本文介紹了作者對(duì)于延長(zhǎng)高爐壽命和高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐設(shè)計(jì)中的一些熱點(diǎn)問題的認(rèn)識(shí)。我國(guó)的高爐技術(shù)裝備水平經(jīng)過幾代人的奮斗，已經(jīng)達(dá)到了比較高的水平。本文是在這一基礎(chǔ)上來敘述我對(duì)于以下兩個(gè)熱點(diǎn)問題的認(rèn)識(shí)：1）延長(zhǎng)高爐壽命；2）提高鼓風(fēng)溫度。

1  延長(zhǎng)高爐壽命問題

眾所周知，影響高爐壽命的薄弱環(huán)節(jié)有兩個(gè)，一是爐腹至爐身下部，另一是爐缸部位。近年來為了延長(zhǎng)這兩個(gè)部位的壽命，我們采取了一系列技術(shù)措施，但是在一些高爐上沒有得到理想的效果，因此，我們有必要對(duì)于實(shí)現(xiàn)高爐長(zhǎng)壽的技術(shù)理念進(jìn)行再認(rèn)識(shí)。

1.1   完善爐身長(zhǎng)壽命的技術(shù)理念

為了延長(zhǎng)爐腹至爐身下部壽命，維持冷卻設(shè)備的長(zhǎng)壽是關(guān)鍵。只要冷卻設(shè)備不損壞，爐腹至爐身下部就可以堅(jiān)持長(zhǎng)期穩(wěn)定的操作。

這一部位的冷卻設(shè)備的工作條件是十分惡劣的。它不僅要承受強(qiáng)大而又多變的熱流強(qiáng)度的沖擊，其峰值熱流強(qiáng)度高達(dá) 70～80kw/m2，還要經(jīng)受煤氣流沖刷、爐料的磨損。針對(duì)這一情況，我國(guó)高爐工作者提出了建立無過熱冷卻體系的理念。所謂無過熱的冷卻體系就是在高爐任何工況條件下冷卻設(shè)備的工作溫度都不會(huì)超過它的允許使用溫度，從而達(dá)到冷卻設(shè)備燒不壞的目的。

二十世紀(jì)八十年代以前，我國(guó)高爐采用的工業(yè)水開路循環(huán)和普通灰鑄鐵冷卻壁的冷卻系統(tǒng)，由于水垢的形成和工作允許溫度＜400℃，遠(yuǎn)未達(dá)到無過熱狀態(tài)。直至 20 世紀(jì)九十年代，我國(guó)許多高爐的爐身下部采用了軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)、球墨鑄鐵冷卻壁，工作允許溫度提高到 760℃，減少了過熱狀態(tài)的出現(xiàn)，爐身壽命得到了相應(yīng)的延長(zhǎng)，但是也沒有完全達(dá)到無過熱狀態(tài)。傳熱理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐的結(jié)果表明，爐襯被完全侵蝕的條件下，球墨鑄鐵冷卻壁在有渣皮存在時(shí)，尚可維持正常工作，一旦由于爐況波動(dòng)造成渣皮脫落，冷卻壁本體將出現(xiàn)過熱，工況溫度將超過球墨鑄鐵的極限使用溫度 760℃。這種情況的出現(xiàn)將是不可避免的，高爐的操作條件越不穩(wěn)定，渣皮脫落的出現(xiàn)越頻繁，冷卻壁的損壞就越快。自從德國(guó) MAN·GHH 1979～1988 年在 HambornNo.4 高爐試用銅冷卻壁獲得成功以后，人們發(fā)現(xiàn)銅冷卻壁是一種在高爐冶煉條件下不會(huì)出現(xiàn)過熱的冷卻設(shè)備，甚至在渣皮脫落后，它的實(shí)際工作溫度也只有 150℃，因而得到了迅速的推廣應(yīng)用。在爐身下部采用銅冷卻壁之后，建立了一個(gè)在高爐操作條件下無過熱的冷卻體系。

2001年以來，我們?cè)诓粩嗫偨Y(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，完善了高爐冷卻系統(tǒng)，建立了薄壁爐身結(jié)構(gòu)，改變了我國(guó)高爐 4 年一中修的生產(chǎn)運(yùn)行模式，節(jié)約了大量的優(yōu)質(zhì)耐火材料，同時(shí)使得高爐投產(chǎn)后快速達(dá)產(chǎn)，并長(zhǎng)期維持良好的操作指標(biāo)。

自從銅冷卻壁問世以來，人們把實(shí)現(xiàn)15年?duì)t身壽命都寄希望于它的應(yīng)用。但實(shí)際使用的結(jié)果存在著比較大的差距：有一批高爐運(yùn)行已接近15年，冷卻設(shè)備完好無損，至今仍在運(yùn)行中。但也有一些高爐運(yùn)行 6～10 年后局部區(qū)段的銅冷卻壁熱面出現(xiàn)了大面積磨損和漏水。分析其原因，也是由于渣皮頻繁脫落期間經(jīng)受煤氣流沖刷和爐料的磨損造成的。顯然，無論是球墨鑄鐵冷卻壁還是銅冷卻壁設(shè)置“留住渣皮”的凸臺(tái)機(jī)構(gòu)是完全必要的。只要留住了渣皮，對(duì)于球墨鑄鐵冷卻壁本體出現(xiàn)過熱和銅冷卻壁本體出現(xiàn)被磨損的機(jī)會(huì)將大幅度減少。

回顧我國(guó)上一世紀(jì) 80 年代以來為了延長(zhǎng)爐腹至爐身下部壽命所走的路是基本正確的，但是近年來的生產(chǎn)實(shí)踐表明，只靠“建立無過熱或少過熱的冷卻體系”還不足于達(dá)到預(yù)期的長(zhǎng)壽目標(biāo)，應(yīng)該加補(bǔ)充和完善。直至目前，我們認(rèn)為延長(zhǎng)爐腹至爐身下部壽命完整的技術(shù)理念應(yīng)該是：“留住渣皮+無（或少）過熱”。

現(xiàn)在，我國(guó)高爐在這一部位所使用的冷卻壁的形式是多種多樣的，它們的優(yōu)缺點(diǎn)簡(jiǎn)要列表如下。如果問我哪一種好？我的回答是只要達(dá)到留住渣皮+無（或少）過熱的冷卻壁都是好方案。

合理的高爐操作內(nèi)型尺寸，對(duì)于“留住渣皮”也是極為有利的。

薄壁與厚壁高爐內(nèi)型相比，它們的爐缸直徑、爐喉直徑的要求大體是相同的。我們所要關(guān)注的是薄壁高爐的爐腰直徑，爐身角以及爐腹角。

爐腰直徑和爐身角是高爐內(nèi)型的重要尺寸。確定這些尺寸時(shí)，必須注意：開爐之后的短時(shí)間內(nèi)，所砌磚襯很快便蕩然無存而形成了操作內(nèi)型。由此我們可以近似地認(rèn)為，爐腰冷卻壁的熱面安裝直徑就接近操作內(nèi)型的爐腰直徑，它們之間的偏差只是反復(fù)“脫落——形成”的渣皮。其厚度不過 20～40mm。因此,爐身部位的冷卻壁安裝角度就應(yīng)該是高爐操作內(nèi)型的爐身角。

為此，作者建議：采用薄壁結(jié)構(gòu)的高爐，設(shè)計(jì)內(nèi)型的爐腰直徑以冷卻壁的安裝內(nèi)徑為基礎(chǔ)，另減去磚襯厚度來確定，以利于比較準(zhǔn)確地把握合理的操作內(nèi)型。即：

式中：D ——設(shè)計(jì)內(nèi)型的爐腰直徑，

DB  ——爐腰冷卻壁安裝內(nèi)徑，m

δ ——爐腰的砌磚厚度，m.

根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外部分高爐數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，爐腰部位冷卻壁的內(nèi)徑與高爐容積關(guān)系推薦采用如下經(jīng)驗(yàn)公式：對(duì)于容積 800～2000m3 的高爐，采用：

DB  = 0.5836×Vu0.3994

對(duì)于容積＞2000m3 的高爐，采用：

DB  = 0.6380×Vu0.3854

式中：DB ——爐腰冷卻壁內(nèi)徑，m

Vu ——高爐容積，m3

高爐的爐身角與高爐容積關(guān)系推薦采用如下經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：β ——爐身角，度

長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外高爐工作者對(duì)于爐腹角的認(rèn)識(shí)，存在著很大的差異。小的爐腹角不足 70°，而大的爐腹角超過 85°。這些差別很大的爐腹角并沒有造成冶煉行程的破壞。但是，將爐腹角維持在 74～78°之間對(duì)于冷卻設(shè)備的正常工作看來是有利的。

1.2  爐缸長(zhǎng)壽的關(guān)鍵在于耐火材料質(zhì)量的突破

為了延長(zhǎng)高爐爐缸壽命，遠(yuǎn)離爐缸燒穿，經(jīng)過幾代高爐人的努力，總結(jié)出了一條很寶貴的經(jīng)驗(yàn)：爐缸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須采用優(yōu)質(zhì)的耐火材料和良好的冷卻相結(jié)合，二者缺一不可。

炭磚與冷卻之間的關(guān)系可以拿唇齒相依來比喻。任何人不能在爐缸完全失去磚襯的情況下維持高爐操作。在爐缸沒有磚襯的情況下，冷卻壁直接與爐缸內(nèi)活躍的鐵水流接觸，所承受的熱流強(qiáng)度是極高的，目前， 高爐所使用的任何形式冷卻設(shè)備都經(jīng)不起這樣高的熱流強(qiáng)度襲擊。另一方面，如果沒有良好的冷卻，即使使用頂級(jí)耐火材料也難于維持爐缸長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作。

何謂良好的爐缸冷卻？我們不妨來研究一下國(guó)內(nèi)外高爐爐缸燒穿的經(jīng)驗(yàn)。

高爐的操作經(jīng)驗(yàn)表明，冷卻壁的熱流強(qiáng)度＜10000w/ m2 屬正常操作水平。當(dāng)熱流強(qiáng)度＞10000w/m2時(shí)的冷卻強(qiáng)度時(shí)必須發(fā)出報(bào)警信號(hào)。當(dāng)熱流強(qiáng)度達(dá)到13956w/m2 （12000kcal / m2 · h ）時(shí)，此時(shí)應(yīng)該發(fā)出紅色報(bào)警。當(dāng)熱流強(qiáng)度一旦達(dá)到 20840～ 22093w / m2（18000～19000kcal / m2 · h ），可以認(rèn)為爐缸工作已經(jīng)達(dá)到臨界工作狀態(tài)，出鐵放風(fēng)便是必須采取的措施了。否則，繼續(xù)發(fā)展將在 30 分鐘左右的時(shí)間內(nèi)局部的熱流強(qiáng)度將急劇上升，達(dá)到 67500～70000 w/m2，這時(shí)，爐缸燒穿將是難于避免的了。（詳見圖 1 首鋼 4 號(hào)高爐缸燒穿前的記錄圖[1]）。

圖 1 首鋼 4 高爐爐缸燒穿前的記錄

這樣，爐缸冷卻便對(duì)軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)提出了如下要求：不僅應(yīng)該提供適應(yīng)熱流強(qiáng)度＜10000 w/m2 的正常操作水平，更令人關(guān)注的是在爐齡末期要提供應(yīng)對(duì)熱流強(qiáng)度達(dá)到22093w/m2 時(shí)的應(yīng)急需要。除此之外，利用現(xiàn)代技術(shù)建立爐缸工作狀態(tài)的檢測(cè)數(shù)據(jù)庫是完全必要的。

何謂優(yōu)質(zhì)耐火材料？

高爐微孔和超微孔炭磚的生產(chǎn)方法是日本人開發(fā)的，緊隨其后，德國(guó)人、法國(guó)人都開發(fā)了自己的高爐微孔和超微孔炭磚，但他們對(duì)于產(chǎn)品的考核都只注重導(dǎo)熱率和微孔指標(biāo)，而抗鐵水沖刷和熔蝕性能沒有進(jìn)入他們的視野。

我國(guó)學(xué)者在開發(fā)研究高爐微孔和超微孔炭磚的進(jìn)程中，根據(jù)高爐的實(shí)際損壞狀況，不僅把導(dǎo)熱率和微孔指標(biāo)，而且把鐵水熔蝕指數(shù)納入到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（YB/T141-1998）中，為全面評(píng)價(jià)爐缸用炭磚的質(zhì)量提供了良好的依據(jù)。炭磚的鐵水熔蝕指數(shù)代表著它的抗鐵水沖刷和熔蝕能力。在整個(gè)爐役期內(nèi)它對(duì)爐缸的操作壽命起著極其重要的作用。顯然，我國(guó)學(xué)者的認(rèn)識(shí)是全面的。與此同時(shí)，我們也必須指出，在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（YB/T141-1998）中對(duì)于鐵水溶蝕指數(shù)要求太低（≤30%或 28%），這一指標(biāo)不僅難于適應(yīng)當(dāng)代高爐操作的需要，而且也為炭磚市場(chǎng)的惡性競(jìng)爭(zhēng)留下了很大的空間。大量使用實(shí)例都說明隨著高爐生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(YB/T141-1998）中的鐵水溶蝕指數(shù)有必要作適當(dāng)修改。

我國(guó)大批中小高爐爐缸側(cè)壁都用國(guó)產(chǎn)微孔炭磚砌筑，導(dǎo)熱率指標(biāo)都不低，但鐵水熔蝕指數(shù)控制在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(YB/T141-1998）規(guī)定的范圍內(nèi)，其結(jié)果是爐缸工作出現(xiàn)溫度過高甚至爐缸燒穿的情況并不少見。這些高爐的生產(chǎn)實(shí)踐告訴我們，在爐缸側(cè)壁“象腳型”侵蝕區(qū)域采用高導(dǎo)熱率的炭磚和良好的冷卻有利于形成凝固層的合理性是毋容置疑的，但是僅僅依靠它來實(shí)現(xiàn)爐缸長(zhǎng)壽是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須使用具有抗鐵水溶蝕指數(shù)良好的耐火材料才有可能達(dá)到目的。當(dāng)前，我們的不少高爐爐缸結(jié)構(gòu)具備了前一功能，但缺乏后一功能。這就是我國(guó)高爐爐缸側(cè)壁出現(xiàn)問題的關(guān)鍵。

近年來發(fā)表的研究成果表明，將爐缸砌筑材料性能從傳統(tǒng)的水平提高到上述理想水平是可能的。其途徑有二：一是在炭基材料的基礎(chǔ)上加入金屬鋁粉，使之在高溫焙燒條件下形成碳化鋁（Al3C4），可以獲得更高的炭磚抗鐵水熔蝕和沖刷能力[2]。德國(guó)SGL公司走的就是這條路。他們生產(chǎn)的 9RD—N 超微孔炭磚，鐵水熔蝕指數(shù)達(dá)到了很低的水平。全球出鐵強(qiáng)度最高（＞4000t/d）的沙鋼 5800m3 爐缸側(cè)壁所使用的就是這種炭磚；另一是在 Al2O3 基材的基礎(chǔ)上，加入 C、Si 和其它金屬粉末，使之在高溫焙燒條件下形成金屬碳化物，其產(chǎn)品不僅具有較高導(dǎo)熱率和較好的微孔指標(biāo)，而且也具有良好的抗鐵水熔蝕指數(shù)，河南五耐正在走這條路，其產(chǎn)品已經(jīng)在不少高爐上應(yīng)用，使用已見成效[3]。

為了延長(zhǎng)我國(guó)高爐爐缸壽命，保證爐缸和爐身壽命同步，遠(yuǎn)離爐缸燒穿，我們的當(dāng)務(wù)之急是努力提高炭磚的全面質(zhì)量。從延長(zhǎng)爐缸側(cè)壁“象腳型”侵蝕區(qū)域壽命的角度出發(fā)，理想的耐火材料應(yīng)同時(shí)具備如下性能：

①導(dǎo)熱率和微孔指標(biāo)達(dá)到當(dāng)前微孔或超微孔炭磚的水平；②抗鐵水溶蝕指數(shù)達(dá)到或接近陶瓷杯材料的水平.

2  高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐

2.1  氣污染物排放新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熱風(fēng)爐操作有影響嗎？

為了實(shí)現(xiàn)高爐生產(chǎn)的節(jié)能減排,人們都希望自己的熱風(fēng)爐能進(jìn)入高風(fēng)溫俱樂部的行列。我們的煉鐵分會(huì)也提出了熱風(fēng)爐以 1380±20℃的拱頂溫度實(shí)現(xiàn) 1280±20℃的風(fēng)溫目標(biāo)。

圖 2   NOX 生成量與拱頂溫度之間關(guān)系

上一世紀(jì) 70 年代，西方國(guó)家的高爐設(shè)計(jì)紛紛高喊要使用 1350℃以上的高風(fēng)溫，試圖獲得提高風(fēng)溫給高爐帶來的最大好處。其主要手段是利用高熱值煤氣來提高熱風(fēng)爐拱頂溫度，但實(shí)際的結(jié)果是風(fēng)溫雖然上去了，熱風(fēng)爐拱頂鋼殼卻出現(xiàn)了大量裂紋，給高爐生產(chǎn)帶來了極大的困難。歐洲人深入研究了此問題之后認(rèn)為：這是高爐采用高風(fēng)溫高壓操作之后，燃燒產(chǎn)物中出現(xiàn)了大量的 NOX 和 SOX 造成鋼殼出現(xiàn)晶間應(yīng)力腐蝕的緣故。尤其是爐殼在高應(yīng)力狀態(tài)下工作時(shí)，晶粒之間的腐蝕更為嚴(yán)重。實(shí)踐證明，在腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力的雙重作用下出現(xiàn)的晶間應(yīng)力腐蝕是防不勝防的，為了遠(yuǎn)離晶間應(yīng)力腐蝕，關(guān)鍵在于控制拱頂溫度，抑制 NOx 生成量的過度發(fā)展。

歐洲人從防止熱風(fēng)爐爐殼出現(xiàn)晶間應(yīng)力腐蝕的角度出發(fā)，他們提出了以熱風(fēng)爐的拱頂溫度水平來對(duì)熱風(fēng)爐進(jìn)行分類的意見（詳見圖 2）。按歐洲人的觀念，拱頂溫度范圍：＞1420℃屬超高溫?zé)犸L(fēng)爐；1350～1420℃屬高溫?zé)犸L(fēng)爐；1250～1350℃屬中溫?zé)犸L(fēng)爐；1100～1250℃屬低溫?zé)犸L(fēng)爐。從此，它們的拱頂溫度一般控制在≤1420℃的水平上。

今天，隨著環(huán)境保護(hù)要求的提高，在大氣污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)中，NOx 和 SOx 的允許排放量大幅度降低了，新標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：NOx 的排放量低于150mg/m3，SOx 的排放量低于 50mg/m3。這樣，便給我們提出了這樣一個(gè)問題：高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐的拱頂溫度多高是合適的？直至目前，作者尚未看到國(guó)內(nèi)熱風(fēng)爐NOx在線檢測(cè)的完整數(shù)據(jù)，只能從過去的文獻(xiàn)資料來作一粗略的估計(jì)：在蓄熱室熱風(fēng)爐中，NOx 的含量取決于拱頂溫度。從圖2數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)在熱風(fēng)爐燃燒期內(nèi)，拱頂溫度達(dá)到1350～1400℃時(shí)，NO2的的生成量約為100～120ppm，相當(dāng)于48.78～58.54mg/m3。如果 N2 和O2在高溫條件下反應(yīng)時(shí)間很長(zhǎng)，也將造成NO2的的生成量的急劇增加。德國(guó)人在進(jìn)行工業(yè)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拱頂溫度 1440℃時(shí)，在送風(fēng)期和燃燒期內(nèi)，由于接觸時(shí)間短，NOX 的濃度約為 40～70 mg/m3，但是在熱風(fēng)爐換爐期間，由于氮和氧具有足夠的接觸時(shí)間，NOX 濃度最大值達(dá)到了 1000mg/m3。在我國(guó)也發(fā)現(xiàn)有的熱風(fēng)爐在換爐期間，出現(xiàn)了排放黃煙現(xiàn)象，顯然，這是由于NOx 達(dá)到較高水平造成的。

我國(guó)熱風(fēng)爐在目標(biāo)拱頂溫度范圍內(nèi)操作時(shí)，正常燃燒期和送風(fēng)期內(nèi)排放的 NOX 濃度值是不會(huì)超過標(biāo)準(zhǔn)要求的。在換爐和燜爐期間，NOX 濃度值有可能出現(xiàn)短期超過 150mg/m3，但排放時(shí)間將是短的。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定在評(píng)估期內(nèi)有 95%以上小時(shí)均值排放濃度滿足要求時(shí)即可認(rèn)定達(dá)到超標(biāo)排放水平。因此，盡管大氣污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)的要求提高了，對(duì)目標(biāo)拱頂溫度下操作的熱風(fēng)爐，作者估計(jì) NOX 的小時(shí)均值排放濃度值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求是不會(huì)出現(xiàn)什么大問題的。

提高高爐鼓風(fēng)溫度有兩條途徑：一是提高拱頂溫度，另一是提高熱風(fēng)爐的溫度效率。

為了提高熱風(fēng)爐的送風(fēng)溫度，提高拱頂溫度是必要的。目前我國(guó)大部分熱風(fēng)爐實(shí)際的拱頂溫度與 1400℃的上限溫度尚存在差距，因此提高拱頂溫度仍然是熱風(fēng)爐工作者的重要任務(wù)之一。

我國(guó)熱風(fēng)爐進(jìn)一步提高拱頂溫度存在著諸多困難：1）現(xiàn)代高爐冶煉技術(shù)的進(jìn)步給熱風(fēng)爐提高風(fēng)溫帶來了高溫?zé)嵩垂?yīng)短缺的困難。它主要體現(xiàn)于兩方面：一是由于入爐焦比的降低，每噸生鐵產(chǎn)出的焦?fàn)t煤氣量減少了，使得許多企業(yè)的高熱值煤氣短缺；另一是隨著燃料比的降低，高爐煤氣日趨貧化。富氧鼓風(fēng)的推廣應(yīng)用，雖然得到一些補(bǔ)償，但沒有改變它的根本面貌?，F(xiàn)在，操作良好的高爐，其煤氣發(fā)熱值還不足 3000～3200kJ∕m3；2）由于擔(dān)心爐箅子壽命受到影響，對(duì)于提高熱風(fēng)爐廢氣溫度存在著疑慮。

通過改進(jìn)熱風(fēng)爐的設(shè)計(jì)，提高它的溫度效率,將拱頂溫度與送風(fēng)溫度之間的差值減小，這是當(dāng)前我們提高風(fēng)溫的另一手段。提高熱風(fēng)爐的溫度效率有以下兩大好處：一是可以獲得比較小的拱頂溫度和送風(fēng)溫度之間的差值，這就是說，在同樣高的拱頂溫度條件下，可以獲得更高一些的送風(fēng)溫度。這樣，既可以節(jié)約熱風(fēng)爐的能耗，又可以保證熱風(fēng)爐在遠(yuǎn)離大量產(chǎn)生 NOX 的拱頂溫度下操作，避免了熱風(fēng)爐拱頂鋼殼產(chǎn)生晶間應(yīng)力的可能和有利于減少環(huán)境污染。

近年來，我國(guó)大量熱風(fēng)爐使用了小孔徑格子磚。這些熱風(fēng)爐獲得的明顯效果是提高了溫度效率，將拱頂溫度與送風(fēng)溫度之間的差值縮小到～130℃。經(jīng)過這些熱風(fēng)爐的生產(chǎn)實(shí)踐，我們已經(jīng)積累了比較豐富的經(jīng)驗(yàn)。時(shí)至今日，我們有必要對(duì)這些經(jīng)驗(yàn)加于總結(jié)和提高。

2.2 格子磚的設(shè)計(jì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱量的吸收與儲(chǔ)存能力相等的原則[4]

蓄熱式熱風(fēng)爐格子磚在一個(gè)工作周期內(nèi)要完成熱量的吸收、儲(chǔ)存和傳出三個(gè)過程。因此格子磚的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足熱量吸收與儲(chǔ)存能力相等（即q吸收 = q傳出 = q儲(chǔ)存 ）的原則。

格子磚在燃燒期內(nèi)吸收以及送風(fēng)期內(nèi)傳出的熱量：

q傳遞=K·(ty-tf)，kcal/m2·周期         （5）

式中：K——熱風(fēng)爐周期換熱系數(shù)，kcal/m2·℃·周期

ty-tf——煙氣與鼓風(fēng)的對(duì)數(shù)平均溫度差，℃

格子磚在一個(gè)工作周期內(nèi)儲(chǔ)存的熱量：

式中：S/2 ——格子磚的半當(dāng)量厚度，m

c ——格子磚的比熱容，kcal/kg.℃

γ ——格子磚的容重，kg/m3

η磚 ——磚效率，%

?t磚面 ——在一個(gè)周期內(nèi)格子磚磚面的最高與最低溫度差，℃

在一個(gè)工作周期內(nèi)，格子磚的熱傳遞量與熱儲(chǔ)存量應(yīng)該是相等的。如果格子磚熱量的傳遞能力和儲(chǔ)存能力不相適應(yīng)，例如

則周期內(nèi)格子磚的熱交換量將取決于格子磚的蓄熱能力，盡管具有較大的熱量傳遞能力是徒勞的。相反，如果

周期內(nèi)格子磚的熱交換量將取決于格子磚的熱量傳遞能力，盡管具有較大的熱量?jī)?chǔ)存能力也是徒勞的。

如果不考慮熱損失，格子磚設(shè)計(jì)的基本原則應(yīng)該滿足：

在”煉鐵設(shè)計(jì)參考資料”一書中介紹了Alfred Schack 著作中關(guān)于ty 和tf 為變數(shù), αy ·τy=αf ·τf時(shí)K值的求法。這對(duì)于了解傳熱的中間過程是完全必要的。本文不再累述。但是工程計(jì)算中，如果只要求了解起始和最終結(jié)果，為了簡(jiǎn)化過程，可以采用當(dāng) ty·cp =const 和tf·cp =const ,且αy ·τy=αf ·τf，K 值為：

上式中n 可以是1 以上任意自然數(shù)。顯然，影響K 值有兩大因素：一是αy ·τy ，另一是格子磚的當(dāng)量厚度S 。

如果我們?nèi)?/span>n=1，且c=0.249kcal/kg.℃；γ﹦2080g/m3；η磚= 0.95；煙氣與鼓風(fēng)全爐的對(duì)數(shù)平均溫度差為ty-tf =129.74℃；αy τy = 37kcal/m2·℃。當(dāng)量厚度S 與K 值之間的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 格子磚的當(dāng)量厚度S 與K 值之間的關(guān)系

圖 3 數(shù)據(jù)告訴我們，αy τy 為定值時(shí)，K 值是隨格子磚的當(dāng)量厚度 S 的加大而升高的，因而其 1m2 加熱面積的熱交換量也是隨之增加的。但是如果換算成每 1kg 耐火材料的換熱能力（kcal/kg）來表示時(shí)，在所研究的特定區(qū)間內(nèi)其值是一常數(shù)，它是不隨當(dāng)量厚度 S 的不同而變化的。

在這里,我認(rèn)為有必要作如下說明：格子磚通道內(nèi)流體的速度應(yīng)與格孔直徑相適應(yīng)，保證它在紊流范圍內(nèi)運(yùn)行的臨界流速之上[5]。對(duì)于 4 座采用并聯(lián)送風(fēng)的熱風(fēng)爐，煙氣與鼓風(fēng)都達(dá)到各自的臨界流速是沒有問題的。對(duì)于 3 座采用 2 燒 1 送的高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐卻不同，要求的鼓風(fēng)達(dá)到臨界流速之上時(shí)，由于燃燒時(shí)間遠(yuǎn)大于送風(fēng)時(shí)間，整個(gè)格子磚室高度上煙氣平均流速難于達(dá)到臨界流速。但是燃燒期內(nèi)煙氣流速是可調(diào)控的，采用燃燒——燜爐就是它的手段之一。因此對(duì)于 3 座采用 2 燒 1 送的熱風(fēng)爐最起碼的要求是鼓風(fēng)應(yīng)該達(dá)到它的臨界流速。

現(xiàn)在有的人為了追求矮胖爐型，選取的鼓風(fēng)流速過低，其結(jié)果是在蓄熱室低溫區(qū)段上達(dá)到了紊流狀態(tài)， 而高溫區(qū)段上的流速仍然處于層流狀態(tài)，這就影響了熱風(fēng)爐αf ·τf 的充分發(fā)揮。如果想獲得矮胖爐型，采用大當(dāng)量厚度 S 值的格子磚才是良策。

2.3  熱風(fēng)爐使用小孔徑格子磚是把把雙刃劍

小孔徑格子磚在熱風(fēng)爐中使用是把雙刃劍。一方面，它可以獲得提高熱量傳遞能力的效果，為提高熱風(fēng)爐的溫度效率帶來有利的影響。另一方面，由于格孔的直徑越小，將造成格子磚室的阻力損失增加和輻射傳熱系數(shù)降低。

以下分別說明之。

1) 小孔格子磚可以提高送風(fēng)熱風(fēng)爐的溫度效率

在文獻(xiàn)[4]中介紹了蓄熱室熱交換過程中任一斷面上煙氣加熱介質(zhì)和空氣冷卻介質(zhì)之間的溫度關(guān)系：

式中：ty - tf  ——任一斷面上煙氣和空氣的平均溫度差，℃

ty1，tf1 ——分別為煙氣和空氣入口處的溫度，℃

Wy ,Wf——分別為煙氣和空氣的水當(dāng)量數(shù)，（Wy  = Vy · cy · τy.π kj/周期·℃；

Wf  = Vf · cf  · τy.π kj/周期·℃）

k——周期傳熱系數(shù)，KJ/m2·周期·℃

Fx ——煙氣流經(jīng)的加熱面積，m2

F ——蓄熱室的總加熱面積，m2

當(dāng)取煙氣入口處斷面作為研究對(duì)象， Fx = 0 時(shí)，式（9）將變?yōu)椋?/span>10）：

從上式可以看出：ty - tf 的大小，除了與煙氣和空氣入口處的溫度( ty1 - tf1  )有關(guān)外，還與kF/Wy 和Wy /Wf值有關(guān)。如果kF/Wy 和Wy /Wf 值越大，ty - tf將越小。其中改變煙氣和空氣的水當(dāng)量主要由操作因素決定，而合理使用小孔格子磚有利于獲得較大的kF 值，因此它可以通過減小ty - tf的差值的途徑來提高風(fēng)溫是有依據(jù)的。

2) 必須有相應(yīng)高的煤氣管網(wǎng)和助燃空氣壓力來支撐。

圖4 所示為格子磚室高度為25m，采用2 燒1 送工作制度的熱風(fēng)爐，在使用不同孔徑和流速w=1.1×wmin 時(shí)，鼓風(fēng)氣流（系列1）與煙氣氣流（系列2）的阻力損失圖。阻力損失的計(jì)算范圍包括：鼓風(fēng)和煙氣氣流進(jìn)入、離開格子磚室的局部阻損和格子磚孔道內(nèi)的摩擦阻力損失。顯然，隨著格孔直徑的縮小，阻力損失增加是很快的。在使用孔徑d=15mm的格子磚時(shí)，燃燒期內(nèi)煙氣氣流的阻力損失將達(dá)到394kg/m2。因此，采用小孔格子磚時(shí)，必須有相應(yīng)高的煤氣管網(wǎng)和助燃風(fēng)機(jī)的壓力來保證。

圖4 蓄熱室阻力損失圖

圖 13 褐鐵礦大顆粒不同分加比例情況下燒結(jié)礦的固結(jié)強(qiáng)度

3）輻射傳熱系數(shù)降低應(yīng)該加以補(bǔ)償

圖5 格子磚過渡區(qū)溫度曲線對(duì)比圖

不同文獻(xiàn)所記載的關(guān)于傳熱系數(shù)計(jì)算公式是有差異的，但有一條是肯定的：格孔的直徑越小，對(duì)流傳熱系數(shù)將加大，但是由于煙氣輻射射程相應(yīng)減小[6]將造成輻射傳熱系數(shù)降低。

為了彌補(bǔ)縮小格孔直徑帶來的輻射傳熱系數(shù)降低的缺點(diǎn)，可以通過高溫區(qū)格子磚采用涂抹高輻射涂料得到補(bǔ)償和加強(qiáng)。

直至目前，我國(guó)已經(jīng)有近 400 多座熱風(fēng)爐使用了高輻射涂料,它們都獲得了良好的效果。濟(jì)鋼高爐是其中的一例。

濟(jì)鋼 2 號(hào)高爐（1750m3）于 2005 年 4 月投產(chǎn)。其 1、2 號(hào)熱風(fēng)爐格子磚結(jié)構(gòu)完全相同，它們之間的差異僅在于 2 號(hào)熱風(fēng)爐上部 30 層格子磚采用了高輻射涂料技術(shù)，而 1 號(hào)熱風(fēng)爐未采用之。圖 5 是應(yīng)用 9 年后熱風(fēng)爐過渡區(qū)格子磚溫度曲線對(duì)比圖。它們的溫度測(cè)量點(diǎn)均位于 1#和 2#熱風(fēng)爐高度 17.62 處。從圖中可以看出，2號(hào)熱風(fēng)爐燃燒末期與送風(fēng)末期的溫度差明顯大于1號(hào)熱風(fēng)爐。這就是說，由于輻射傳熱的強(qiáng)化，既加大了格子磚的熱量傳遞能力，又加大了格子磚的熱量?jī)?chǔ)存能力。應(yīng)用9年后的事實(shí)表明高輻射涂料的長(zhǎng)期有效性。高輻射涂料技術(shù)的應(yīng)用，可以彌補(bǔ)小孔格子磚燃燒期輻射傳熱的弱化的缺點(diǎn)。小孔徑格子磚與高輻射涂料同時(shí)使用，對(duì)流和輻射傳熱都得到了加強(qiáng)。

2.4   頂燃式熱風(fēng)爐熱風(fēng)管道損壞問題

1）追溯我國(guó)熱風(fēng)爐的發(fā)展歷史，熱風(fēng)管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從來就存在問題

上一世紀(jì)80年代以前，傳統(tǒng)的熱風(fēng)管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基本上不考慮受熱膨脹以及熱風(fēng)壓力帶來的影響，給操作和維修帶來了諸多麻煩。由于當(dāng)時(shí)熱風(fēng)溫度較低，爐頂壓力不高，熱風(fēng)管道雖然也普遍地存在問題，但顯得不像現(xiàn)在那么嚴(yán)重。自從推廣應(yīng)用頂燃式熱風(fēng)爐以來，除了由于風(fēng)溫（1150～1300℃）和爐頂壓力（2.5kg/m2）高的因素之外，熱風(fēng)管道的受力狀態(tài)更加復(fù)雜了，熱風(fēng)壓力帶來的管道盲板力對(duì)系統(tǒng)工作影響更大，因此出現(xiàn)的問題更加普遍了。

2）熱風(fēng)出口損壞是頂燃式熱風(fēng)爐必須面對(duì)的問題

目前，我國(guó)許多頂燃式熱風(fēng)爐的熱風(fēng)支管段投產(chǎn) 2～3 年后，出現(xiàn)了磚襯變形甚至掉磚和鋼殼開裂的故障，嚴(yán)重威脅著熱風(fēng)爐的正常操作。

我們可以把頂燃式熱風(fēng)爐看作是一個(gè)固定在基礎(chǔ)上的筒體，熱風(fēng)支管布置在熱風(fēng)爐的一側(cè)上方。由于開孔的不對(duì)稱性以及熱風(fēng)出口標(biāo)高較高，使得熱風(fēng)爐在送風(fēng)期內(nèi)存在一個(gè)數(shù)值很大的盲板力矩，該力矩使熱風(fēng)爐本體出現(xiàn)了向這些開口相反方向傾斜的趨勢(shì)。而熱風(fēng)支管的三岔口處也是一個(gè)三通開口，存在著三通盲板力并通過拉桿作用于固定支點(diǎn)上。在這些數(shù)值很大的盲板力作用下，熱風(fēng)出口處出現(xiàn)較大的變形， 其結(jié)果必將擠壓周圍磚襯，顯然首先擠碎的是隔熱磚，并導(dǎo)致鋼殼溫度升高。上述過程周而復(fù)始出現(xiàn)，將出現(xiàn)變形加劇，溫度不斷升高的惡性循環(huán)，最終結(jié)果是熱風(fēng)出口磚襯變形甚至掉磚和鋼殼開裂。

3)  解決辦法

在熱風(fēng)出口和三岔口部位的鋼殼處增設(shè)足夠強(qiáng)度的鋼箍＋穩(wěn)定的組合磚結(jié)構(gòu)。在這里，應(yīng)該作一更明確的說明：箍必須有足夠的強(qiáng)度，保證在盲板力矩的作用下，箍的伸長(zhǎng)量足夠小。與此同時(shí)，穩(wěn)定的組合磚結(jié)構(gòu)也是必須的。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉云彩．預(yù)防高爐爐缸燒穿．2012 年全國(guó)高爐長(zhǎng)壽與高風(fēng)溫技術(shù)研討會(huì)論文集，P.18．

[2] 李亞偉等．高爐炭磚孔結(jié)構(gòu)與導(dǎo)熱系數(shù)相關(guān)系數(shù)研究．2012 年煉鐵學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，P.222．

[3] 武會(huì)卿等．采用導(dǎo)熱型爐缸爐底碳復(fù)合磚實(shí)現(xiàn)高爐安全長(zhǎng)壽初見成效．2012  年煉鐵學(xué)術(shù)年會(huì)文集（下）P.126．

[4] Alfred  Schack:  Der  industrielle  w?rmeübergang ( 俄文翻譯版：Промышленная  еплопередача) ΜΕΤΑΛΛУРГИЗДАТ 1961 P.400, P.360-361．

[5] 煉鐵設(shè)計(jì)參考資．1974  冶金工業(yè)出版社，P417．

[6] Ф?Р?Шалкин,Доменные воздухонаглеватели ΜΕΤΑΛΛУРГИя 1982 P139．