大型高爐熱風爐技術的比較分析

張健欣

摘 要：高爐熱風爐是煉鐵廠高爐重要的附屬設備，隨著高爐熱風爐技術的不斷改進和提高，我國高爐熱風溫度已經逐漸得到了提高。高爐熱風爐于二十世紀五十年代在我國得到應用，當時以內燃式熱風爐技術為主，之后逐漸引入并開發了外燃式熱風爐和頂燃式熱風爐，技術逐步得到了提高。大型高爐熱風爐以外燃式熱風爐和頂燃式熱風爐為主，比較典型的有外燃式熱風爐Didier、NSC和頂燃式熱風爐，該文主要比較分析了三種典型熱風爐的本體結構，并對外燃式熱風爐和頂燃式熱風爐的速度分布、格子磚表面溫度分布、風爐流場進行比較分析。

關鍵詞：大型高爐 高爐熱風爐 外燃式熱風爐 頂燃式熱風爐 拱頂 結構

中圖分類號：TF578 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（b）-0051-01

高爐熱風爐是煉鐵廠高爐重要的附屬設備，煉鐵生產過程中，高爐熱風爐向高爐內部持續鼓入大量的高溫空氣，從而保證高爐中燃燒的焦炭將鐵礦石中的鐵氧化物還原成金屬鐵，能夠能將降低焦比、增加產量。

二十世紀五十年代，我國高爐以內燃式熱風爐為主，不過其在技術方面有許多不完善的地方，同時隨著風溫的增加其缺陷也會更為明顯。到了六十年代，出現了燃燒室與蓄熱室分開的外燃式熱風爐。七十年代，我國開發了頂燃式熱風爐，并且在的高爐上得到了應用。之后對高爐熱風爐進行不斷的完善。從高爐熱風爐的發展過程可以看出，高爐有效容積、強化冶煉程度及爐溫、風壓的不斷提高，致使熱風爐的結構也隨之變化。該文主要比較分析Didier、NSC以及頂燃式三種典型熱風爐的本體結構，并對外燃式熱風爐和頂燃式熱風爐的速度分布、格子磚表面溫度分布、風爐流場進行比較分析。

1 高爐熱風爐的分類

根據現代熱風爐結構形式，應用于4000 m3級別的高爐熱風爐可分為三類，包括內燃式、外燃式以及頂燃式三種。

1.1 內燃式熱風爐

霍戈文熱風爐是內燃式熱風爐的成功代表，其體積小、材料用量少，能夠節省很大一部分的投資，并且其良好的生產效果能夠滿足高風溫和長壽的需求。普通內燃式熱風爐存在一定的缺陷，比如火井偏在一側導致氣流的分布參差，阻礙了直徑的擴大；燃燒室隔墻結構相對比較復雜；拱頂溫度不得超過1320℃、風溫要控制在980～1100℃。

1.2 外燃式熱風爐

大型高爐多采用外燃式熱風爐，目前使用較多且效果好的外燃式熱風爐是新日鐵工外燃熱風爐。其具有結構穩定，防止晶間應力腐蝕，增加了熱風閥的使用壽命等優點。外燃式熱風爐也存在一些缺點，其材料消耗相對較大，異型磚拱頂的復雜結構造成施工比較困難，同時結構不對稱，受力參差。

1.3 頂燃式熱風爐

其撤除了燃燒室，在熱風爐的拱頂直接安裝燃燒器。頂燃式熱風爐將內燃式、外燃式的優點相結合，不僅增強了結構的穩定性、增加了蓄熱面積，而且還降低了熱損失，增加了熱風爐的使用壽命等等。

用于5000 m3級別的高爐熱風爐技術為外燃式熱風爐和頂燃式熱風爐兩種。

2 大型高爐熱風爐技術的比較分析

該文主要比較分析用于5000 m3級別大型高爐熱風爐的外燃式熱風爐和頂燃式熱風爐兩種。

2.1 外燃式和頂燃式熱風爐本體結構的比較

外燃式熱風爐應用較多的類型是得式（Didier）式和新日式鐵式（NSC）外燃式。下面對典型形式的外燃式、頂燃式熱風爐進行比較：

2.1.1 Didier外燃式

（1）布置：一列式。

（2）拱頂特點：2個不同半徑近于1/4球體和半個截頭圓錐組成，尺寸大、結構復雜。

（3）燃燒器：柵格燃燒器，火焰短，空煤氣預熱溫度要求基本相同，對掉物具有較強的敏感性，有火井，可用15年。

（4）氣流：分布較差。

（5）優勢：外形低。

（6）缺點：結構復雜，拱頂溫度高，晶間應力腐蝕問題突出，穩定性差，對溫度差具有較強的敏感性。

2.1.2 NSC外燃式

（1）布置：一列式。

（2）拱頂特點：2個相同半徑半球頂和1個圓柱連聯管組成，尺寸小、結構穩定。

（3）燃燒器：3孔套筒燃燒器，火焰長，需要建立在其它設備比較嚴格的基礎上運行，有火井，可用15年。

（4）氣流：分布較好。

（5）優勢：結構穩定。

（6）缺點：面積大，存在晶間應力腐蝕、聯通管問題。

2.1.3 頂燃式

（1）布置：一列式、矩形、菱形。

（2）拱頂特點：燃燒和蓄熱相結合，拱頂直徑小，具有較強的穩定性，結構對稱。

（3）燃燒器：旋流擴散環形燃燒器，多孔旋流噴射，火焰短，適應性較強，無火井，可使用25年。

（4）氣流：分布良好。

（5）優勢：結構對稱，布置靈活，面積小，原材料消耗相對較小，煙氣分布優，降低了晶間應力腐蝕。

（6）缺點：火器位置高導致管系設計相對較為復雜。

2.2 外燃式和頂燃式熱風爐數值計算定性比較分析

2.2.1 速度分布比較

頂燃式風爐爐內的速度是圍繞熱風爐中心線進行，分布對稱，從而確保煙氣不會出現參差，使之受熱均勻。

外燃式熱風爐在燃燒的過程中，所形成的高溫煙氣不能達到中心對稱的要求進入格子磚，造成受熱參差不均勻，使格子磚的效率無法提高。

2.2.2 格子磚表面溫度分布比較

頂燃式熱風爐格子磚表面的溫度分布比較均勻，最大的溫差也不會超過50℃。

外燃式熱風爐格子磚溫度分布參差，而且相差較大，最大的溫差可高達200℃。

2.2.3 風爐流場比較

頂燃式熱風爐流場比較均勻，圍繞熱風爐中心線旋流向下流入格子磚，使格子磚能夠均勻的受熱。

外燃式熱風爐由于空間結構制約了高溫煙氣，難以均勻的流入格子磚，在流入之前會形成比較大的渦流，導致氣流分配參差，降低結構的穩定性。

3 結語

高爐是消耗能量巨大的專業設備，必須要在大量的熱量基礎上才可以確保冶煉成功，現代熱風爐的發展要求提高熱效率、節約能源、延長使用壽命等。頂燃式熱風爐的本體結構技術、流場傳熱技術都具有明顯的優勢，特別是對于大型高爐來說，具有可觀的經濟效益。

參考文獻

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