独立拱顶顶燃式热风炉别树一帜

近几年，引进版的顶燃式热风炉（见图1）以其风温高、炉体低、投资省等特性，被配套使用在我国炼铁高炉上。然而，10多年来的生产实践验证，这种引进版顶燃式热风炉存在着诸多致命的结构缺陷。其燃烧室锥形拱顶是直接设置在燃烧室大墙和热风出口之上，采用优良且膨胀系数很大的硅砖作内衬，在高温使用条件下，燃烧室大墙、拱顶按其燃烧室高度和温度，一般膨胀量为15厘米~25厘米。尤其是热风出口部位有膨胀力和反膨胀力的相互作用，加之拱顶的重力、下滑力、剪切力、送风高压力、回缩力等的综合作用，热风炉热风出口处频繁损坏，导致锥形拱顶垮塌。而且这种热风炉采用煤气、空气预混燃烧模式，加剧了预燃室燃烧和送风转换期的巨大温差，使得预燃室喷嘴损坏、旋流高温，导致耐材剥落、蓄热室大墙变形等问题成为常态。这些问题虽然是结构细节缺陷，但是严重影响了产量，提高了燃料比，降低风温100摄氏度~200摄氏度，大幅度增加了企业成本。

　　目前，我国钢铁企业炼铁高炉配套的这种引进版顶燃式热风炉，大约有一半以上是“带病”工作。其主要症状表现为热风炉燃烧室结构和热风出口结构高温、灌浆以及垮塌须维修成为普遍现象，既影响风温和节能，增加污染物排放，又给企业增添了诸多维修、维护的麻烦。

　　河南省豫兴热风炉工程技术有限公司（以下简称豫兴公司）消化吸收国内外顶燃式、内燃式、外燃式等热风炉的先进技术，并在长期的实践研究中，博采众长，创新推出一种优化版的独立拱顶顶燃式热风炉（见图2）及其系统技术，使热风炉更为节能、环保、长寿命，高风温变为现实。

　　豫兴公司董事长刘世聚谈到本企业的上述成就时，充满了自信和自豪。

　　拱顶氧化腐蚀问题不容忽视

　　之前，我国中小型高炉配套的引进版顶燃式热风炉存在的结构缺陷，通过改进优化，可以实现稳定长寿，发挥最佳高风温的作用。但是，如果仍将这种“带病”的结构复制、放大，使用在之后发展起来的大型高炉上，其存在的结构稳定隐患，以及由此因素带来的热风炉损坏的经济损失将更大。例如，某钢企5000立方米级高炉配置的引进版顶燃式热风炉，风温保持在1220摄氏度~1230摄氏度的水平，其热风炉外部拱顶钢壳就出现了较严重的高温氧化和腐蚀现象，预示这种热风炉内部结构已经发生变化。豫兴公司经过跟踪研究发现，这是因为热风炉燃烧室拱顶内衬硅砖在高温升温、降温频繁和温差转换过程中出现了膨胀、收缩和疲劳，导致炉壳与炉衬在多方向应力和重力作用下形成间隙，高温驻留在缝隙的夹层所致。这种现象在我国高炉配置的引进版顶燃式热风炉中较为常见。

　　拱顶结构稳定方能长寿

　　燃烧室拱顶受力合理是热风炉稳定长寿的关键。引进版的顶燃式热风炉燃烧室拱顶结构的受力方向，如图1箭头所示，存在着重力、下滑力、剪切力、送风高压力、回缩力等的综合作用。热风炉受力结构合理，燃烧室拱顶结构才能实现稳定、长寿和高风温。耐火材料质量、筑炉质量和操作对炉体垮塌的影响因素很有限，因此，解决结构细节缺陷尤为重要。

　　另外，引进版的顶燃式热风炉燃烧室结构和预燃室还存在上下部温差较大的缺陷，这是因为引进版顶燃式热风炉煤气、空气设置为预混长焰燃烧模式。公开的数学计算资料显示：燃烧、送风转换期的喷嘴处温差波动在835摄氏度~920摄氏度，这样大的温差是造成采用耐火材料的燃烧室、预燃室结构不稳定的因素之一。因此，提高燃烧室和预燃室耐火材料质量，优化预混长焰燃烧模式，缩小燃烧室、预燃室温差，减小高膨胀耐火材料的各种应力作用，可以延长预燃室和拱顶寿命，避免拱顶垮塌、炉壳高温、淋水等严重事故。

　　拱顶结构改进优化稳步推进

　　热风炉燃烧室结构和预燃室结构稳定，热风炉结构就稳定长寿，适应高风温而节能。

　　针对上述引进版顶燃式热风炉燃烧室结构缺陷带来的隐患，优化解决的办法是：将在高温使用环境中的拱顶和直段大墙膨胀的叠加量分段分散减小，将容易塌陷的热风出口的大墙和设置在其上的异形拱顶分离，减小燃烧室拱顶的重力、下滑力、膨胀力对热风出口旋砖和炉壳方向的的综合力作用，稳定热风出口结构和拱顶结构，以满足长期高风温的需求。

　　这就形成了豫兴公司独特的独立拱顶顶燃式热风炉。热风出口大墙与其上方的燃烧室拱顶实施分离设计，由增设在炉壳之上的支撑托圈单独支撑锥形拱顶（见图2），有效地将叠加其上的膨胀力和来自其他方向的应力转移至炉壳上。当消除了热风出口大墙上部的燃烧室拱顶重力作用时，其膨胀量和应力就微不足道，其结构趋于稳定。

　　采取独立燃烧室拱顶结构后，其热风炉内衬缺陷被消除。同时豫兴对热风炉热风出口钢壳增加筋板、热风出口钢壳上下炉体增加环箍，以减少热风炉的送风压力、回缩力对燃烧室直段炉壳和内衬的椭圆变形作用，并保持燃烧室拱顶结构的稳定和长寿。

　　图1和图2通过对比可以明显看出：独立拱顶顶燃式热风炉的拱顶受力结构和热风出口结构得到合理改善，几乎不存在拱顶结构损坏和热风出口垮塌的弊端。豫兴采用悬链线拱顶对这种燃烧室拱顶结构实施切割优化改造，也是稳定、长寿热风炉结构的一种理想选择。

　　目前，河北省辛集奥森钢铁公司新6号1080立方米高炉、河北省中铁装备制造1号2500立方米高炉等配套的这种顶燃式热风炉，全部由豫兴公司承担了拆除、优化改造的工程任务，并在石家庄地区出现了敬业钢铁厂、石家庄钢铁厂、辛集奥森钢铁厂3个厂配有47座豫兴热风炉的景象。

　　燃烧室结构调整增强稳定性

　　除了利用独立燃烧室拱顶结构对顶燃式热风炉实施优化外，豫兴还对引进版顶燃式热风炉在预燃室结构上进行了优化：一是对喷嘴砖增加子母口定位，二是将煤气、空气喷嘴优化为水平排列的交错混合形式。经数模计算、实验室测试、现场测试和热风炉实际操作验证，燃烧方式优化后的温度场和风温有所提高。

　　豫兴公司对引进版顶燃式热风炉的温度场分布和独立拱顶调整燃烧方式后的温度场分布进行了对比，发现：引进版顶燃式热风炉的预混燃烧模式，在燃烧状态时，预燃室的温差达到1000摄氏度左右；而独立拱顶顶燃式热风炉对其混合燃烧模式进行调整后的温度场，在燃烧模式时，预燃室温差仅有128摄氏度，这将大大改善预燃室的耐火材料工作环境。独立拱顶燃烧室结构稳定，预燃室结构也稳定，热风炉结构就稳定。

　　管道优化提高热风炉效率

　　引进版顶燃式热风炉的煤气、空气预混旋流混合长焰燃烧模式，预燃室温差大，易发生煤气喷嘴结构损坏，而且燃烧器功率小，燃烧时间长，高温在单位时间内的储热量受限，使送风时间缩短，送风初期和末期温差大，降低了热风炉应有的效率。

　　今年8月16日，豫兴公司针对山西省高义钢铁公司同时建设的3号1080立方米高炉配置的引进版顶燃式热风炉和3号1080立方米高炉配置的豫兴悬链线顶燃式热风炉，进行了全天的实际运行数据跟踪对比。传统三岔口结构在高义3号高炉的引进版顶燃式热风炉管道上仍然发生了高温问题。而4号高炉豫兴悬链线顶燃式热风炉管道采用Z字型，三岔口采用D字型结构。结果显示，管道三岔口的D字型结构是稳定的、切实可行的、能适应1300摄氏度~1400摄氏度高风温的新型结构。

　　创新研发喜结硕果

　　近年来，豫兴公司热风炉工程技术研究中心研究开发的系列豫兴型顶燃式热风炉，以混合均匀、燃烧完全、燃煤气量小、空气过剩系数低的短焰燃烧模式，取代了性能差的长焰燃烧模式，并以其结构稳定、风温高脱颖而出，成为影响现代行业高风温、长寿、节能的主流技术之一。

　　豫兴公司联合有关设计院设计承建和改造的345座豫兴热风炉，在高风温运行过程中得到了良好的实践验证。尤其是山西通才公司1860立方米高炉热风炉，创造了月平均1314.7摄氏度的高风温纪录。

　　豫兴公司联合有关设计院设计的旋流交错顶燃式热风炉达到国际领先技术水平，承建的450立方米~2500立方米的高炉热风炉已达121座。

　　豫兴公司承担大修的中铁装备公司1号2500立方米高炉1号、2号顶燃式热风炉的热风出口、拱顶、燃烧器等整体结构，承诺20年不用大修。

　　今年8月豫兴公司承接了浙江衢州元力3号、4号高炉6座引进版顶燃式热风炉的技术改造任务，承诺改造后的结构稳定性、风温都有大幅度提高。

　　豫兴系列顶燃式热风炉不仅在国内市场大受欢迎，而且享誉海外。

　　今年3月5日，豫兴公司与达涅利公司在北京签署了豫兴顶燃式热风炉国际合作协议，现在正在联合投标印度JSW公司5300立方米高炉热风炉。

　　豫兴公司研发的具有自主知识产权的适用于卡卢金顶燃式热风炉预燃室HRK抗热震材料工艺和制品，已授权卡卢金公司在独联体地区独家代表经销。

　　目前，我国乃至全世界3200立方米~5578立方米高炉的所有卡鲁金公司设计的卡鲁金顶燃式热风炉，其预燃室的HRK抗热震材料全部按照豫兴公司研制的工艺指标执行。

　　在成绩面前，刘世聚显得从容淡定。他说：“为祖国的炼铁工业节能减排、降耗增效，豫兴人责无旁贷”。