顶燃式热风炉的应用与发展探讨

1、试验研究顶燃式热风炉的应用与发展探讨黄东生,王荣恩(山东省冶金设计院有限责任公司,山东济南250014摘要:介绍了顶燃式热风炉的应用与发展情况,分析了存在的问题,如对热风管道的补偿要求更高,刚性炉底上翘等。提出了通过优化烧嘴结构、加强模拟分析、改进炉底结构,合理配置热风管道和选取过渡区高度,配置不同企业要求的烘炉燃烧器、调整烧嘴角度和数量等改进措施和研究内容,顶燃式热风炉会有巨大的发展空间。关键词:高炉;顶燃式热风炉;热风管道;炉底结构;燃烧器中图分类号:TF578文献标识码:A文章编号:1004-4620(200804-0030-03收稿日期:2008-04-29作者简介:黄东生,男,196

2、6年生,1988年毕业于东北工学院冶金机械专业。现为山东省冶金设计院有限责任公司科技质量部主任,高级工程师,从事烧结、炼铁设计和研究工作。1顶燃式热风炉应用现状我国是世界上最早采用顶燃式热风炉的国家,20世纪70年代末,以首钢为代表的我国炼铁工作者成功开发了顶燃式热风炉,在首钢2号高炉(1327m 3上成功应用1。此外,球式热风炉在我国450m 3级高炉上得到了普遍应用,通过柳钢集团的努力,球式热风炉也应用到了1000m 3级高炉,取得了突破性的进展。承德钢铁公司的旋流式热风炉也得到应用,取得了良好的效果。2001年,俄罗斯带预燃烧室的顶燃式热风炉进入我国,并得到了快速地发展。目前国内实际应用

3、的顶燃式热风炉有:顶燃式热风炉、旋流式热风炉、球式热风炉和带预燃烧室的顶燃式热风炉。经过近20a 的发展,带预燃烧室的顶燃式热风炉的结构不断改进,性能和指标有了较大提高。从实际生产运行效果来看,在同样条件下,与内燃式热风炉相比,顶燃式热风炉热风温度提高100,根据空气和煤气预热情况的不同,风温维持在11801200,最高达到1250,效果理想,和国内常用的热风炉相比,节省投资、风温更高、更实用。从2001年起,莱钢在国内首次采用带预燃烧室的顶燃式热风炉,并先后建设的银山1#、2#1880m 3高炉,莱钢银南1#、2#1080m 3高炉,莱钢股份公司1#、2#1000m 3高炉和3#、4#750

4、m 3高炉,莱钢集团永峰钢铁公司1080m 3高炉都采用了带预燃烧室的顶燃式热风炉。部分其他企业从20022008年也相继采用了带预燃烧室的顶燃式热风炉。2顶燃式热风炉存在的问题根据莱钢使用情况,带预燃烧室的顶燃式热风炉仍存在一些问题,只有解决好这些问题,才能使带预燃烧室的顶燃式热风炉在我国得到更好地应用。2.1热风管道顶燃式热风炉的热风出口位于拱顶下部,位置较高,炉子纵向热膨胀较大,不能忽略;热风出口处是炉子直径最大处,温度也最高,要考虑热风炉拱顶处径向热膨胀对热风总管的影响;热风总管与热风围管不在同一高度,如何过渡及过渡的热风竖管纵向、径向热膨胀对热风总管的影响也需要考虑。另外,要尽量减少

5、盲端力及减少对热风围管的推力。由于以上特点,造成热风管道的设计不同以往内燃式热风炉热风管道的设计,需考虑的因素较多,如果设计不合理会造成热风管道出现严重事故。山东省冶金设计院有限责任公司(简称冶金设计院在设计中,先后采用两种方式,一种是通过在过渡的立管处设置补偿器的方式;另一种是通过竖管过渡的方式。第二种方式更为理想,申请了热风总管与热风围管不在同一高度的热风管道补偿装置专利,按此设计的热风管道使用效果良好。2.2刚性炉底上翘顶燃式热风炉采用了刚性炉底结构,此结构土建施工简单,炉子直接座于基础上。从使用效果看,基本没有问题,但存在炉底上翘现象。分析认为有3个原因:1焊接应力。刚性炉底封板与钢梁

6、焊接时,钢梁上部受热而下部没被加热,钢梁产生焊接应力,产生变形。2温度应力。炉底钢梁与炉壳为刚性连接,热风炉烘炉到正常生产后,炉壳与钢梁温度不一致,两者热膨胀不一致,造成温度应力,产生变形。3炉内压力。炉内压力有使炉底钢梁变形的趋势,如果炉底钢梁刚性不足,则会产生变形。其中温度应力是主要原因。可见,现有结构无法消除炉底上翘现象,特别是对于大型高炉和气候寒冷地区,由于热风炉直径大,炉壳与炉底钢梁温差大,炉底上翘现象更为严重,这种情况不能采用刚性炉底结构。解决方法是将热风炉分为2类:1对于大型第30卷第4期2008年8月山东冶金Shandong M etallurgyVol.30,No.4Augu

7、st 2008!"!"!"!"30高炉和气候寒冷地区的高炉不宜采用刚性炉底结构,宜采用钢性与柔性相结合的炉底结构,特别对>1500m3高炉的热风炉必须如此。2对中小型高炉和气候适宜地区的高炉,特别是<1500m3高炉,仍可采用刚性炉底结构,但要调整施工顺序、焊接顺序和焊缝的具体结构,减少焊接应力,有条件的要对刚性炉底进行整体热处理,同时采取措施降低炉壳和炉底钢梁的温度差。2.3硅砖格子砖的高度硅砖高温性能好,耐火度高,荷软达1670,高温体积稳定,但热震性较差。顶燃式热风炉温度梯度分布稳定,适合采用硅砖。工程中,拱顶、蓄热室上部的格子砖和对应

8、部分的墙砖采用硅砖。整个蓄热室格子砖分为二段,上部采用硅砖格子砖,下部采用黏土质格子砖,在总高度上约各占一半。硅砖与黏土砖转换区的下部硅砖,在短期停炉或检修时,转换区位温度不能低于900,否则会发生相变产生,损坏硅砖。另外,硅砖虽然高温性能好,但密度较轻,约1.9t/m3,蓄热室约一半空间采用硅砖格子砖,格子砖的重量降低较多。因此,考虑到转换区的安全性和提高格子砖蓄热量,应提高转换区高度并适当减少硅砖格子砖的用量,这样可以实现既提高转换区温度,又增加格子砖重量的目的,即在整个高度格子砖分布为:硅砖1/3、低蠕变高铝砖(或红柱石砖1/3、低蠕变黏土砖1/3。2.4烘炉燃烧器顶燃式热风炉的烘炉,由

9、于拱顶采用硅砖,要求前期升温速度较慢,用主燃烧器无法烘炉,采用设于拱顶的启动燃烧器进行烘炉,但对于没有焦炉煤气和高炉煤气的企业,就会产生一系列问题。对于没有焦炉煤气的钢铁厂,采用天然气和液化气,对燃烧温度的控制除了加大配风外,还应考虑掺入N2进行稀释,拱顶温度烘到900后要投入主燃烧器进行烘炉。如果没有高炉煤气,拱顶温度烘到900后就要用天然气或液化气代替高炉煤气,投入主燃烧器进行烘炉。此时,只调空燃比,无法控制预燃室温度,且预燃室煤气燃烧喷口断面积较大,如果天然气或液化气流量太少,流速太低,会造成回火爆炸。因此,既要保证天然气流量不能太少,又要能控制预燃室温度,就要考虑配加N2的可能性。3顶

10、燃式热风炉的研究改进3.1目前顶燃式热风炉的研究方向1冶金设计院在顶燃式热风炉预燃室结构、热风管道补偿、启动燃烧器、刚性炉底方面进行研究,解决预燃室耐火材料热震、管道变形、启动燃烧器适应性、炉底上翘等问题,开发集上述改进为一体的第3代改进型顶燃式热风炉2。2华中科技大学与武汉冶金建筑研究院进行了陶瓷燃烧器模型的数值模拟研究,通过对顶燃式热风炉陶瓷燃烧器内气体流动进行了数值模拟,比较了煤气环道有无导流砖时燃烧室至蓄热室间流场特性,得到了模型内气体速度分布。在单烧高炉煤气的情况下,风温可稳定在1200的水平3。3内蒙古科技大学对预燃室和拱顶流动的数值模拟进行研究,应用湍流扩散火焰燃烧模型对热风炉的

11、预燃室和拱顶内的燃烧过程进行了数值模拟研究,确定了燃烧过程中煤气、空气的速度分布4。4北京科技大学和济钢对燃烧室烧嘴角度优化和烟气分布及、冷风烟气匹配进行研究,运用CFD 软件对热风炉的气体燃烧和流动进行数值模拟,得到燃烧室出口烟气速度的分布,对热风炉燃烧室出口烟气的压力和温度分布进行了测试,分析了燃烧室的结构特点和烧嘴角度对燃烧室出口烟气速度分布的影响5-6。5北京科技大学、首钢设计院和中冶京诚对热风炉燃烧期格子砖温度分布进行研究,建立了热风炉蓄热室内传热过程的数学模型,制作了应用程序软件,探讨了不同的格子砖物性参数,如导热系数、比热容和密度等对格子砖温度场分布、气体温度分布和格子砖蓄热量的

12、影响7。3.2顶燃式热风炉的改进冶金设计院设计的第3代改进型顶燃式热风炉有下列改进:1预燃室采用带隔热层的预燃室结构。在热风炉预燃室空间与煤气环腔、空气环腔空间的隔离之间设隔热层,利用隔热层阻断热量从预燃室内墙向煤气环腔、空气环腔内墙的传递途径,降低煤气环腔、空气环腔内墙的温度,降低温度应力。2采用钢性与柔性相结合的炉底结构。对于> 1500m3高炉和气候寒冷地区的高炉采用钢性与柔性相结合的炉底结构,解决由于焊接应力、温度应力、炉内压力造成的炉底上翘现象;同时调整施工顺序、焊接顺序和焊缝的具体结构,减少焊接应力。3改进启动燃烧器结构及烘炉燃烧系统。为适应没有焦炉煤气的企业和既没焦炉煤气又

13、没有高炉煤气的新建企业,改进启动燃烧器结构及烘炉燃烧系统,可以采用天然气和液化气代替焦炉煤气和高炉煤气,控制烘炉时900前的拱顶温度和投入主燃烧器后的拱顶温度。4热风管道。采用竖管过渡并热风总管与热风围管不在同一高度的热风管道补偿装置,解决热风顶燃式热风炉的应用与发展探讨黄东生等2008年第4期31Analysis and Control of Al 2O 3Contents in Blast Furnace FuelXIA Hong-bo 1,ZHANG Qi-feng 1,GAO Jin-sheng 2(1M anufacturing M anagement Department of B

14、aosteel Branch,Shanghai 201900;2Department of Chemical Engineering for EnergyResources,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237Abstract:The Al 2O 3contents in Baosteel s blast furnace fuel were analyzed.It emphasized to analyze the Al 2O 3contents in coking coal and PCI coal.I

15、t was revealed that the correlativity between vitrinite random reflectance and Al 2O 3contents was linearity.And ash and Al 2O 3contents were also lineate.By improving the technology of coal blending and blending coals of very low ash contents and very low Al 2O 3contents,the Al 2O 3contents in coke

16、 can be reduced.To increase the ratio of bituminous coal,the Al 2O 3contents in PCI coal can be reduced.Key words:blast furnace fuel;Al 2O 3;coking coal;PCI coal(上接第29页喷吹煤中Al 2O 3含量。6.4进口炼焦煤和部分进口无烟煤中Al 2O 3含量低于同变质程度国内煤,在价格合适的情况下,可以多配些进口煤,有助于降低配合煤的Al 2O 3含量,最终降低高炉燃料中的Al 2O 3含量。参考文献:1夏幸明.钢铁生产概论M .宝钢职工

17、大学,1990:63.2姚昭章.炼焦学.M .2版.北京:冶金工业出版社,1995:57.3许琪,韩德馨,金奎励,等.煤中49种元素含量与煤岩组分和煤化程度的相关关系J.中国矿业大学学报,1990,19(3:48-57.4沈恒范.概率论与数理统计教程.M .4版.北京:高等教育出版社,2003:246-248;300.Application and Development of Top-firing Hot Blast StoveHUANG Dong-sheng,WANG Rong-en(Shandong Province M etallurgic Engineering Co.,Ltd.,J

18、inan 250014,China Abstract:The application and development of top-firing hot blast stove is introduced.The existing problems for example high requiring for hot blast pipeline compensating and warp of rigid bottom structure etc,are analyzed.The improve measures and researching works for example pre-c

19、hamber with heal insulation wall,improving of bottom structure,suitably hot blast pipeline compensating and height of transition zone,burner for different factory requiring,adjusting burner angle and adjusting burner number etc,are proposed.The future of top-firing hot blast stove is good.Key words:

20、blast furnace;top-firing hot blast stove;hot blast pipeline;bottom structure of hot blast stove;burner出口高度高、热风出口处直径大、温度高、热风总管与热风围管不在同一高度的热风管道补偿问题。5其他。优化烧嘴结构、预燃室烧嘴角度及数量调整、耐火材料调整、蓄热室耐火材料区域分布调整、空煤气预热等方面进行改进。4顶燃式热风炉的发展除莱钢从2001年起采用带预燃烧室的顶燃式热风炉外,天钢3200m 3高炉、安阳3200m 3高炉、通钢2680m 3高炉、济钢1750m 3高炉、杭钢1260m 3高炉、南昌1250m 3高炉、首秦1260m 3高炉、山东石横1080m 3高炉、重钢750m 3高炉、凌钢750m 3高炉、淮钢450m 3高炉、济源450m 3高炉等都采用带预燃烧室的顶燃式热风炉,正在设计和建设中的曹妃店5500m 3高炉、重钢2500m 3高炉和吉林建龙1800m 3高炉、河南汉冶集团1500m 3高炉、山东鲁丽集团1080m 3高炉也采用了带预燃烧室的顶燃式热风