我國熱風爐及耐火材料的技術發展與建議

李庭壽 張頤 魏新民 姚朝勝

隨著現代煉鐵技術的進步，高爐向大型化、長壽化和高效低能耗方向發展。據統計，在我國現有1370余座高爐中，大于1000m3容積的高爐約有227座，比2009年增加了36座。4000m3容積以上特大型高爐約20座，占世界4000m3容積以上高爐的約40%。沙鋼5800m3高爐于2009年10月21日投產，首鋼京唐鋼鐵公司曹妃甸1#、2#5500m3高爐分別于2009年5月21日和2010年6月26日順利投產。首鋼京唐鋼鐵公司曹妃甸5500m3高爐應用了高爐煤氣布袋式全干法除塵、TRT發電、無料鐘爐頂、先進的煤粉噴吹系統、BSK頂燃式熱風爐等68項自主創新和集成創新的先進技術，打破了國外公司對特大型高爐及爐頂設備的技術壟斷，投產以來，高爐利用系數、送風溫度、燃料比、焦比等主要技術經濟指標為我國特大型高爐最好水平，達到國際領先水平。

高爐煉鐵技術的飛速發展，與高風溫、長壽化、高效低能耗的熱風爐的技術進步密切相關。本文概括總結了熱風爐與耐火材料的技術發展歷程，分析討論了熱風爐用耐火材料的損毀機理和性能要求，探討了熱風爐技術的發展方向和熱風爐用耐火材料的品種配置。對頂燃式熱風爐用耐火材料的品種配置、質量要求和硅磚熱風爐的烘爐、涼爐技術等進行了介紹。

1.熱風爐向高風溫、長壽命、低能耗、高效化方向發展

1.1 熱風爐的結構特點及類型

熱風爐是為高爐加熱鼓風的設備，是一種蓄熱式的熱交換器，用于預熱向高爐鼓的風，為高爐的高效操作提供穩定的高溫度的熱風。熱風爐的風量、風溫應滿足高爐煉鐵的需要。風溫是高爐煉鐵的廉價能源，高風溫是實現高爐煉鐵高效化和低能耗的重要手段之一。提高鳳溫可顯著增加高爐噴煤量，降低焦比，降低燃料比，減少CO2排放量，降低生鐵生產成本。目前，國內外普遍采用了高風溫熱風爐技術，平均風溫在1100～1250℃，個別達1350℃。我國重點企業的風溫平均為1158℃（2009年）、1152℃（2010年上半年）。

根據熱風爐的燃燒室和蓄熱室的布置結構不同，熱風爐一般可分為內燃式、外燃式和頂燃式3種類型。目前，3種類型熱風爐在我國并存（包括特大型、大型、中型及1000m3以下的高爐）。內燃式熱風爐分為普通內燃式和DANIELI CORUS（原荷蘭霍戈文公司）改進型內燃式熱風爐；外燃式熱風爐分為地得式（Dider）、考柏式（Koppers）和馬琴式（M&P，Matia and Pagenstecher）；頂燃式熱風爐分為卡盧金（Kalugin）頂燃式（包括首鋼與卡盧金聯合開發的5000m3級高爐頂燃式熱風爐的專利技術BSK）和山東省冶金設計院股份有限公司（簡稱SDM）改進式頂燃式（發明專利）。

1.2 我國熱風爐的發展

1) 1950年以來，熱風爐主要是傳統的普通內燃式熱風爐，至今許多中小型高爐還在使用普通內燃式熱風爐。該爐型比較適應拱頂溫度＜1320℃、風溫＜1100℃的生產要求，但不能適應和滿足高風溫、高風壓等技術發展要求。

2) 1969年，DANIELI CORUS開發出改進型內燃式熱風爐，在歐美等國家得到成功應用。改進型內燃式熱風爐是對傳統內燃式熱風爐的重大優化和改進，也稱之為高風溫長壽熱風爐。1980年后，引入我國。

改進型內燃式熱風爐，其關鍵技術是使砌體結構有可靠的高溫穩定性。熱風爐拱頂砌磚形狀設計為懸鏈線形，改善砌體受力條件，提高結構穩定性，同時，有利于高溫煙氣流在蓄熱室端面上的均勻分布；拱頂與大墻磚結構脫開，其載荷由爐殼承受，使兩者的膨脹互不影響，改善拱頂砌體的受力狀態；采用矩形陶瓷燃燒器確保煤氣與空氣充分混合均勻，消除燃燒的脈動并提高蓄熱室的有效面積。

通過合理設置的膨脹縫和滑動節點，使墻體成為獨立的板塊結構，既保持砌體結構的獨立性和密封性，又不產生破壞性應力。在隔墻砌體的中下部設置高性能的隔熱磚，以提高隔墻兩側的溫度梯度，并在隔墻冷面設置特殊結構的不銹鋼板，提高隔墻的結構穩定性與氣密性；另外，在砌體和開孔部位廣泛采用組合磚，以提高易破損部位砌體結構的穩定性、氣密性。蓄熱室采用帶凹凸槽的高效格子磚。

我國煉鐵科技工作者于1970年代，開始研發高溫改造內燃式熱風爐。受當時技術水平和耐火材料制造技術與成本等限制，燃燒器、隔墻和送風系統等問題沒能很好解決，最終還是引進了改進型內燃式熱風爐。實際上，我國引進建設的改進型內燃式熱風爐，所用的耐火材料都是我國耐火材料企業生產的。

本鋼 3#2600m3、新 1#4747m3、8#4350m3、邯鄲2座 3200m3、武鋼 4#2200m3、5#6#7#3座 3200m3、鞍鋼1#2580m3、鞍鋼9#3200m3、新1#3200m3、唐鋼2000m3、2560m3等高爐均采用了改進型內燃熱風爐，平均風溫為1150-1200℃。

3) 國外于1960年代推廣外燃式熱風爐。日本、德國等通過使用陶瓷燃燒器，外燃式熱風爐的風溫可達1300-1350℃。1980年以來，我國開始應用外燃式熱風爐，風溫和壽命均得到明顯提高。

外燃式熱風爐是內燃式熱風爐的進化與發展，外燃式熱風爐將燃燒室移至爐外，燃燒室和蓄熱室縱向平行設置在兩個筒體內，拱頂用聯絡管連接；拱頂和燃燒室頂部聯接方式的變化（即燃燒室頂部與蓄熱室頂部間的連接結構不同），形成了不同類型的外燃式熱風爐。起初，爐型分為地得式、馬琴式和考柏式三種類型。后來，新日鐵在馬琴式和考柏式基礎上開發了新日鐵式（NSC）。其主要特點是：蓄熱室拱頂與燃燒室拱頂的直徑大小相同，減小了拱頂下部砌體的荷重；拱頂結構對稱，煙氣在蓄熱室中分布均勻，傳熱效率提高。發展演變到現在，外燃式熱風爐主要有地得式和新日鐵式兩種類型。

寶鋼 1#4966m3、2#4706m3、3#4350m3、4#4747m3等高爐的熱風爐均為新日鐵式外燃式熱風爐。近年來新建的天鋼2200m3、太鋼4350m3、鞍鋼10#2580m3、馬鋼新區2座4000m3等高爐也都采用了新日鐵式外燃式熱風爐。鞍鋼鲅魚圈2座4038m3、沙鋼5800m3等高爐采用PW-DME外燃式熱風爐。外燃式熱風爐的送風風溫可達1200～1350℃。

4) 2000年以后，頂燃式熱風爐得到高度重視，并迅速在我國推廣。迄今，全世界共有近100座不同容積的高爐采用了頂燃式熱風爐，得到了業內的高度認可。SDM和北京鋼協冶金科技發展有限公司完成的“大型高爐頂燃式熱風爐的研究與應用”成果，獲2007年度冶金科學技術進步三等獎。從2004年開始，頂燃式熱風爐作為行業的共性關鍵技術，中國鋼鐵工業協會在全國進行推廣。

近2年來，我國在1000、2000、3000m3級高爐成功采用頂燃式熱風爐基礎上，又在4000m3級及以上的特大型高爐上成功開發和應用了頂燃式熱風爐，達到國際領先水平，成為迄今為止掌握特大型高爐頂燃式熱風爐技術的唯一國家，也是首次成功將頂燃式熱風爐應用于4000m3級和5000m3級特大型高爐的國家。SDM給萊鋼設計的1座4000m3高爐于2010年3月18日投產，配置了4座頂燃式熱風爐，純燒高爐干法煤氣，利用煙氣余熱對煤氣和助燃空氣進行預熱，送風風溫為1230～1250℃。首鋼與卡盧金聯合開發的曹妃甸2座5500m3高爐的BSK頂燃式熱風爐，投產至今，運行效果很好。1座5500m3高爐配置4座頂燃式熱風爐，純燒高爐干法煤氣，預熱煤氣和助燃空氣，送風風溫穩定達到1300℃。

頂燃式熱風爐可理解為外燃式熱風爐的一種特殊形式，即把燃燒室縮短到極點后把燃燒器倒置的結構。

1979年，首鋼開發出了頂燃式熱風爐，并在國際上首次成功將頂燃式熱風爐應用于1000m3以上的高爐（1979年，首鋼2#1327m3高爐配置了4座頂燃式熱風爐），最高風溫曾達1200～1250℃。但由于將熱風出口、燃燒器、高溫燃燒區都集中在拱頂，其結構較大且復雜、薄弱環節多；熱風爐的主要設備也都布置在拱頂周圍，使熱風爐拱頂周邊結構更加復雜化并給操作帶來困難，導致頂部結構強度差，爐殼溫度高，拱頂溫度只有約1200℃，長期穩定運行的風溫較低，一般約1100℃，因而首鋼的頂燃熱風爐沒有得到進一步發展。后來的卡盧金小拱頂頂燃式熱風爐很好的解決了上述問題。卡盧金頂燃式熱風爐于1990年代中后期在俄羅斯和烏克蘭的1386～3200m3的高爐上得到應用，2000年初開始引入我國。2002年，SDM結合我國國情和耐火材料特點，在卡盧金基礎上開發出了具有自主產權的改進式頂燃熱風爐（2004年獲批發明專利200410071143.8—預燃室帶隔熱層的頂燃熱風爐）。卡盧金或SDM的頂燃式熱風爐，自上到下主要由預燃（混）室、燃燒室（拱頂）、蓄熱室3部分組成，具有結構簡單、穩定性好、氣流分布均勻、布置緊湊、占地面積小、投資省、壽命長等優點。煤氣、空氣經預燃室混勻后直接在拱頂內燃燒，高溫熱量集中，熱損少，熱效率高，較低的拱頂溫度便可獲得高的風溫。耐火材料的工作條件得到大大改善，上部溫度高，荷重小；下部溫度低，荷重大，配置的耐火材料品種明顯減少，組合磚數量及復雜程度顯著降低，硅磚得到大量應用。

2008年發布的國家標準《高爐煉鐵工藝設計規范》(GB50427-2008)要求:新建或改造的熱風爐要能夠提供1200℃以上的風溫，其壽命要達到20-25年；3000m3級高爐采用內燃或外燃式熱風爐，4000m3級及以上高爐采用外燃式熱風爐。實際上，近年來新建的3000 m3級及以上的高爐中很多都采用了頂燃式熱風爐，并取得了良好效果。

采用SDM技術建設投產的頂燃熱風爐有： 萊鋼3座 1080m3、2座 2240m3、4000m3，通鋼 7#2680m3，攀鋼1280m3，杭鋼1280m3，凌鋼1080m3，重鋼750m3、2座2500m3、1座2500m3在建，印度電鋼公司2座1080m3等高爐（SDM設計或總包）。采用卡盧金技術建設投產的頂燃熱風爐有：萊鋼750m3高爐（SDM設計總包），濟鋼3座1750m3（濟鋼設計院設計）；天鋼3200m3，湘鋼2200m3，唐鋼3200m3，興澄3200m3、濟鋼3600m3等高爐（北京鋼鐵設計院設計）；安鋼2800m3高爐（武漢鋼鐵設計院設計）；首秦1160m3、2200m3、國豐1800m3等高爐（首鋼設計院設計）。首鋼設計院與卡盧金合作以首鋼設計院為主開發設計投產的曹妃甸2座5500m3高爐BSK頂燃式熱風爐。頂燃式熱風爐的送風風溫可以達到1200～1300℃。

1.3 3種熱風爐爐型的簡單比較

相比內燃式（包括改進型）和外燃式熱風爐，頂燃式熱風爐結構對稱、最為簡約合理，工程量小、占地少，投資和維護費最低。殼體內面積有效利用最高，大墻內斷面積可100%用于蓄熱。較低的拱頂溫度便可實現高風溫，耐火材料工作條件明顯改善，可同時做到高風溫和長壽命。近年來，我國新建高爐中已有相當的比例選擇了頂燃式熱風爐，為了提高風溫，內燃式熱風爐改造為頂燃式已成為首選。頂燃式熱風爐已經成為熱風爐技術發展的主要方向。

改進型內燃式熱風爐的燃燒室與蓄熱室縱向平行設置在一個殼體內，大墻內用于蓄熱的斷面積僅為約67%；耐火材料工作條件較差，質量要求苛刻。

外燃式熱風爐燃燒室外置，占地面積大，耐火材料和鋼材消耗量大，基建工程量大，投資高。采用聯絡管與蓄熱室相連接，結構復雜，耐火材料尤其拱頂聯絡管、聯絡管端口、陶瓷燃燒器等制造困難、復雜、造價高。爐體結構受力不均勻，長壽命較困難。

有關的研究表明，當拱頂溫度≥1420℃時，煤氣燃燒后會生成大量的NOx、SOx等酸性氣體。與大氣中的水分或爐殼內的冷凝水反應生成強酸腐蝕劑，不僅污染環境，還腐蝕耐火材料和爐殼，尤其是爐殼一直處于高應力工作狀態，導致嚴重的爐殼的晶間應力腐蝕。解決的辦法是，或控制拱頂溫度不超過1420℃，或爐殼內壁使用耐酸涂料或不銹鋼薄板隔層，并對焊縫進行退火處理，但難度大且增加投資。外燃式和改進型內燃式熱風爐，拱頂溫度與送風風溫間的溫差一般為200℃左右，為獲得高風溫，拱頂溫度一般＞1450℃，必須考慮解決NOx、SOx等酸性氣體對環境的污染問題，爐殼的晶間應力腐蝕問題，以及耐火材料的侵蝕問題等。頂燃式熱風爐的拱頂溫度與送風風溫間的溫差一般≤100℃，較低的拱頂溫度便可實現高的風溫。例如，曹妃甸5500m3高爐，其頂燃式熱風爐的拱頂溫度≤1420℃，送風風溫為1300℃，拱頂溫度與送風風溫間的溫差≤120℃。萊鋼4000m3高爐，其頂燃式熱風爐的拱頂溫度≤1350℃，送風風溫為1230～1250℃，拱頂溫度與送風風溫間的溫差≤100℃。因此，頂燃式熱風爐的拱頂溫度較低，產生的NOx、SOx等酸性氣體量較少，可明顯降低NOx、SOx等酸性氣體對環境的污染、爐殼腐蝕以及侵蝕耐火材料的程度。

1.4 高爐配置熱風爐的座數

高爐一般配置3～4座熱風爐。 配置4座熱風爐，交錯并聯送風，爐役中后期，一座熱風爐出現故障檢修情況下，采用3座熱風爐工作，使高爐熱風溫度不致出現過大的波動，但配置4座熱風爐將明顯增加投資，增加占地面積。

隨著熱風爐技術與配套設備、耐火材料發展，熱風爐設計日趨完善，控制系統日益成熟可靠，耐火材料不斷優化質量更高，施工安裝大直徑熱風爐的技術與手段不斷完善，高風溫和長壽熱風爐的技術日趨完善，熱風爐操作也更加平穩可靠，熱風爐不再是影響高爐穩定操作的限制性環節。一座高爐配置3座熱風爐應成為發展的方向。

我國目前已投產的高爐，小于4000m3的高爐大多采用了3座熱風爐的配置，大于4000m3的特大型高爐多數配置4座熱風爐。近2年投產的特大型高爐中，例如，曹妃甸5500m3、萊鋼4000m3等高爐配置了4座頂燃式熱風爐，濟鋼3600m3高爐配置了3座頂燃式熱風爐，沙鋼5800m3高爐配置了三座PW-DME外燃式熱風爐。高爐配置三座熱風爐，采用二燒一送的送風制度，風溫調節控制依靠混風實現。

2.熱風爐用耐火材料的發展

2.1 耐火材料的損毀機理

1) 熱應力

熱風爐是交換器，反復加熱和送風，耐火材料長期處于冷熱交替的工作狀態，受到熱應力的反復作用，造成砌體容易開裂、裂紋擴展、剝落。對應措施是要求耐火材料的抗熱震性能要好。

2) 化學侵蝕

高爐煤氣燃燒后，一方面生成的低熔點的灰分附著于砌體的表面，高溫下形成低熔點的玻璃液相，或與砌體內低熔點雜質相反應；另一方面產生的NOx、SOx等酸性氣體，高溫下與耐火材料組分發生化學反應。二者均能導致耐火材料的侵蝕，耐火材料組織結構的破壞，損壞爐子砌體。對應措施是選用純度高、雜質含量少尤其是堿性氧化物如K2O、Na2O、CaO等雜質含量少的酸性或偏酸性耐火材料。

3) 高溫下的機械載荷作用 。

熱風爐是一種較高的建筑物，燃燒室下部砌體承受著很大的整體載荷，在機械載荷、高溫、溫變和化學侵蝕等的同時作用下，砌體發生收縮變形、開裂、剝落，影響使用壽命。對應措施是高溫區的耐火材料的抗蠕變性能、抗熱震性能等性能要好，中低溫區的耐火材料的強度要高。

2.2 熱風爐用耐火材料品種的演變

根據耐火原料資源特點和使用要求，我國耐火材料工作者，持續研發，成功開發出并應用了許多耐火材料新品種，適應并滿足了我國熱風爐技術的不斷發展要求，并成為世界上最大耐火材料出口國家。

1）1980年以前，熱風爐的高溫區主要使用普通高鋁磚，中低溫區使用普通黏土磚。

2）1980年到1990年代末，我國成功開發出1250～1550℃系列低蠕變高鋁磚和1200～1450℃系列低蠕變黏土磚，替代高鋁磚和黏土磚得到廣泛應用。熱風爐高溫區的部分區域開始采用硅磚和硅磚格子磚。

3）2000年后，硅磚取代低蠕變高鋁磚用于拱頂和上部高溫區的蓄熱室等高溫區的部位，熱風管道采用低蠕變高鋁磚或紅柱石磚。頂燃式熱風爐的高溫區（約＞900℃以上區域）全部采用了硅磚和硅磚格子磚。有的設計院在頂燃式熱風爐蓄熱室的中部區域的高溫和低溫過渡區，也設計采用了一定高度的低蠕變高鋁磚作為過渡帶。頂燃式熱風爐成功采用19孔或37孔格子磚取代傳統的7孔或9孔格子磚后，在內燃式和外燃式熱風爐中也開始推廣采用。

2.3 耐火材料設計選材的原則建議

優化設計、合理配置，依據我國耐火資源特點和耐火材料的各項性能綜合選材。

1）將高溫區上移，并選擇配置質量相對較輕、高溫性能合理的耐火材料，盡量減輕中上部高溫區耐火材料的質量。

2）以滿足高風溫、長壽命為目的，根據熱風爐不同部位的使用要求和損毀機理，依據耐火材料的高溫體積穩定性、高溫荷重蠕變性、熱膨脹性、換熱效率和化學侵蝕性能等，以及不同材質品種的高溫熱學性能、高溫力學性能等性能的相互匹配性和相容性，綜合選材、合理配置。設計者應該熟悉了解耐火材料的主要生產工藝和產品性能，做到選材科學合理，“量體裁衣”，避免為了設計“安全”而盲目追求過高（余）的性能指標或選材配置不當，使熱風爐的投資“人為”加大或因配置不當而降低壽命。

3）選用酸性或偏酸性耐火材料。中高溫區應全部設計為優質硅磚，取代高溫區用低蠕變高鋁磚的傳統設計；中低溫區全部為高強度優質黏土磚。

硅磚屬酸性耐火材料，其荷軟溫度、抗蠕變性能、高溫抗熱震性能和高溫體積穩定性等各項高溫性能指標均比低蠕變高鋁磚好的多，在中高溫區完全可以全部取代低蠕變高鋁磚。硅磚價格約為低蠕變高鋁磚的30%；硅磚的體積密度約為低蠕變高鋁磚的67%（1500℃低蠕變高鋁磚墻磚體積密度為2.75g.cm-3，硅磚為1.85g.cm-3）。同樣體積的硅磚取代同樣體積的低蠕變高鋁磚后，將減少單座熱風爐約33%的自身質量，降低單座熱風爐耐火材料投資約70%。顯著減輕中下部耐火材料的荷重，大幅度降低熱風爐的投資。

我國優質硅石原料和優質黏土（包括焦寶石）原料豐富、質量好。近年來，由于我國煉鋁行業的快速膨脹發展，優質鋁釩土礦多已被煉鋁行業或地方政府“征用、占用”，耐火材料用優質高鋁釩土資源已近“枯竭”，不多的高鋁釩土熟料（包括均化料）價高貨緊，低蠕變高鋁磚的生產已近“無米下鍋”，在目前價格被“招標”壓得很低情況下，難以采購到“真品”。合格的低蠕變高鋁磚價格，目前應不低于10000元/噸。

有的設計單位或企業，在頂燃式熱風爐的蓄熱室的中部一定高度區域內，即硅磚與黏土磚之間，設計采用了一定高度的低蠕變高鋁磚（包括大墻和格子磚），名曰過渡層，并宣傳為“技術亮點”，實際上有害無益。所謂過渡層的最高溫度一般＜1100℃，配置高牌號的1450℃以上的低蠕變高鋁磚，不僅增加投資，還因為低蠕變高鋁磚的抗熱震性能＜黏土磚＜硅磚，抗NOx、SOx等酸性氣體的侵蝕能力＜黏土磚＜硅磚，低蠕變高鋁磚的體積密度＞黏土磚＞硅磚，導致自上到下，硅磚、低蠕變高鋁轉、黏土磚的高溫熱學、化學和高溫力學等性能上的不匹配，并額外增加了下部黏土磚的荷重。所以，所謂的配置低蠕變高鋁磚過渡層的做法，對提高熱風爐的壽命和降低熱風爐的投資等均無益處。

3.熱風爐的發展建議

3.1 采用頂燃式熱風爐，強化燃燒能力，提高燃燒效率，加大單位風量換熱面積，強化換熱效率，縮短送風時間（30～45min），有效回收廢氣熱量，提高總的熱效率。

3.2 采用單一高爐干法除塵煤氣作為燃料，充分利用廢氣的余熱對煤氣、助燃空氣進行預熱。在確保送風溫度≥1250℃的前提條件下，控制頂燃式熱風爐的拱頂溫度≤1400℃，縮小拱頂溫度與送風鳳溫間的溫差為≤100℃。

3.3 選擇酸性或偏酸性耐火材料。中高溫區采用優質硅磚，中低溫區采用高強度優質黏土磚。蓄熱體采用19孔或37孔格子磚。熱風爐耐火材料的壽命≥25年。

3.4 一座高爐配置3座熱風爐。特大型高爐也應向配置3座熱風爐的方向發展。

4.頂燃式熱風爐用耐火材料

4.1 頂燃式熱風爐結構特點

綜合卡盧金和SDM的專利技術，頂燃式熱風爐的結構如圖1所示。可見， 頂燃式熱風爐的結構簡約合理，自上到下，由預燃室、燃燒室（拱頂）、蓄熱室3部分組成。

預燃室（空氣－煤氣的預混室，不在此處燃燒），設置在燃燒室（拱頂）上部，獨立支撐在爐殼上；煤氣與助燃空氣以最佳角度、最佳速度、渦流噴射方式進入預燃室、均勻混合，然后通過燒嘴進入拱頂燃燒室內完全燃燒，燃燒后的高溫熱量，在蓄熱室內形成均勻的橫向溫度分布和縱向溫度場，蓄熱換熱效率高。熱風出口位于拱頂內的下部，格子磚砌體以上的位置，與熱風管道相連接。較低的拱頂溫度與送風溫度間的溫差（＜ 100℃），便可實現高的送風溫度。冷風入口與廢氣出口位于熱風爐的底部。

圖1 頂燃熱風爐結構示意圖

預燃室分內腔、環腔和內襯3部分，環腔分為上部環腔（供應煤氣的煤氣環腔）和下部環腔（供應空氣的空氣環腔）；內襯包括第一內襯（設置于內腔與環腔之間）和第二內襯（上部環腔與下部環腔之間）。預燃室內墻為錐型結構，在預燃室與拱頂（燃燒室）之間設置可移動的隔熱層，降低對預燃室的熱輻射。

頂燃式熱風爐的上部，屬于高溫區，耐火材料承受的載荷較小；下部屬于低溫區，耐火材料承受的載荷較大。

4.2 頂燃式熱風爐各部位耐火材料的品種配置的建議

我國現有的熱風爐用耐火材料的標準，都是針對內燃式熱風爐（包括改進型）和外燃式熱風爐制定的，沒有單獨的頂燃式熱風爐用耐火材料的標準，基本是參照或直接采用卡盧金和我國現有標準進行頂燃式熱風爐耐火材料的選材設計。頂燃式熱風爐與內燃式（包括改進型）和外燃式在設計結構上有很大不同，各部位用耐火材料的工作條件得到很大改善，卡盧金的前蘇聯標準也不適合我國國情。因此，需要在現有熱風爐用耐火材料的標準基礎上，進行完善修訂，形成具有我國耐火資源特點的，適合頂燃式熱風爐使用要求的耐火材料規范或標準。

根據多年來對頂燃式熱風爐的設計及所用耐火材料的研究和生產供貨經驗，從滿足高風溫、長壽命和降低投資并結合我國耐火原料資源、產品特點等綜合考慮，頂燃式熱風爐各部位用耐火材料的品種配置、主要性能指標建議如下：

1）設計要求

純燒高爐干法煤氣，利用廢煙氣余熱進行雙預熱。正常生產時，拱頂工作溫度≤1400℃，送風溫度≥1250℃，拱頂溫度與送風溫度間的溫差≤100℃。耐火材料一代壽命＞25年。

2）預燃（混）室

工作溫度＜1000℃，工作層耐火材料主要受煤氣、空氣高速沖刷的作用，以及拱頂燃燒室內煤氣燃燒后產生的高溫熱輻射作用等。

環腔、管道和外環等部位的材質，建議采用優質黏土磚HRN-42，主要性能指標為：Al2O3≥42%，Fe2O3≤1.5%，體密≥2.15g.cm-3，荷軟≥1450℃，熱震≥25次（1100℃水冷），1200℃蠕變≤0.2%，1200℃2h的重燒線變化為±0.2%，常溫耐壓強度≥50MPa。優質黏土磚的生產應以優質焦寶石（特級和一級）和結合黏土為主原料進行生產。

燒嘴采用抗熱震的莫來石--堇青石復合磚MG-60，主要性能指標為：Al2O3≥60%，K2O+Na2O≤0.5%，體積密度≥2.35g.cm-3，荷軟≥1500℃，熱震≥50次（1100℃水冷），1450℃2h的重燒線變化為±0.1%，常溫耐壓強度≥50MPa。

外保溫磚選擇輕質黏土磚NG-0.8。

環腔、外環和燒嘴等必須加工、組合、預砌筑，單獨編號包裝。

3）拱頂燃燒室和中上部蓄熱室

拱頂燃燒室燃燒時的最高溫度≤1400℃，送風時溫度降至最低約1250℃，拱頂耐火材料長期受到燃燒、送風、燃燒的溫度周期波動變化的溫變熱應力作用。中上部蓄熱室是指約900～1000℃以上區域。拱頂和蓄熱室的中上部的溫度范圍內，適合使用硅磚，因此，拱頂磚和中上部蓄熱室的大墻磚和格子磚（19孔或37孔），全部采用優質硅磚。外墻保溫磚為輕質硅磚GGR-1.2。拱頂支撐選擇高強度黏土磚HRN-48。

硅磚在約900～1000℃至1670℃荷軟溫度之間的高溫區域，幾乎沒有收縮變形，始終保持高的強度，高溫體積穩定。但當溫度降到一定溫度以下過程中（理論上約＜700℃），由于硅磚內的高溫晶型與低溫晶型間的轉化伴隨著較大的體積變化，將導致硅磚剝落或崩裂。對硅磚性能的主要要求是：SiO2≥95%，K2O+Na2O≤0.5%，Fe2O3≤1.0%，殘余石英＜1%，真密度為2.29～2.34g.cm-3, 體積密度≥1.85g.cm-3（格子磚≥1.8g.cm-3），荷軟≥1670℃，對高溫蠕變性能、抗熱震性能、線變化率等可以不作要求。洛陽新安縣鐵門硅石原料屬結晶型硅石，雜質少、荷軟高，建議首選以洛陽鐵門產的硅石為原料生產的硅磚。

拱頂要求分解設計、預砌筑。熱風出口采用硅磚組合磚組裝。格子磚要求預砌3～5層進行驗收。

拱頂支撐部位不接觸高溫，主要起對拱頂的支撐作用，因此選擇高強度黏土磚HRN-48，要求荷軟≥1450℃，常溫耐壓強度≥60MPa。

4）中下部蓄熱室

溫度＜900～1000℃以下的區域。大墻和格子磚采用與預燃室相同的優質黏土磚HRN-42。

外保溫磚為輕質黏土磚NG-0.8。

爐底以及廢氣口、冷風口等荷載高的低溫區采用優質黏土磚RN-42，主要性能要求：Al2O3≥42%，荷軟≥1200℃，熱震≥5次（1100℃水冷），常溫耐壓強度≥50MPa；或著為了減少品種數量，保持與蓄熱室中下部用磚在性能上的均勻一致性，直接設計采用與中下部蓄熱室相同的優質黏土磚HRN-42。

5）熱風管道

熱風管道的位置較高，因受到長期的周期性間歇性送風的溫度變化作用，是易損部位，常常發生管道燒紅、漏風甚至變形破壞，嚴重影響向高爐輸送的熱風的風溫和穩定性。因此，應高度重視熱風管道。進一步優化熱風管道的設計；進一步優選抗熱震性能好、體積穩定、體積密度較小的耐火材料，優化磚型結構和砌筑方式；強化熱風管道尤其彎管的隔熱保溫。

目前，熱風管道磚多采用1500℃低蠕變高鋁磚RDL-75（例如RH22）進行加工組合。低蠕變高鋁磚的抗熱震性能較差，體積密度大（體積密度≥2.75g.cm-3），質量重，價格高。建議選用抗熱震性能好的紅柱石磚HA-55替代低蠕變高鋁磚。紅柱石磚的主要性能要求：Al2O3≥55%，體積密度≥2.35g.cm-3，常溫耐壓強度≥50MPa，荷軟≥1550℃，熱震≥50次（1100℃水冷），1200℃2h的重燒線變化率為±0.1%。紅柱石磚的生產應以優質紅柱石并配一定比例的莫來石等為原料進行生產。

6）熱風爐砌筑耐火材料的配套火泥，熱風爐用的耐火材料噴涂料，熱風爐各部位保溫隔熱用的耐火纖維和纖維噴涂等，對熱風爐爐體的壽命、氣密性和隔熱保溫等也非常重要。有關品種配置、性能要求等內容，本文不再贅述。

5.熱風爐采用硅磚的基本要求

5.1 硅磚的最低使用溫度范圍要在＞600℃～800℃以上。根據石英在加熱或冷卻過程中的晶型轉化特點，硅磚在600℃以下時，易發生晶型轉化，耐熱崩裂性能較差。600℃以上，硅磚的熱膨脹率幾乎與溫度的變化無關。因此，規定硅磚的最低使用溫度范圍要在＞600～800℃以上，實際上一般按＞900℃進行設計。

5.2 硅磚中的殘余石英必須＜1%，以消除在爐役過程中，硅磚中的殘余石英和鱗石英、方石英在低溫下發生晶型轉化。

5.3 硅磚的雜質含量要低，以避免高溫使用過程中，硅磚中產生玻璃液相，影響高溫性能。洛陽鐵門結晶硅石原料雜質少、荷軟高，較適合生產熱風爐用硅磚。

5.4 熱風爐的烘爐制度和休風檢修時的降溫制度，要嚴格參照硅磚的燒成、冷卻曲線進行。操作過程中，800℃以下要緩慢加熱或冷卻，以免爐體坍塌。制定溫度制度時要有耐火材料供貨企業技術人員參加。大型隧道窯有較嚴格科學的硅磚燒成和降溫制度，熱風爐選擇硅磚時，應選用隧道窯燒成的產品，避免同座熱風爐采用多家企業生產的產品。

6.硅磚熱風爐的烘爐、保溫與涼爐技術

6.1 嚴格按烘爐曲線進行烘爐

硅磚熱風爐烘爐的總要求是嚴格按烘爐曲線進行烘爐，前期升溫速度要慢、平穩，防止升溫過程中溫度波動，禁止突升突降。如果實際溫度超過升溫計劃，不準降溫，只能保溫等待。

2000年，攀鋼1260m3高爐外燃式熱風爐第一次大修時第一次采用硅磚，根據硅磚燒成曲線等綜合制定的烘爐制度，烘爐總時間為17.5d，至今為國內最短，此后，攀鋼陸續大修的5座高爐的硅磚熱風爐的烘爐時間均為20d左右。

2007年9月28日順利投產的通鋼7#2680m3高爐3座頂燃式熱風爐，根據工期等計劃要求，烘爐時間分別為28d（2#熱風爐）和32d（1#、3#熱風爐）。

6.2 采用專業烘爐器烘爐，使用油或燃氣為燃料，經配風、調節溫度后噴入爐內，不允許火焰直接接觸耐火砌體，確保烘爐曲線的完整性。

6.3 硅磚熱風爐的長周期保溫技術

高爐停爐或熱風爐檢修時，根據停爐時間長短與檢修的部位和設備，要采用一定的保溫技術，以保持硅磚砌體溫度不低于600℃，廢氣溫度不高于400℃。例如，鞍鋼采用了燃燒加熱保持爐頂溫度，送風冷卻，控制廢氣溫度的方法，稱之為“燃燒加熱、送風冷卻”保溫法。該法是硅磚熱風爐保溫的一項有效措施。不管高爐停爐時間多長，這種方法都適用。鞍鋼10#高爐（1994年）新舊高爐轉換，停爐期間，采用該法保溫138d，效果好。寶鋼1#高爐熱風爐也成功地進行了硅磚熱風爐的長周期保溫。

6.4 硅磚熱風爐涼爐再生產技術

硅磚具有良好的高溫性能和低溫（600℃以下）下的體積不穩定性。過去，硅磚熱風爐一旦投入生產，就不能再降溫到600℃以下，否則會因突然收縮，造成硅磚砌體的坍塌。經大量試驗研究，硅磚熱風爐的涼爐和再生產有兩種方法：自然緩慢涼爐和快速涼爐。自然緩冷涼爐方法可行，但耗用時間較長，影響施工工期。1985年鞍鋼在6#高爐硅磚熱風爐上進行了快速涼爐試驗，用14d便將爐子成功地涼了下來，并成功地實現了反復再生產。說明硅磚熱風爐快速涼爐是可行的，硅磚熱風爐可以跨代使用。

7.結語

⑴ 隨著熱風爐向高風溫、長壽命、低投資和高效低能耗方向的發展，熱風爐的爐型結構不斷優化進步。頂燃式熱風爐是重要的發展方向，已得到了廣泛重視和應用。我國已成為迄今為止掌握并成功的在特大型高爐（4000m3級和5000m3級）上應用頂燃式熱風爐技術的唯一國家，居國際領先地位。

⑵ 頂燃式熱風爐結構簡約合理，較低的拱頂溫度便可獲得較高溫度的風溫。耐火材料的工作條件明顯改善，使用的耐火材料品種數量明顯減少。酸性或偏酸性的硅磚和黏土磚是兩個主要使用的品種。

中上部高溫區（＞900～1000℃的區域）全部采用硅磚，中下部中低溫區全部采用黏土磚，配置合理。不僅有利于頂燃式熱風爐的高風溫、長壽命，還可大幅度降低投資，符合我國耐火材料資源特點。

應高度重視熱風管道，確保高溫度的熱風向高爐的穩定輸送。進一步研究優化熱風管道的設計，優化耐火材料的選材以及磚型結構和砌筑方式，強化熱風管道尤其是彎管的隔熱保溫。

⑶ 熱風爐設計工作者應該主動與耐火材料工作者結合，依據我國耐火材料資源特點和產品性能，共同研究選擇制定合理的耐火材料品種與配置方案。除對耐火材料的物理化學指標和高溫性能指標提出合理要求外，對耐火材料生產用的主要原料和主要工藝裝備也應作出合理的限定。

應避免為了所謂的“設計安全”，額外的甚至不合理的提高或增加對耐火材料性能的要求，而不是根據實際熱風爐工況，實事求是的去“量體裁衣”，合理配置選材。否則，不僅對熱風爐的高風溫、長壽命和降低投資不利，還由于當前流行的“最低價中標”的不科學的招標做法，使“中標的價格與設計的產品質量要求不符”，而引發耐火材料供貨企業進行“造假、摻假”。“價不實，貨必不真”，造成熱風爐存在較大的隱患，常常達不到設計要求而提前檢修或大修。