馬鋼4號高爐熱風爐系統工藝設計特點探討

侯玉偉，王海鵬，周慶子

（馬鋼集團設計研究院有限責任公司，安徽 馬鞍山 243000）

隨著高爐冶煉的強化及大噴吹的需要，高爐對高風溫越來越迫切。提高高爐入爐風溫是增加噴煤量，降低焦比，提高鐵水產量最有效、最經濟的節能措施。2019年1月—10月，中國鋼鐵工業協會會員單位高爐熱風爐平均溫度為1149℃。

1 設計概況

馬鋼4號高爐（年產鐵水270萬t，以下簡稱“4號爐”）是馬鋼優化資源配置、淘汰落后產能、提升企業綜合競爭力的重點工程，于2016年9月20日舉行了投產儀式，為其配套的熱風爐為3座頂燃式熱風爐（預留第4座熱風爐位置），采用純高爐煤氣（預留轉爐煤氣接口）作為熱風爐燒爐用燃料。4號爐熱風爐系統配置如下：3座頂燃式熱風爐（預留第4座熱風爐位置）；設有A、B框架，主要設備及管道均布置在框架內；設置煙氣余熱回收系統，預熱熱風爐燃燒用助燃空氣和高爐煤氣；助燃風機系統集中送風，2臺風機1用1備；熱風爐本體區主要閥門為液壓傳動，設有集中液壓站；余熱回收系統主要閥門為電傳動，高爐主控室遠程控制；設置80m高煙囪、熱風爐管路系統。受場地限制，4號爐熱風爐系統布置在高爐東西出鐵場兩條鐵路線所夾的狹長地帶。4號爐熱風爐設計參數見表1，主要技術性能參數見表2。

表1 4號爐熱風爐設計參數

2 熱風爐設計特點

2.1 噴射渦流式燃燒器

噴射渦流式燃燒器位于拱頂頂部，以迷宮式的連接方式單獨支撐在爐殼上，與下部的弧段拱頂隔離開來，上下兩層設置若干個帶有一定角度的噴射口。此種燃燒器確保空氣和高爐煤氣在進入蓄熱室之前充分混合，使燃燒更加安全、穩定，最大限度地避免了燃燒時的爆震及脈動，并使燃燒產物沿著格子磚分布更加均勻。

表2 4號爐熱風爐主要技術性能參數

2.2 拱頂結構

拱頂結構依靠自身的質量和砌體之間的鎖緊結構，使拱頂處于整體壓緊狀態，消除了向外的推力。拱頂與熱風爐墻體完全脫離，使得墻體能夠自由膨脹，不影響拱頂結構。

2.3 組合磚及格子磚

在砌體開孔（如人孔、點火孔等）、熱風出口、主支管三岔口、主圍管三岔口部位采用組合磚形式，以提高這些部位砌體的結構穩定性和氣密性，防止熱風爐生產過程中這些部位的砌體發生破損、脫落現象。

熱風爐蓄熱室根據溫度分布的不同，上部為硅磚，下部為黏土磚，在結合面采用逐漸過渡、花砌的辦法以消除兩種不同材質耐火磚因性能差異而出現的問題。設計采用19孔格子磚，直徑為φ30mm，帶凹凸槽。

2.4 無托梁獨立支撐爐箅子

采用獨立支撐的無托梁式爐箅子，材質為RQTSi-4Mo。這種爐箅子的優勢在于在提高廢氣溫度的基礎上，消除了爐箅子間的熱應力影響，防止爐箅子在溫度波動和熱膨脹過程中損壞。另外，分流板可以保護下層格子磚避免受損，并在較高溫度下運行。

2.5 合理的熱風管道系統

（1）熱風支管采用獨特的垂直管+水平管方式。熱風支管垂直管與本體內襯采用迷宮滑縫連接，同時在垂直管上設置波紋補償器，當熱風爐加熱升高時，這種內襯及結構設計可以消除熱風爐本體升高對熱風支管內襯的損壞。獨特的熱風支管設計使得熱風總管高度始終與熱風圍管保持同一標高，減少了A、B框架鋼結構體量。

（2）熱風管道系統考慮了熱風爐爐殼、管道鋼殼及管道砌體熱膨脹所引起的各方向上的變化，并據此設置波紋補償器和大拉桿裝置，采用合理的支座形式及波紋管布置方式，充分吸收熱膨脹引起的位移，保證熱風管道的穩定性。沿熱風總管軸向方向設置兩段大拉桿裝置。熱風支管水平段不設置大拉桿裝置，在熱風總管支座處設置安全限位裝置，允許熱風支管和總管沿支管軸向方向在一定范圍內自由滑動。

（3）熱風管道砌體采用了更加合理的砌體結構。熱風支管垂直管上部內襯與本體內襯采用迷宮滑縫連接，與熱風爐本體脫開并吸收內襯膨脹位移。熱風支管水平管隔熱襯耐火磚設置一條膨脹縫，縫隙中填入硅酸鋁陶瓷纖維毯，與水平支管波紋補償器的一條膨脹縫形成迷宮膨脹縫。熱風支管水平管工作襯耐火磚設置2條膨脹縫，其中一條縫隙中填入硅酸鋁陶瓷纖維毯，另一條設置在熱風閥出口法蘭外側兩塊耐火磚砌成的迷宮形磚縫之間（耐火磚設計為L型，并帶有公母槽，砌筑成型后呈迷宮形）。合理的膨脹縫設計，使吸收膨脹量增大，并有效防止了熱風沖刷、反復熱膨脹引起的砌體破損以及纖維毯掉落。另外，所有熱風管道水平段工作襯耐火磚均帶有公母槽。

通過配置合理的耐火材料，將熱風管道的鋼結構管殼溫度控制在合適的溫度范圍，既有效減少了熱量損失，又防止了管殼內壁形成結晶水產生晶間應力腐蝕。

2.6 獨立的混風管道系統

（1）在每座熱風爐的熱風支管垂直管上側配獨立的混風系統，混風管上設置電動調節閥。此種混風方式與傳統總管混風方式相比，有如下優點：①基本消除了傳統混風方式混風點前后熱風總管內熱風溫度差。②熱風支管混風方式使得熱風總管溫度整體降低。以送風溫度1200℃（熱風圍管三岔口處溫度）為例，傳統混風方式混風前的熱風總管內熱風溫度比熱風支管混風方式高70℃左右。熱風總管溫度的整體降低，一是有利于減少熱量損失；二是改善總管內砌體工作環境，減少熱風管道發紅以及耐材破損、掉磚等現象的發生。③電動調節閥的設置，使入爐風溫得到精確控制，實現精細化操作。

（2）混風閥后的混風管道內襯設計4層耐火材料，從里至外分別為低蠕變高鋁磚、黏土磚、纖維毯、噴涂料。

2.7 熱風爐砌體

根據頂燃式熱風爐的結構特點，4號爐熱風爐在高溫區（拱頂、大墻、格子磚）采用硅磚（SiO2≥95%），中溫區采用低蠕變黏土磚（Al2O3≥42%），低溫區采用黏土磚（Al2O3≥42%）。

2.8 主要閥門

4號爐熱風爐主要閥門的選型，遵循以下原則：（1）根據閥門工況條件，不同部位選擇不同類型的閥門。（2）經過生產實踐檢驗的、安全可靠、運行穩定的閥門。（3）設備成本低、占用空間小、操作和檢修方便的閥門。

熱風爐本體區主要閥門采用液壓傳動，余熱回收系統、助燃風機系統主要閥門采用電傳動。考慮到熱風閥、倒流休風閥、混風閥是熱風爐系統工況溫度最高的閥門，工作狀態下，設備各部位要經受高溫化學腐蝕、材料的高溫蠕變及疲勞的作用，故選擇采用液壓水冷閘閥。熱風閥設計雙片水冷法蘭。本設計中，熱風閥、倒流休風閥、混風閥冷卻采用軟水密閉循環系統，與高爐本體冷卻共用膨脹罐、脫氣罐等設置。煤氣燃燒閥、煤氣切斷閥、助燃空氣燃燒閥、冷風閥、煙道閥采用液壓連桿蝶閥。蝶閥的優點在于，體積和重量小、閥桿旋轉運動，容易實現少泄露或無泄漏，低壓時也能保證良好的密封性。

2.9 余熱回收系統

為了提高熱風爐系統熱效率，達到節約能源的目的，設計采用了分體式熱管換熱器回收熱風爐煙氣余熱，同時預熱熱風爐助燃空氣和高爐煤氣。分體式熱管換熱器具有布置靈活、運行可靠、投資費用低等特點。換熱器工藝技術條件見表3。

表3 4號爐熱風爐換熱器工藝技術條件

2.10 助燃風機系統

助燃空氣集中送風，設置2臺單吸雙支撐離心風機，1用1備，露天布置（電機上部設置擋雨棚）。單臺風機最大風量26萬Nm3/h，全壓12kPa（表壓），吸風口設置消音器，風機入口帶自動調節門。

3 運行實踐

4號爐于2016年9月7日順利出鐵，并隨著熱風爐送風溫度的逐步升高和穩定，高爐爐況逐漸趨于平穩，高爐鐵水產量逐步增加，焦比持續降低，煤比持續提高。其配套的3座頂燃式熱風爐在完全燃燒高爐煤氣的情況下，達到了不低于1200℃入爐風溫的水平，為高爐生成提供高風溫創造了條件。入爐風溫曲線見圖1。

圖1 4號爐入爐風溫曲線表

4 結束語

馬鋼4號高爐熱風爐采用了頂燃式熱風爐，系統、科學、合理地布置在高爐東西出鐵場兩條鐵路線所夾的狹長地帶。其熱風爐耐材的合理配置能夠保證純燒高爐煤氣的條件下為高爐提供平均溫度不低于1200℃的入爐風溫。另外，獨立混風系統的應用，使入爐風溫得到了精確控制，實現了精細化操作。