（冶金工程专业论文）安钢高炉高风温的获取和利用.pdf

东北大学硕士学位论文 安钢高炉高风温的获取和利用 摘要 在现代钢铁生产中，如何追求生产的低能耗，实现产品的低成本，提高市场 竞争能力，越来越成为业界的追求目标。炼铁系统的能耗占钢铁工业总能耗的 7 0 左右。高炉生产是炼铁系统的重要环节，所以，大幅度降低高炉焦比已成为 钢铁工业节能降耗的重中之重。 高风温技术是现代高炉炼铁生产中的一项重要技术。随着高炉冶炼技术的不 断发展，高炉的风温也不断提高。现在，高炉鼓风中带入的热量大约占高炉热量 来源的1 3 ( 约3 0 ) ，在追求生产低成本的今天，进一步提高风温已经成为高 炉生产降耗的一项重要手段，高风温技术的开发与应用越显示出其重要性和必要 性。 生产实践证明，提高高炉风温水平是一项系统工程，影响高炉风温的因素很 多，炼铁工作者做了大量的工作，使风温水平有了很大的提高。随着高风温技术 的开发和应用，利用高风温技术为高炉提供高风温成为可能。在高炉操作方面， 要求高炉必须长期的稳定顺行，具有接受高风温的条件和能力。 本文根据安钢高炉生产实际情况，分别从增强热风炉蓄热室内的热交换、提 高理论燃烧温度、提高热风炉废气温度和降低高炉煤气的含水量及含尘量方面探 讨了安钢现有条件下高风温的获取的途径；在高风温的利用方面主要对改善原燃 料条件、适当喷煤和稳定高炉操作等问题进行了研究。通过探讨和研究，结合生 产工艺，整合安钢现有资源，找出了安钢高炉在现有条件下提高风温的途径，使 热风温度达到1 1 5 0 1 2 0 06 c 的水平；通过一系列技术手段和试验，改善了原燃 料条件，高炉炉况稳定性增强，使高炉能够接受1 1 0 05 c 以上的高风温，从而达 到节能降耗、降本增效的目标。 关键词高炉高风温获取利用 。i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t o b a t i o na n du t i l i z a t i o no f h i g h b l a s t t e m p e r a t u r eo nt h eb f a ta n s t e e l a b s t r a c t i nm o d e mi r o l la n ds t e e lm a k i n gp l a n t t oi m p r o v et h em a r k e tc o m p e t i t i v ea b i l i t y 1 0 we n e r g yc o n s u m p t i o na n dl o wc o s tb e c o m e sav e r yt a r g e t 1 1 1 ee n e r g yc o n s u m p t i o n o ft h ei r o n - s m e l t i n gs y s t e mo c c u p i e sa b o u t7 0 o ft o t a le n e r g yc o n s u m p t i o no fi r o n a n ds t e e li n d u s t r y b fp r o d u c i n gi st h ek e yl i n ki nt h ei r o n s m e l t i n gs y s t e m t h e r e f o r e ， r e d u c i n gt h ec o k er a t i oo ft h eb fb e c o m et h em o s ti m p o r t a n tt h i n gt h a tc a ns a v e e n e r g ya n d r e d u c et h ec o s tl a r g e l yi ni r o na n ds t e e li n d u s t r y t h eh i g hb l a s tt e m p e r a t u r et e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yu s e di nm o d e m b fp r o c e s s a l o n gw i t ht h eb fs m e l t i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p e dc o n s t a n t l y ，t h eh i g h b l a s tt e m p e r a t u r ei m p r o v e dc o n s t a n t l y n o wa b o u t1 3o fq u a n t i t yo fh e a tt h a tb f p r o c e s sn e e d sa r ec o m ef r o mh o tb l a s t i m p r o v i n gt h eb l a s tt e m p e r a t u r eh a sa l r e a d y w a r m l yb e c o m ea ni m p o r t a n tm e a r l st ol o w e rc o n s u m p t i o ni nf u r t h e r ；t h eh i g hb l a s t t e m p e r a t u r et e c h n o l o g yi si m p o r ta n dn e c e s s a r yt o d a y p r o d u c f i o np r a c t i c e sp r o v e dm a tt oi m p r o v et h eb l a s tt e m p e r a t u r e1 e v e lo f w i n di s as y s t e m se n g i n e e r i n g ，t h e r ea r eal o to ff a c t o ri n f l u e n c ei t ，i r o n s m e l t i n gw o r k e r s h a v ed o n eal a r g en u m b e ro fw o r ka n dm a d et h et e m p e r a t u r el e v e lo fw i n di m p r o v ea l o t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h eb l a s tt e m p e r a t u r et e c h n o l o g y ，i t b e c o m e sp o s s i b l ew a r m l yt ou t i l i z et h eh i g hb l a s tt e m p e r a t u r et e c h n o l o g yt oo f f e rt h e h i g hb l a s tt e m p e r a t u r ef o rb f ，i nt h eb fo p e r a t i n ga s p e c t ，m u s tr e q u i r et h eb f l o n g - t e r ms t e a d yd i r e c tm o t i o n ，h a v ec o n d i t i o na n da b i l i t yt oa c c e p tt h eb l a s tw i t h h i g ht e m p e r a t u r e t h i s p a p e rb a s e do nt h ep r o d u c t i o na c t u a lc o n d i t i o no ft h e b fa t a n s t e l l ， i n v e s t i g a t i n gt h ew a yt oi m p r o v eb l a s tt e m p e r a t u r eb ys t r e n g t h e n i n gt h eh e a tt r a n s f e r i nr e g e n e r a t o rr o o m ，i m p r o v i n gt h et h e o r e t i cb a r nt e m p e r a t u r e ，r e d u c i n gw a t e ra n d d u s tc o n t e n to ft h eb fg a s 。f o ri t su s a g e ，i m p r o v i n gt h em a t e r i a l s ，p r o p e rc o a l i n j e c t i o n ，a n dr u n n i n gb fs t a b l ye t c ，a r ei n v e s t i g a t e d 1 1 1 ew a y t oi m p r o v ea n du s et h e h i g ht e m p e r a t u r eo f t h eh o tg a sa r eg i v e ni nt h i sp a p e lt h eh o t - b l a s tt e m p e r a t u r er e a c h e d 11 5 0 - 1 2 0 0 c ，a n di m p r o v e dt h eo r i g i n a lf u e lc o n d i t i o n ，t h eb l o tf u r n a c ew o r k e ds t r e n g t h e n e d ，s o c o u l da c c e p th i g ht e m p e r a t u r eo f m o r et h a n1 1 0 0 t h u st h ef i r s tg o a lr e a c h e d k e y w o r d sb l a s t 缸n a c e ，h i g hb l a s tt e m p e r a t u r e ，o b a t i o n ，u t i l i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 张庆东西政辛、 日期：2 0 0 5 年9 月2 4 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 学位论文作者签名：张庆东陬床 、 日期：2 0 0 5 年9 月2 4 曰 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为 同意。 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章引言 第一章引言 1 1 概述 近年来，中国钢铁工业处于高速增长的阶段，钢、铁、材、焦的年增长率均 在2 0 左右。 中国钢铁工业的持续高速增长，带来了资源( 包括铁矿石、焦炭、水) 、交 通运输和电力供应的全面紧张。资源供应的紧张，造成了价格攀升、质量下滑、 成分不稳定，最终导致钢铁系统能耗上升。而炼铁系统的能耗占钢铁工业总能耗 的7 0 左右。高炉生产是炼铁系统的重要环节，所以，大幅度降低高炉焦比已 成为钢铁工业节能降耗的重中之重。 从炼铁生产来讲，能够大幅度降低高炉焦比的主要技术措旅大体上有三类： 一是改进原燃料，如提高原料的含铁量、降低硅含量、降低焦炭灰分等；二是提 高高炉内煤气的利用水平，即提高炉顶煤气中c 0 2 ( c o + c 0 2 ) 的比值，可以通过使 用上部调剂和高压操作的措施达到；三是提高风温，如将风温提高到1 2 0 0 。c 1 3 0 0 1 1 1 。近半个世纪以来的探索和总结，人们已经熟知了这些措施。结合目前 我国炼铁生产实际，从经济效益、挖潜的技术可能性和可降耗的幅度来看，大幅 度提高风温是可行的。 提高风温的节能效果是明显的，高炉鼓风中带入的热量大约占高炉热量来源 的l 3 ( 约3 0 ) 。目前，如果在高炉炼铁生产中提高2 0 0 c 以上的风温，即由 1 0 0 0 。c 的水平提高到1 2 0 0 c 1 3 0 0 。c ，实际降低的焦比将在3 4 k g t 左右。因此， 提高风温是最直接、最有效的降耗途径。 为获取高风温，需要有效地解决两个方面的问题：改进热风炉结构和提高拱 顶温度、降低风温与拱顶温度的差别。 一方面，热风炉作为高炉生产提供热风的设备，其能否提供高而稳定的风温， 已经成为提高风温的关键环节。目前普遍采用的是荷兰霍戈文内燃式热风炉、日 本新日铁外燃式热风炉和顶燃式热风炉等，它们的风温均达到1 2 0 0 。c 以上，寿 命在3 0 年以上。 另一方面，从热工角度来分析，要获得高风温，重要的是将热风炉的拱顶温 度提高到高于风温1 5 0 2 5 0 ，要获得这样高温的热量，单纯采用现有的工 艺燃烧高炉煤气是不行的，即使采用干式除尘，降低煤气含水量，利用净煤气显 热( 15 0 。c 2 0 0 c 时为2 1 0 2 7 0 k j m 3 ) 也还不能达到要求。目前广泛采用的措施 是：( 1 ) 用高热值煤气富化高炉煤气，例如加入焦炉煤气( 热值为1 6 3 0 0 1 7 6 0 0 k j m 3 ) 、天然气( 热值为3 3 5 0 0 4 1 9 0 0 k j m 3 ) ；( 2 ) 使用热值较高的转炉煤气( 热 东北大学硕士学位论文 第一章引言 值为8 0 0 0 - - 1 0 5 0 0k j m 3 ) ：( 3 ) 预热助燃空气和高炉煤气。第一种措旆取决于生 产厂区的煤气平衡和资源条件，在我国相当多的厂是受限制的；第二种措施取决 于转炉煤气的回收，用多余的转炉煤气代替焦炉煤气，在一些厂也有应用：第三 种措施是目前国内外普遍采用的提高风温的技术手段。 长期的生产实践证明，提高高炉风温水平是一项系统工程，利用高风温技术 提高高炉风温水平是可行的。 1 2 高风温技术的发展状况 1 2 1 外国概况 1 2 1 1 外国热风炉发展状况 古老的高炉采用的是冷风炼铁。1 8 2 8 年在英国第一次使用1 4 9 。c 的热风进行 炼铁，节约燃料3 0 左右。由于鼓风预热可以大量降低燃料消耗，于是加热鼓 风技术很快被推广起来。采用热风( 或高风温) 炼铁，是高炉发展史上的一大革 新“1 。经过1 0 0 多年的发展与演变，为高炉提供热风的设备逐步由当初的铸铁管 式热风炉到现在的内燃式、外燃式、顶燃式等型式不同的热风炉。 随着高炉冶炼技术的不断发展，高炉风温也不断提高。现在高炉鼓风带入的 热量大约占高炉热量来源的1 3 ( 约3 0 ) ，在追求生产低成本的今天，提高风温 已成为高炉生产降耗的一项重要手段。热风炉一直在提高风温方面起着举足轻重 的地位，在热风炉发展的历史上，内燃式热风炉占了主流，但是，当风温达到 1 0 0 0 。c 以上时，内燃式热风炉因为其本身缺陷，诸如燃烧室与蓄热室之间的隔墙 两侧温差太大，结构上的不合理，容易短路、掉砖等，致使热风炉寿命缩短。外 燃式热风炉的构思是1 9 1 0 年由弗朗兹达尔( f r a n z d a l a i ) 提出，并申请了专利； 1 9 2 8 年美国人在卡尔尼基钢铁公司建造了世昴上第一座外燃式热风炉，将燃烧 室与蓄热室分开，显著地提高了风温，延长了热风炉寿命。到近3 0 年，外燃式 热风炉得到了广泛应用。1 9 6 0 1 9 6 5 年先后有了地得式、柯柏式、马琴式外燃式 热风炉。德国蒂森一克鲁伯公司s c h w e l g e r n 2 号高炉( 由德国s m s d e m a g 公 司设计) 内容积5 5 1 3 m 3 ，1 9 9 3 年9 月建成，采用3 座d i d i e r 外燃式热风炉，热 风温度能够达到1 3 0 0 c1 3 l 。新日铁外燃式热风炉是新曰铁钢铁公司于六十年代 末综合了已有外燃式热风炉的特点，首先在新日铁八幡制铁所高炉上使用的。外 燃式热风炉的优点是：蓄热室内气流分布较均匀，其中以马琴式和新日铁式的气 流分布最好；由于燃烧室是独立的，因而可以避免隔墙烧穿或倒塌等事故 4 1 0 由 于外燃式热风炉的应用，使高炉风温达到了1 2 0 0 1 3 0 0 的水平。 在建造和研制外燃式热风炉的同时，对内燃式热风炉的弊病进行了改造，2 0 2 东北大学硕士学位论文 第一章引言 世纪7 0 年代，荷兰霍戈文公司( 现在达涅利一康力斯公司) 对传统的内燃式热 风炉进行优化和改进，开发了改进型内燃式热风炉，获得了成功1 5 1 , 它克服了传 统内燃式热风炉的缺点，对内燃式热风炉进行了改造：拱顶结构由半球顶改为悬 链线顶；改金属燃烧器为陶瓷燃烧器；隔墙增设绝热夹层和耐热合金钢板：火井 改为圆形或眼睛形；热风炉上部高温部分采用硅砖等等。实现了高温、高效、长 寿。霍戈文公司的7 号高炉，内容积4 4 5 0 m 3 ，炉缸直径1 3 8 3 m ，采用高温内燃 式热风炉，一直生产至今没有大修，1 9 8 5 年以来高炉平均风温保持在1 2 5 0 1 2 7 0 水平“1 。此技术在欧美等国得到推广应用，也获得了成功。 早在二十年代哈特曼( h a m n a n n ) 就提出了顶燃式热风炉的设想。顶燃式热 风炉不设专门的燃烧室，而是将拱顶的空间作为燃烧室。这就不会产生燃烧室隔 墙倾斜倒塌或开裂的问题，热风炉构造简单，结构稳定；蓄热室内的气流分布均 匀，可以满足大型化的要求；具有节约钢材和耐火材料的优点。它是高风温热风 炉的发展方向。 随着热风炉高温长寿技术的发展与成熟，新建的2 0 0 0 5 0 0 0 m 3 级高炉多采 用3 座各种形式的现代热风炉，都能满足风温1 2 5 0 5 0 ，寿命2 5 年以上的要 求。德国s m s 。d e m a g 公司为短流程钢厂设计的1 5 0 0 m 3 级紧凑型高炉，采用了 3 座m & p 型高温内燃式热风炉，拱顶温度1 4 0 0 ，热风温度1 2 5 0 ，反映了现 代热风炉的发展趋势1 7 1 。在国外，前苏联的全苏冶金热工研究院对顶燃式热风炉 进行了全面的研究，并于1 9 8 2 年在塔吉尔冶金公司的1 5 0 0 m 3 高炉上建成一座新 型顶燃式热风炉，风温维持在1 1 5 0 1 2 2 0 。c 。在此基础上，创造者自i i 卡鲁金 对该结构作了改进，正式命名为卡鲁金型。这种新结构的特点是：( 1 ) 缩小了球 顶的直径，适应了现有内燃式热风炉改造应用。( 2 ) 改进了环形燃烧器和助燃空 气的供给方式，使空气和煤气很好的混合，燃烧完全。( 3 ) 热风炉火墙和燃烧器 砖型简化。( 4 ) 新设计格孔直径为3 0 m m 的六边形格子砖，增加了加热面积，提 高了蓄热室的热交换系数。整个热风炉的投资可节约5 0 左右。1 9 9 8 年开始“卡 鲁金型”顶燃式热风炉推广到了俄罗斯和乌克兰的冶金工厂的1 3 8 0 m 3 、1 7 1 9 m 3 和3 0 0 0 m 3 高炉上。顶燃式热风炉由于占地少、投资省、风温高的特点，近年来 得到快速推广。 1 2 1 2 提高风温的对策 高炉采用蓄热室热风炉以来，热风温度有了大幅度提高，热风炉的结构和设 备有了很大进步，能耗降低，操作技术日臻完善，热风炉已经成为高效率的热工 设备。但是，随着热风温度的提高，又出现了许多新的问题，需要进一步研究改 进。 东北大学硕士学位论文 第一章引言 现代热风炉设备、结构、节能、操作等方面的改进涉及广泛的理论和实践问 题。首先是热工理论问题。用数学方法解析蓄热室内热交换过程，主要有两种理 论：一是以热交换器理论为基础，通过对计算公式进行修正，致力于寻求适用于 蓄热室的热交换系数；二是以h h a u s e n 为代表，主要研究蓄热室纵向的温度分 布，以及纵向温度随时间的变化规律，同时研究蓄热体内的温度分布。1 9 2 9 年 h h a u s e n 就提出了描绘热风炉蓄热室内格子砖与流动格孔的气体之间的传热数 学模型，并采用特征函数的方法对该数学模型进行了求解，后来又利用热极法对 该模型进行了求解。2 0 世纪6 0 年代r b u t t e r f i e l d 等采用数值积分的方法对该问 题进行了数值求解，开创了求解该问题的先例，研究了气体的物性、气体与格子 砖之间的对流和辐射传热等因素对格子砖热交换的影响 8 1 0 实践中，提高风温的中心内容是提高热风炉的燃烧温度( 火焰温度) 。目前， 较为实际和普遍采用的手段就是把热风炉用的高炉煤气和空气双预热，达到2 5 0 3 5 0 。c 的水平，相应的由于燃烧温度提高，热风炉的拱顶温度达到1 3 5 0 1 5 0 0 。常规热风炉之所以只能维持1 0 0 0 左右的低风温水平，不是容量因素 不足，即不是简单多烧高炉煤气能解决的，而是强度因素不足，即高炉煤气因热 值太低，造成燃烧温度太低，自然不能把拱顶温度提高，只有将高炉煤气和空气 进行双预热以提高其物理热，才能提高理论燃烧温度，拱顶温度也随之得以提高。 附) j n 自w 热换热系统( a d d i t i o n a lp r e h e a t i n gh e a t - e x c h a n g es y s t e m ) 简称a p h s 。 是建造一座燃烧炉，利用过剩的高炉煤气产生高温烟气，并与热风炉废气混合后 进入金属换热器，分别对空气和煤气进行预热，这是利用低熟值高炉煤气获得高 风温的高效预热技术。日本神户制钢利用此方法可将助燃空气预热到4 5 0 。c ，煤 气预热到1 8 0 。c ，风温达到1 1 0 0 以上9 1 。最具典型的是德国迪林根( d i l i n g e n ) 罗尔5 号高炉( 2 2 0 0 m 3 ) 采用的附加加热换热器系统中，建有两台金属换热器， 一座燃烧炉，利用循环的废气可将助燃空气预热到5 0 0 。c ，煤气预热到2 5 0 。c ， 用单一的高炉煤气可将风温提高到1 2 8 5 ；1 0 1 + 热风炉排入烟道的废气温度虽只有2 0 0 3 0 0 ，但废气量大，带走的热量 相当多。七十年代末开始研究利用热风炉废气的热量，其发展十分迅速。据1 9 8 1 年1 0 月的统计，日本设有废气利用装置的高炉占7 0 以上，而且对提高风温有 很大的帮助1 。 在燃烧装置的发展方面，最初采用的是金属燃烧器，由于燃烧过程中出现振 动现象，同时在燃烧室中引起共振，对砖衬有破坏作用。六十年代西德地得公司 首次在热风炉上采用套筒式陶瓷燃烧器。它具有燃烧能力大，气体混合均匀，燃 烧稳定，流量调节比大等优点，在新建或改造的热风炉上迅速得到了推广。陶瓷 4 东北大学硕士学位论文第一章引言 燃烧器按照燃烧方式可分为3 种：有焰燃烧器、无焰燃烧器和半焰燃烧器。有焰 燃烧器的典型结构是套筒式和矩形陶瓷燃烧器；无焰燃烧器的典型结构是栅格式 陶瓷燃烧器；三孔式陶瓷燃烧器属于半焰燃烧器。 在耐火材料方面，随着高风温热风炉的发展，对耐火材料的材质提出了愈来 愈高的要求。特别是在高温区使用的耐火材料的性能，它对热风炉的寿命和操作 安全有重大影响。在最初的热风炉中，高温部位使用普通粘土转，但一段时间以 后，蓄热室格砖下沉，燃烧室隔墙发生倒塌。于是，改善粘土转质量或改用高铝 砖，但原有问题投有杜绝。苏联彼得洛夫斯克冶金工厂于1 9 5 0 年首先使用了硅 砖，其后，在热风炉中得到了广泛应用。其特点是：( 1 ) 在高温区始终保持着良 好的抗蠕变性；( 2 ) 在高温区热膨胀系数小，抗剥落性高：( 3 ) 比重轻，价格便 宜。使用硅砖的热风炉，拱顶温度可达1 5 5 0 1 6 5 0 。c ，风温达到1 3 5 0 c 。 开发应用新型格子砖，通过减少格孔直径来达到增加格子砖蓄热面积的目 的，格子砖砖型的结构对提高传热效率和降低热风炉投资起着重要的作用。在俄 罗斯、德国将小孔格砖作为定型产品已有多年的历史。我国目前采用的七孔砖与 俄罗斯小孔格砖相比，如果将七孔砖改为0 3 0 r a m 的小孔格砖，在蓄热室的尺寸 完全不变的前提下，可增加2 6 的蓄热面积，为热风炉提高送风温度打下了坚 实的基础。 1 2 2 我国概况 1 2 2 1 我国热风炉的现状 热风炉作为为高炉提高热风的设备，能否提供高而稳定的风温，直接影响着 生铁产品的成本、质量和产量。我国高炉热风炉状况如下： 改造型内燃式热风炉 2 0 世纪5 0 年代，我国高炉主要采用传统的内燃式热风炉。后来也逐步引进 了改造型内燃式热风炉，取得了一定的成效。 武钢5 号高炉采用此技术风温最高达到1 2 3 0 c ，4 号高炉日平均温度达到 1 1 8 0 。c 1 2 1 。唐钢2 5 6 0 m 3 高炉采用此技术后，使热风炉具备了提供1 2 0 0 。c 风温 的能力1 1 3 1 外燃式热风炉 在解决传统内燃式热风炉火井倾斜掉砖、烧穿短路的弊病中，产生了将火井 搬出热风炉的设计，从而形成了外燃式热风炉。现在我国高炉常用的外燃式热风 炉为新日铁式热风炉和马琴式热风炉。 宝钢1 号高炉使用新e l 铁式外燃热风炉，自1 9 8 5 年投产以来，风温一真维 东北大学硕士学位论文第一章引言 燃烧器按照燃烧方式可分为3 种：有焰燃烧器、无焰燃烧器和半焰燃烧器。有焰 燃烧器的典型结构是套筒式和矩形陶瓷燃烧器；无焰燃烧器的典型结构是栅格式 陶瓷燃烧器 j 孔式陶瓷燃烧器属丁半焰燃烧器。 在耐火材料方面，随着高风温热风炉的发展，对耐火材料的材质提出了愈来 愈高的璺求。特别是在高温区使用的耐火材料的性能，它对热风炉的寿命和操作 安全有重大影响。在最初的热风炉中，高温部位使用普通粘土转，但一段时间以 后，蓄热室格砖下沉，燃烧室隔墙发生倒塌。于是，改善粘土转质量或改用高铝 砖，但原有问题投有杜绝。苏联彼得洛夫斯克冶金工厂于1 9 5 0 年首先使用r 硅 砖，其后，在热风炉中得到了广泛应用。其特点是：( 1 ) 在高温区始终保持若是 好的执蠕变性；( 2 ) 在高温区热膨胀系数小，抗剥落性高：( 3 ) 比重轻，价格便 宜。使用硅砖的热风炉，拱顶温度可达1 5 5 0 1 6 5 0 。c ，风温达到1 3 5 0 。c 。 开发应用新型格子砖，通过减少格孔直径来达到增加格子砖蓄热面积的目 的，格子砖砖型的结构对提高传熟效率和降低热风炉投资起着重要的作用。在俄 罗斯、德国将d q l 格砖作为定型产品已有多年的历史。我国目前采用的七孔砖与 俄罗斯小孔格砖相比，如果将七孔砖改为中3 0 m m 的小孔格砖，在蓄热室的尺寸 完全不变的前提下，可增加2 6 的蓄热面积，为热风炉提高送风温度打f 了坚 安的基础。 1 2 2 我国概况 1 , 2 2 1 我国热风炉的现状 热风炉作为为高炉提高热风的设备，能否提供高而稳定的风温，直接影响着 生铁产品的成本、质量和产量。我国高炉热风炉状况如下： 改造型内燃式热风炉 2 0 世纪5 0 年代，我国高炉主要采用传统的内燃式热风炉。后来也逐步引进 了改造型内燃式热风炉取得了一定的成效。 武钢5 号高炉采用此技术风温最高达到1 2 3 0 c ，4 号高炉目平均温度达到 1 1 8 0 。ce 1 2 i 唐钢2 5 6 0 m 3 高炉采用此技术后，使热风炉具备了提供1 2 0 0 风温 的能力1 3 1 外燃式热风炉 在解决传统内燃式热风炉火井倾斜掉砖、烧穿短路的弊病中，产生了将火井 搬出热风炉的设计，从而形成了外燃式热风炉。现在我国高炉常用的外燃式热风 炉为新日铁式热风炉和马琴式热风炉。 宝钢1 号高炉使用新日铁式外燃热风炉，自1 9 8 5 年投产以来，风温一直维 宝钢l 号高炉使用新口铁式外燃热风炉，自1 9 8 5 年投产以来，风温一直维 东北大学硕士学位论文 第一章引言 持在1 2 0 0 2 2 以上，最近又升到1 2 5 0 2 2 。鞍钢6 号高炉马琴式热风炉风温能够达 到1 1 0 0 t 1 1 5 0 的水平。 顶燃式热风炉 顶燃式热风炉利用炉顶空间进行燃烧，取消了侧燃烧室和外燃烧室，其结构 对称，温度区分明。 中国首钢型 顶燃式热风炉在1 9 世纪就有人提出设想，到2 0 世纪6 0 年代才引起重视和 开始研究这种热风炉。中国科学院和首钢从2 0 世纪6 0 年代开始研究实验，于 1 9 7 8 年建成了首钢2 号高炉顶燃式热风炉，这是世界上第一座大型顶燃式热风 炉。2 0 世纪9 0 年代首钢大修改造的2 5 0 0 m 3 级高炉都采用了这种顶燃式热风炉。 首钢3 号高炉顶燃式热风炉从1 9 9 2 年投产已经1 0 多年的时间，各设备运行正常， 比较好的适应大型高炉的生产要求，风温一真维持在1 1 0 0 的水平。1 9 9 7 年， 邯钢4 号( 9 1 7 m 3 ) 高炉利用大修改造的机会，将原来的考贝式热风炉改为顶燃 式热风炉，投产后，热风温度达到1 1 0 0 1 1 5 0 2 2e 1 4 。 俄罗斯卡鲁金型 俄罗斯卡鲁金型热风炉在我国也有成功应用。莱钢3 号高炉在大修改造中采 用了国内外提高风温的一些新技术，如：燃烧干法煤气，空气、煤气双预热，采 用卡鲁金顶燃式热风炉和新型格子砖等，使热风温度达到1 2 0 0 2 2 ，热风炉寿命 达到3 0 年。3 号高炉投产后，风温已达到1 2 0 0 2 2 ，完全达到了设计要求，而且 仍有能力达到更高风温1 15 , 球式热风炉 球式热风炉属于顶燃式热风炉，只是不砌格子砖，将耐火球直接装入热风炉 的蓄热室内。从1 9 7 4 年球式热风炉结合布袋除尘，先后在l o o m 3 以下的高炉上 得到了普遍的推广，基本上解决了小高炉长期低风温的局面。 成都钢铁厂1 9 9 1 年3 1 8 m 3 高炉采用球式热风炉，取得成功，单一烧高炉煤 气，风温可达到1 0 8 0 2 2 左右。现在，我国新上的3 0 0 4 0 0 m 3 高炉多采用球式热 风炉1 1 6 。柳钢于2 0 0 3 年9 月先后将球式热风炉用于6 号7 5 0 m 3 高炉、7 号1 0 8 0 m 3 高炉，取得了纯烧高炉煤气达到1 2 0 0 2 2 风温的水平。柳钢球式热风炉具有如下 特点：( 1 ) 采用具有热容量大、导热性能好、强度高的刚玉质耐火球；( 2 ) 采用 大功率环形无焰陶瓷燃烧器，利用单一低热值高炉煤气获得1 2 0 0 2 2 以上的高风 温；( 3 ) 特殊的拱顶设计增加了拱顶结构的稳定性，保证了送风时气体流场的均 匀分布，可延长热风炉寿命和获得高风温。 z s d 型热风炉 6 东北大学硕士学位论文第一章引言 z s d 型热风炉是内燃式与顶燃式相结合而产生的一种新型热风炉。它是在热 风炉内具有热风通道的顶燃式热风炉。它保持了内燃式和顶燃式各自的优点，同 时又比较好的克服了它们的缺点。 现在安钢、济钢的多座高炉采用z s d 型热风炉，均取得了比较好的效果，风 温在1 0 8 0 - - 1 1 0 0 。c 的水平1 。 中国金属学会炼铁专业委员会对我国热风炉本体的现状进行了全面调查。根 据该调查数据，基本情况如下1 1 8 1 ( 1 ) 热风炉座数。配备4 座热风炉的高炉4 2 座，占被调查总数的3 1 5 8 ； 配备3 座热风炉的高炉9 1 座，占被调查高炉总数的6 8 4 2 。 ( 2 ) 热风炉形式。被调查热风炉总数4 4 1 座，其中外燃式6 3 座( 所占比例 1 4 2 9 ) ，内燃式3 0 3 座( 6 8 7 1 ) ，顶燃式6 2 座( 1 4 ，0 6 ) ，球式1 3 座( 2 9 4 ) 。在我国热风炉的形式是多种多样的，其中内燃式为主，顶燃式也占较大的 比例。 ( 3 ) 单位炉容蓄热面积( 见表1 1 ) 。表中的数据表明，绝大多数高炉的单 位炉容蓄热面积都达到8 0 m 2 m 3 以上，只有少数高炉小于7 0m 2 i n 3 。( 近年来， 许多高炉特别是中小高炉由于冶炼过程的强化，送风量增加很多，因此仅仅用单 位炉容蓄热面积来衡量热风炉的加热能力显然难以反映实际情况。) 表1 1 热风炉单位炉容蓄热面积的分布情况 t a b l e1 it h ed i s t r i b u t e ds i t u a t i o no f h o tb l a s ts t o v eu n i ts t o v et o t h er e g e n e r a t i o na r e a ( 4 ) 拱顶温度( 见表1 2 ) 。在所调查的热风炉中，拱顶温度1 3 5 0 。c 的占 2 6 ，因此，可以看出，拱顶温度过低是严熏影响我国热风温度进一步提高的第 一大障碍。另外，有一部分热风炉送风时间过长，造成拱顶温度降低过多，也是 风温偏低的一个原因。 ( 5 ) 废气温度。被调查高炉废气温度一 4 5 0 的6 座( 6 3 ) 。 东北大学硕士学位论文第一章引言 表1 2 热风炉拱顶温度的分布情况 t a b l e1 2t h ed i s t r i b u t e ds i t u a t i o no fh o t b l a s ts t o v ea r c ht e m p e r a t u r e ( 6 ) 耐火材料。我国热风炉上部高温区采用低蠕变高铝砖的占绝大多数， 其比例达到近9 0 ，而采用硅砖的仅占1 2 左右。低蠕变高铝砖与硅砖相比， 具有性能差和价格高的缺点，高风温热风炉采用低蠕变高铝砖不是一种合理选 择。国外几乎全部高风温热风炉高温区都采用硅砖。 另外，我国许多热风炉的管道系统是按照苏联或宝钢引进的设计思路进行设 计的。这些热风炉管道系统对膨胀的处理都存在一些问题，无法适应高1 1 5 09 c 的高风温要求 1 9 1 。 1 2 2 2 提高风温的对策 近2 0 年来，我国高炉装备水平有了很大提高。由于高炉喷煤量的增加，提 高热风温度的要求日益迫切，在提高热风温度方面，我国高炉工作者做了大量的 工作，开发了许多行之有效的新技术，归纳起来有以下几个方面： 提高热风炉的拱顼温度； 降低拱顶温度与风温的差值； 普遍改进了热风炉的结构、设备和耐火材料。 ( 1 ) 提高拱顶温度 拱顶温度的确定 由耐火材料的理化性能确定。为防止因测量误差或燃烧控制的不及时而烧坏 拱顶，一般将实际的拱顶温度控制在比耐火材料荷重软化点低t 0 0 c 左右。 由燃料的含尘量确定，格子砖因渣化和堵塞而降低寿命。产生格子砖渣化的 条件是煤气的含尘量和温度，见表1 3 表1 3 不同含尘量允许的拱顶温度 t a b l e1 3t h ep e r m i s s i o na r c ht e m p e r a t u r eo f d i f f e r e n td u s tc o n t e n t 东北托学硕士学位论文 第一章引言 拱顶温度与热风温度的关系 根据国内钋高炉生产实践统计，大中型高炉热风炉拱顶温度比平均风温高 1 0 0 2 0 0 。c ，图1 ，1 所示。小型高炉热风炉拱顶温度比平均风温高1 5 0 3 0 0 。c 。 热 风 温 度 ， 拱顶温度 c 图1 1热风温度与拱顶温度的关系 f i g1 1r e l a t i o no f m g hb l a s tt e m p e r a t u r ea n da r c ht e m p e r a t u r e 拱顶温度与理论燃烧温度的关系 由于炉墙散热和不完全燃烧等因素的影响，我国大中型热风炉实际拱顶温度 低于理论燃烧温度7 0 9 0 。 ( 2 ) 配用高发热量煤气提高拱顶温度 仅烧高炉煤气 湿高炉煤气q d w 每1 0 0 k j m 3 ，t 4 相应2 4 ，见表1 4 表1 4 高炉煤气不同发热量的理论燃烧温度 t a b l e1 4t h e o r e t i c a lc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r eo f t h eb fg a s 注：高炉煤气含h 2 0 5 ，煤气温度3 5 ，空气温度2 0 c 高炉煤气混入焦炉煤气 高炉煤气混入不同量的焦炉煤气，混合煤气的发热量q d w 及理论燃烧温度如 图1 2 所示。依据图中计算采用的高炉煤气和焦炉煤气成分，每增加1 焦炉煤 气，混合煤气q d w 约增加1 5 0 k j m 3 ，在混合量不超过1 5 以前，每1 焦炉煤 气提高理论燃烧温度tg 约1 6 c 。 9 东北大学硕士学位论文第一章引言 理 论 燃 烧 温 度 混入天然气， 图1 2高炉煤气混入焦炉煤气后的q d w 与t _ 值( t * 1 _ 3 5 ) f i g1 2q a w & t o f m i x t u r eg a sw i t hb fg a sa n dc o k eo v e ng a s 理 论 燃 烧 温 度 l3579 混入天然气m 图1 3 高炉煤气混入天然气后的q n w 与tt 值 f i g1 3 q d w & tlo ft h eb fg a sm i n g l i n gw i t hn a t u r a lg a s 湘钢1 号高炉在高炉煤气中添加1 5 2 o 的焦炉煤气后，可燃成分增加， 煤气的理论燃烧温度升高，使高炉入炉风温水平达到了1 0 9 3 ，比未加前提高 了2 2 c ，取得了可观的经济效益。 高炉煤气混入天然气 高炉煤气混入天然气后，混合煤气的q d w 与tm 如图1 3 所示。依据图中采 1 0 东北大学硕士学位论文 第一章引言 用的高炉煤气和天然气成分，每增加1 的天然气，混合煤气的q d w 约增加3 2 5 k j m 3 ，t 。随之提高约2 34 c 。 高炉煤气混入转炉煤气 1 9 9 6 年8 月宝钢2 、3 号高炉都进行了使用转炉煤气试验，在风温1 2 0 0 。c 情 况下，转炉煤气完全代替了高发热值的焦炉煤气，3 号高炉8 月份在不使用焦炉 煤气的情况下，使用转炉煤气o 5 6 6 g j t 和高炉煤气1 3 5 3 g j r ，热风温度平均达 到1 2 1 9 t 2 0 1 。 ( 3 ) 预热助燃空气和煤气 预热助燃空气对理论燃烧温度t 。的影响，见表1 5 列出的几种发热量的煤 气，在不同助燃空气温度时的ts 值。 从表中可以看出助燃空气在8 0 0 。c 以内时，每升高1 0 0 。c ，相应提高tn 3 0 3 5 。 表1 5 几种发热量的煤气在不同助燃空气温度下的t 目 c t a b l e1 5 t e m p e r a t u r eo ft h ec o a lg a s e sa i d i n gw i t ht h ed i f f e r e n t l ya i r 注：高炉煤气( h 2 0 5 ) ，b 女= 1 1 0 表1 6几种发热量的煤气在不同预热温度下的t _ c f i g1 6t e m p e r a t u r eo f t h ec o a lg a s e su n d e rt h ed i f f e r e n tp r e h e a t i n g 注：高炉煤气( h 2 0 5 ) ，b 一1 1 0 预热煤气对理论燃烧温度t 。的影响，表1 6 列出的几种发热量的煤气在不 同温度下的t m 。 由表中可知，煤气预热温度每提高1 0 0 。c ，相应提高t4 约5 0 。c 。 同时预热助燃空气和煤气对理论燃烧温度的影响 助燃空气和煤气同时预热时，提高理论燃烧温度的效果为两者分别预热的 东北大学硕士学位论文 第一章引言 效果之和，见图1 4 。 理 论 燃 烧 温 度 1 0 02 0 03 0 04 0 0 煤气预热温度 c 图1 4 空气、煤气温度与理论燃烧温度的关系 f i g1 4r e l a t i o n so f a i r , c o a lg a st e m p e r a t u r ea n dt h e o r e t i c a lc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r e 在预热方式上有自身预热法和双预热法。 自身预热法 1 9 6 8 年，济铁1 号高炉( 8 4 m 3 ) 首创自身预热法，获得了1 1 0 0 1 1 5 0 的 高风温。9 0 年代的邯钢1 2 6 0 m 3 高炉、鞍钢1 0 号高炉( 2 5 8 0 m 3 ) 的热风炉设计 先后采用了自身预热法，在实际运行中可以获得1 2 0 06 c 的高风温1 2 1 l 。 双预热法又包括烟气预热和附带燃烧炉预热两种方法。 烟气预热法 武钢4 号高炉( 2 5 1 6 m 3 ) 和5 号高炉( 3 2 0 0 m 3 ) 均使用低温热管换热器， 利用热风炉废气余热把高炉煤气和助燃空气预热至1 3 0 。c ，高炉的热风温度达到 1 1 5 0 。马钢3 0 0 m 3 高炉利用热风炉废气余热来预热热风炉的煤气和空气，分别 从常温提高到1 4 0 1 5 0 c 和1 8 0 2 0 0 。c ，从而使热风炉的效率提高了7 5 ，高 炉入炉风温从1 0 3 4 。c 提高到了1 0 9 1 1 2 2 1 。 附带燃烧炉预热法 为了提高煤气和助燃空气的预热温度，此流程在热风炉附近增设一个附加的 燃烧炉燃烧低热值的高炉煤气。燃烧产物进入平均温度约2 5 0 的热风炉废气中， 以