柳钢1号高炉球式热风炉设计特点.docx

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柳钢1号高炉球式热风炉设计特点

柳钢1号高炉球式热风炉设计特点

1　前　言　

　　由于具有投资省，风温高的显著优点，球式热风炉从70年代开始在我国的小高炉上成功使用后就迅速得到推广。

从1987年成钢300m3级高炉采用球式热风炉至今，相继有威（远）钢、涟钢、汉钢、南昌钢厂等300m3级高炉采用了球式热风炉。

据资料统计，风温在1050～1150℃，最高达1200℃（短时间）；但在使用过程中也暴露出球床寿命（清球周期）短（长的3～4年，短的1年）、耐火球材质不合理，高温区炉壳保温不太理想、炉壳热损失较大、拱顶热电偶易烧坏等不足。

柳钢1号高炉球式热风炉设计时，在充分吸收兄弟厂球式热风炉优点的基础上，针对这些问题，结合柳钢自身的特点，设计作了相应改进。

2　工艺参数及主要技术性能

2.1　工艺参数　

（1）高炉有效容积：

350m3

（2）热风炉座数：

3

　　（3）利用系数：

η=2.8～3.0t/m3·d

　　（4）入热风炉风量：

～1100m3/min

　　（5）设计风温：

1100～1150℃

　　（6）每座热风炉煤气耗量：

18900～28700m3/h

　　（7）每座热风炉助燃空气耗量：

13100～19700m3/h

　　（8）高炉煤气压力：

～7.84kPa

　　含尘量：

≤5～8mg/m3

3.2　主要技术性能　

　　1号高炉球式热风炉主要技术性能见表1。

表1　主要技术性能

项　　目

数量

备　注

热风炉全高，m

21.45

热风炉炉壳外径（上/下），mm

7926/7020

蓄热室断面积，m2

24.454

燃烧室断面积，m2

28.834

球床高度，m

6

φ60镁铝铬球2m

每座热风炉装球量，t

271

其中镁铝铬球92.4t

鼓风占有球量，kg/m3·min

246

高炉有效容积占有球量，t/m3

2.32

热风炉加热面积，m2/座

12325

热风炉温度，℃

1100～1150

废气温度，℃

200～300

3　热风炉设计

3.1　热风炉型式　

　　本设计热风炉采用架空式结构，与落地式结构相比，该结构便于卸球，同时简化了热风炉下部结构，有效地解决了热风炉底板变形漏风的问题；此外，该结构利于冷风均布。

3.2　热风炉拱顶　

　　采用悬链线y=a·ch（x/a）拱顶，和以往采用的圆锥台形、半球形、锥球形等拱顶相比，悬链式拱顶结构稳定、气流分布均匀。

本次设计热风炉拱顶峰顶高度与峰顶开度一半之比为：

9.2：

7。

有些铁厂球式热风炉拱顶热电偶经常被烧坏，我们分析认为：

这主要是热风炉拱顶燃烧空间不够所致，因此，本次设计除加大拱顶内径外，还将拱顶直段加长～770mm，目的是：

（1）扩大球床上方的燃烧空间，以保证煤气燃烧在球床上方完成；

（2）若日后高炉少量扩容，球床还有加球的余地。

3.3　炉顶测温点　

　　拱顶顶部设有测量球床上表面温度的红外线测温装置，在热风出口附近另设有一支水平安装、测量拱顶煤气燃烧温度的热电偶。

两点测温的目的是保证拱顶区域测温准确可靠，同时亦可检测煤气是否在拱顶完全燃烧。

从目前生产看，拱顶燃烧温度较球床上表面温度高40～60℃。

这说明进入球床前，煤气已燃烧完毕，即拱顶燃烧空间合适。

3.4　燃烧装置　

　　采用较成熟的、目前国内普遍使用的水平陶瓷燃烧器，每座球式热风炉采用2个燃烧器，相向侧装，烧嘴角度β=25°，烧嘴切圆直径3700mm。

　　燃烧器参数：

（1）燃料种类：

高炉净煤气

（2）煤气耗量：

2.63～3.99m3/s

　　（3）助燃空气耗量：

1.81～2.74m3/s

3.5　球床结构　

　　球床直径5580mm，高度6m，采用两段式耐火球。

上部采用60镁铝铬球（镁铝球），加热面积63m2/m3，高2m；下部采用40高铝球（铝铬球），加热面积94.5m2/m3，高4m。

　　300m3级高炉的球式热风炉球床以前多采用“上部60硅球+下部40高铝球”；由于硅球热容量较小，后来改用“上部φ60镁铝球+下部φ40高铝球”；但这种配合也存在某些不足，如镁铝球抗水性较差。

最近，国内某大学和某耐火球生产厂试验表明：

镁铝球与高铝球配合使用时，“分界处”的耐火球会发生化学反应而导致该区域耐火球表面粉化、粘结，从而影响球床寿命。

用镁铝铬球替代镁铝球可以有效地阻止这种化学反应，而且镁铝铬球抗水性优于镁铝球，因此，使用镁铝铬球要优于镁铝球。

在柳钢1号高炉球式热风炉设计审查会上，西安冶金建筑学院杜森林教授、国家冶金局高清举等专家学者都鼓励我们采用“镁铝铬球+铝铬球”的配合（两者不发生化学反应），以期打破近年来球式热风炉耐火球技术发展停滞不前的局面，使耐火球材质、生产有质的飞跃，为球式热风炉向中型高炉推广做出贡献。

因此，为便于比较，本次设计一座热风炉球床采用上部φ60镁铝铬球（2ｍ）+下部φ40铝铬球（4ｍ）。

一座热风炉球床采用上部φ60镁铝铬球（2ｍ）+下部φ40高铝球（4ｍ）。

另一座热风炉球床采用上部φ60镁铝球（2ｍ）+下部φ40高铝球（4ｍ）。

但在跟踪耐火球生产时，发现φ40铝铬球实际耐压强度只有7000～7500N/球，难以满足设计要求，故只好用φ40高铝球替代铝铬球。

目前，装球情况为：

1号炉上部φ60镁铝球（2m）+下部φ40高铝球（4m），2号、3号炉上部φ60镁铝铬球（2m）+下部φ40高铝球（4m）。

耐火球理化指标见表2。

表2　耐火球理化指标

项　　　目

高铝球

镁铝球

镁铝铬球

铝铬球

成分

Al2O3≥75%

Mg≥80～85%

MgO≥55%

Cr２O３≥2.5%

Al２O３≥60%

Cr２O３≤2.0

（100N/球）荷重软化开始温度，℃

≥1480

1530～1550

1530～1550

≥1440

耐火度

≥1790℃

≥1790℃

≥1790℃

1770℃

常温耐压力，N/球

≥10000

≥10000

9000～10000

7000～9000

显气孔率，%

≤25

≤19

≤22

≤28

体积密度，g/cm3

2.3～2.4

2.8～3.0

2.8～2.9

2.3～2.35

3.6　炉墙的砌筑　

（1）热风出口、燃烧口、燃烧器分布帽、热风管三叉口等部位均采用材质为低蠕变高铝质的、小块“花瓣式”结构的整圈组合砖砌筑，以确保在高温状态下该区域砌体稳定可靠。

（2）考虑到生产时拱顶和直线段膨胀不一样，设计时将球床大墙和拱顶直段大墙分离，其间有10mm迷宫式滑动缝，内填硅酸铝耐热纤维。

　　（3）球床大墙采用单层耐火砖砌筑。

　　目前300m3高炉的球式热风炉球床区域的大墙均采用双层耐火砖砌筑。

由于场地狭小，热风炉难以按常规布置，热风炉上部间距只有～560mm，而且为防止因气体空腔速度太快而导致阻损增大（本设计为～0.75m/s），球床直径就不能太小（本设计为φ5580mm）；因此，本设计球床大墙只能采用单层耐火砖砌筑（大墙砖外还有～350mm厚的高强度轻质粘土砖）以保证燃烧区直径和球床直径；考虑大墙的稳定性以及减少球对大墙的压力，大墙上部砖设计为上下层带凸凹槽的互锁砖，下部内侧设计有一层厚230mm的耐火砖。

3.7　炉体保温　

　　为减少炉壳散热，设计增加保温层厚度。

（1）高温区（拱顶及球床上部）：

采用两层高强度轻质粘土砖做保温层，厚度为230+230mm（以往为230+114）。

（2）中温区（球床上、中部）：

采用高强度轻质粘土砖，厚度为230+114mm（采用高强度轻质粘土砖，也可提高该区域大墙的稳定性）。

　　（3）低温区（下锥体处）：

采用高强度轻质粘土砖，厚度为114mm。

　　（4）保温砖与炉壳间：

　　高温区：

炉壳内侧喷涂σ=50mm的FN-130喷涂层，喷涂层与保温砖间填充厚度为50～130mm的硅酸铝耐热纤维毡（愈往上愈厚）。

　　中温区：

填充～130mm的干水渣。

　　低温区：

采用σ=20mm石绵板。

3.8　烧炉用煤气　

　　目前，1号高炉煤气采用湿法除尘，与布袋除尘的煤气相比，其含尘量、水分均较高，温度低，长期使用对球床寿命不利（本次大修1号高炉暂时只改造热风炉系统）。

为保证球式热风炉球床的寿命，设计使用2号高炉布袋除尘的煤气。

只有当2号高炉休风时，才从高炉煤气总管上引煤气，经预热后再送给热风炉使用。

考虑柳钢高炉煤气发热值较低（随着焦比进一步下降，煤气发热值以后还会降低），为确保采用高炉煤气将热风炉拱顶烧至～1300℃，设计采用将助燃空气、1号高炉湿法除尘的煤气（2号高炉休风时）预热至120～150℃，故原双预热设施（热媒式换热器）保留并加以完善。

　　为便于阀门操作、检修，设计采用地上架空式钢烟道（中心标高3.5m）。

3.9　主要设备　

（1）阀门。

为适应高风温的要求，热风阀、燃烧阀及倒流休风阀均采用DN900新型衬里热风阀，除φ250煤气放散阀、调节阀采用电动，φ150煤气放散阀采用手动外，其余的阀门均采用液压，热风炉设有单独的液压站。

（2）助燃风机。

提高助燃空气压力有利于延长清球周期。

本设计采用9-26.14D助燃风机，一用一备（留有富余量）。

　　风机性能：

全压：

12.2kPa

　　　　　　　流量：

～47000m3/h

　　　　　　　电机功率：

250kW〖ZK）〗

　　（3）检修设施。

本次设计热风炉炉顶不设置检修吊装设施，日后阀门检修及耐火球吊装考虑用吊车进行，这样既可以简化炉顶结构、也减少设备维护费用及投资。

3.10　控制系统　

　　热风炉设有燃烧自动控制、送风温度、煤气及助燃空气压力自动调节等控制手段。

　　热风炉各阀门动作可实现三种不同的操作制度：

（1）手动操作：

检修或试车时采用。

（2）半自动操作：

人工发出换炉信号，热风炉各阀门按规定的换炉程序动作。

　　（3）全自动操作：

当送风时间或风温达到规定值时，计算机系统进行全自动换炉程序动作。

3.11　安全设施　

（1）煤气总管上设有水封装置，以保证检修时能安全有效地切断煤气。

（2）煤气总管和各煤气支管上均设有放散阀及蒸气吹扫装置。

4　施工与生产　

（1）球式热风炉施工和设备安装、调试均比较顺利。

（2）由于工期较紧，装球过程中难免带入些球粉或尘埃，特别是镁铝铬球，由于其强度较低，装球过程中，球表面有不少球粉脱落；烘炉前送风～10分钟，尽可能将球床中的球粉或尘埃吹走。

　　（3）至2000年6月球式热风炉投产已将近一个月，其运行情况如下：

　　投产后前三天，球式热风炉使用公司高炉煤气总管内的煤气（湿法除尘），煤气质量较差、压力波动较大，压力只有5.5～6.0kPa（正常为～8kPa）。

因此，热风炉拱顶只能烧到1000～1080℃，风温也只有850～940℃。

第4天，使用布袋除尘的煤气（温度120～140℃）后，拱顶当班即烧至1250～1280℃，最高曾达到～1320℃。

在混风的情况下，风温稳定在1100～1170℃。

由此可见，煤气质量好坏对球炉影响很大。

但也存在一些问题，如送风前后拱顶温差较大（100～130℃）。

我们认为这是废气温度较低（150～190℃），球床下部的球还未充分发挥作用所致，随着废气温度的逐渐提高，预计，送风前后拱顶温差会<80℃。

另外，高炉生产正常后，随着焦比的下降，高炉煤气的热值将会降低，这对烧炉不利，设计采用球式热风炉废气来预热助燃空气（由40～50℃预热至120～130℃）的办法来确保使用低热值高炉煤气后不影响烧炉。

可见，目前提高废气温度十分必要。

此外，由于气体计量还不十分准确，热风炉各阀门“自动操作”暂时还未投入使用。

5　结语　

　　球式热风炉投资省，风温高。

合理的设计、优质的煤气、质量上乘的耐火球是球式热风炉长寿及长期（≥5年）获得高风温的保证，加上科学的管理，柳钢1号高炉球式热风炉长期获得1150～1200℃的高风温是完全能够实现的。