直径设计了36个旋流短焰多陶瓷烧嘴结构的燃烧器。改造后风温实际提高了100摄氏度以上。

2022 年冷炉进炉查看，燃烧器 36 个陶瓷烧嘴结构、悬链线拱顶结构、局部悬链线弧形墙体和环道结构完好无损。刘力铭在长期的热风炉技术探索、研究的基础上成功研发、指导优化设计了宏兴热风炉设置多排多角度 36 个~100 个陶瓷烧嘴结构形式（可以轻松实现入炉风量 4000Nm³ /min~10000Nm³ /min 大型高炉大型热风炉的配置），形成了柱流多旋顶燃式热风炉新的结构原理专利技术（专利号：ZL202222167589.7），提高了燃烧器燃烧功率、让烟气流场均匀分布，提高 了格子砖的利用率和风温。柱流多旋顶燃式技术适应小帽子顶燃式热风炉结构改造、内燃式热风炉炉壳利旧的顶燃式改造（现在已经进入2000m³ 高炉配置的内燃式热风炉柱流多旋顶燃式改造审批流程中）。柱流多旋流燃烧器陶瓷烧嘴结构分布，位于最上排的陶瓷烧嘴正对燃烧器中心轴线喷射形成柱流向下部扩散、高温烟气气流喷射确保柱流的截面积填补旋流形成的负压涡流流场结构；第二排陶瓷烧嘴为与中心轴线呈 8°~20°旋切角度的喷孔、气流喷射速度低于第 1 排陶瓷烧嘴从而形成绕柱流旋转的气流并同时控制柱流截面范围；第三排陶瓷烧嘴设置为与中心轴线呈 15°~25°旋切角度，其喷孔、气流喷射速度低于第 2 排陶瓷烧嘴，从而可达到增强旋流流场分布的效果；第四排陶瓷烧嘴为与中心轴线呈 20°~ 30°旋切角度，其喷孔、气流喷射速度低于第 3 排陶瓷烧嘴 从而可进一步达到增强旋流流场分布的效果，并扩充高温烟气下部分范围，使靠近格子砖部位的高温烟气分布 更加均匀，从而优化整个燃烧室的气流分布。

创新结构消除应力

刘力铭认为，传统顶燃式热风炉通常将热出风口设置在热风炉直径最大、耐材应力最集中的锥形拱顶底部， 极易导致热出风口和拱顶的损坏，严重影响热风炉的使用效率和寿命。为解决这一问题，豫兴柱流多旋流大功率顶燃式热风炉将热出风口设置在燃烧器燃烧室侧部位（或者燃烧室朝天孔位置）等直径较小、盲板力和耐材膨胀量较小的部位避免应力集中；对于现有的传统的小帽子顶燃式热风炉改造，则采取上部锥形拱顶中部进行切割更换燃烧器，使原锥形拱顶的高度降低了50%左右，大大减小了锥形砌体应力集中和复杂的炉壳应力集中对热风出口结构的损坏以及引起的炉壳网裂和焊缝开裂；对于新建的热风炉采用豫兴柱流多旋流顶燃式热风炉设计时将燃烧器独立支撑在炉壳的支撑板上并与下部的独立拱顶呈 迷宫联结方式，燃烧器下部的独立拱顶独立支撑在该拱顶下部的炉壳支撑板上并与蓄热室大墙呈迷宫联结方式，通过这样的设计使热风炉燃烧器、拱顶和蓄热室大墙三部分各自独立互不影响，减小了集中的应力，保证各部位结构的安全稳定；与此同时，对于新建的豫兴柱流多旋流顶燃式热风炉将传统顶燃式热风炉锥形拱顶的夹角建议由 60°优化为 65°~70°，锥形拱顶上下部直径比值由传统的 2.8~3.5 优化为 1.5~2，优化后锥形拱顶受力更加合理，更加安全稳定。通过采取以上措施，豫兴柱流多旋流大功率顶燃式热风炉实现了安全长寿的目的。

巧布局促低氮环保

刘力铭透露，传统顶燃式热风炉采用的预混长焰燃烧技术，空气过剩系数大，热风炉氮氧化物排放高达 100 毫克/立方米~300 毫克/立方米；豫兴柱流多旋流大功率顶燃式热风炉针对氮氧化物生成的主要因素采用避免局部高温、降低氧气浓度和缩短燃烧气流在高温区的停留时间等多种措施全过程抑制氮氧化物生成：一是采用燃烧器内侧短焰柱流多旋设置混合燃烧陶瓷烧嘴，一方面短焰燃烧缩短烟气在高温区的逗留时间，另一方面柱流多旋流的陶瓷烧嘴设置能够促使煤气和空气充分混合，降低空气过剩系数至 1.02~1.05 之间，也就降低了燃烧时的氧气浓度。二是巧妙配置 4 排燃烧器，保证燃烧室内气体流场均匀分布避免局部高温；豫兴柱流多旋流大功率顶燃式热风炉燃烧器第一排陶瓷烧嘴采用直喷短焰方式，目的是平抑下三排带角度旋流陶瓷烧嘴产生的燃烧室锥顶烟气流场中心涡流导致的流场不均的影响；第二、三、四排喷嘴采用多旋流短焰燃烧方式，使短焰燃烧随旋流往下体积逐渐膨胀扩充烟气流场带分布宽度，使整个格子砖床面的烟气流场分布更加均匀，有效提高格子砖的加热效率。三是优化燃烧器拱顶高径比和大小直径比，有效降低燃烧室高度，缩短了烟气在高温区的运行距离及停留时间。通过以上措施，豫兴柱流多旋流大功率顶燃式热风炉氮 氧化物排放预估在 50 毫克/立方米左右，一氧化碳浓度在 200ppm，确保低氮节能环保。

初心不改共创辉煌

刘力铭自豪且信心十足地认为，柱流多旋流顶燃式热风炉的诞生，既是偶然也是必然，偶然的是科技创新的路上总是充满荆棘与未知，必然的是豫兴公司自成立以来便醉心于技术研发，天道酬勤，最终水到渠成。豫兴公司自成立以来，在总裁刘力铭“做更好的热风炉”创业理念感召下，汇聚了符政学、刘世聚等 100 多位享誉国内的资深专家学者；先后开发出了豫兴悬链线顶燃式热风炉、旋流交错顶燃式热风炉、豫兴四段式顶燃式热风炉、燃烧器 “HRK ”抗热震制品工艺、孔孔互通自行调节烟气流场的高效格子砖等具有国际影响的系列拳头产品；已申请发明专利 34 项、 实用新型专利 88 项；荣获了河南省科技进步奖二等奖、河南省工业和信息化科技成果奖一等奖、河南省装备制造业十大标志性高端装备、河南省首台（套）重大技术装备认定产品、郑州市科技进步特等奖等诸多殊荣。雄厚的人才基础和辉煌的业绩支撑激励着豫兴向更险峻的科技高峰不断攀登。