热风炉改造系列篇（一）

外燃式热风炉如何大修改造？

看4300m³高日本炉外燃式热风炉改造为卡卢金热风炉工程

王长春、姜曦

一、高炉用热风炉技术发展历程和项目概述

      在现代炼铁工业，高炉用热风炉的形式主要有三种，内燃式、外燃式和顶燃式。内燃式热风炉是应用最久的一种热风炉结构，20世纪60年代，工程技术人员在内燃式热风炉的基础上开发了外燃式热风炉，并迅速推广应用在大中型高炉上。外燃式热风炉的类型有科珀式（Copper）、新日铁式、马琴式和帝德式（Didier）四种（附图1）。外燃式热风炉最主要特点是燃烧室独立于蓄热室之外，燃烧室和蓄热室通过拱顶（如帝德式）或连接管（如科珀式、新日铁式、马琴式）相连接。外燃式热风炉克服了内燃式热风炉隔墙易损、气流偏析等缺点，在热风炉相同直径的条件下，外燃式热风炉的蓄热室面积比内燃式增大25%~30%，实际热风温度能达到1200℃~1250℃，但却使热风炉的构造更加复杂，占地面积增加，设备投资也有较大幅度提高。

      国内在大中型高炉上应用的外燃式热风炉形式主要为帝德式、新日铁式、马琴式三种，尤以新日铁式外燃式热风炉居多。

      自上世纪90年代，卡卢金顶燃式热风炉（卡卢金热风炉）开始迅速地得到推广应用。同样地以内燃式热风炉为研究基础，但卡卢金热风炉并不关注对燃烧室结构、布置方式的改进，而是直接取消了燃烧室，在拱顶上部设置了带有空煤气喷射涡流式供气系统的预燃室，空煤气在进入蓄热室之前已充分燃烧。卡卢金认为，取消了燃烧室，就彻底消除了内燃式、外燃式热风炉因为燃烧室而带来的一系列结构缺陷。卡卢金热风炉最初应用在内燃式热风炉改造工程中并取得了巨大成功。到2009年，卡卢金热风炉已经在俄罗斯、中国、印度、乌克兰等国家得到推广应用，并已经成功应用在俄罗斯、中国的3000m³以上大高炉工程中。

      日本JFE公司福山工厂3号高炉原配置4座Copper形式的外燃式热风炉，热风炉长期受到晶间应力腐蚀困扰，热风炉风温一直在1100℃~1150℃徘徊，尤其是3#热风炉的燃烧室和蓄热室之间的连接管补偿器腐蚀损坏最为严重。在2009年，正值该高炉扩容（由3223m³扩容到4300m³）工程，JFE公司决定首先对3#热风炉进行大修改造，并最终确定采用卡卢金顶燃式热风炉技术，改造工程于2011年完成并顺利投产。改造后的卡卢金热风炉风温长期稳定在1200℃以上，,NOx排放远低于设计要求。

      历经5年运行考核后，JFE公司于2016年与卡卢金公司签署合同，对3号高炉余下的3座外燃式热风炉逐一进行改造，其中4#热风炉已经在2017年底完成改造即将投产。

     这项令业界瞩目的大高炉外燃式热风炉改造工程自正式启动、建成、运行考核、继续改造已经历时7年，并将于2020年全部完工。该工程在高炉炼铁用热风炉技术发展中具有重要的里程碑作用，主要是确定了卡卢金热风炉具有取代外燃式热风炉的明显优势，其次是通过深入的技术合作，带动卡卢金热风炉提高到一个新的技术水平。

二、日本JFE公司3号高炉外燃式热风炉改造工程基本内容

      日本JFE公司3号高炉配置4座Copper形式的外燃式热风炉，热风炉的高温区炉壳全部采用外保温，但仍然不能避免炉壳受到晶间应力腐蚀损害，主要表现在燃烧室和蓄热室拱顶炉壳焊缝腐蚀开裂、连接管补偿器波纹管腐蚀开裂。另外，混风室的混风支管也一直受到晶间应力腐蚀，需要频繁对焊缝进行修补，热风炉风温长期低于1150℃。随着高炉扩容（由3223m³扩容到4300m³）工程，JFE公司决定首先对故障率最高的3#热风炉进行大修改造。大修技改方案只有两种选择，即原型重建和技术改型，但当时的卡卢金热风炉尚未应用到4000m³级别大高炉上。

    JFE公司独立地对当时的卡卢金热风炉技术进行了长期、详细的考察，并经过与卡卢金进行了多次技术讨论，最终决定在福山工厂3号高炉3#热风炉改造工程中采用卡卢金顶燃式热风炉技术。

1、不同结构的热风炉特性比较如下表

2、将带连接管的外燃式热风炉改造为卡卢金热风炉的基本技术方案

（1） 取消外燃式热风炉燃烧室结构和连接管结构，拆除外燃式热风炉蓄热室内衬，利用外燃式热风炉蓄热室的部分直段炉壳结构（+17.00米以下）改建为卡卢金热风炉本体，热风支管的水平段与现有热风管道在同等标高上对接，如附图2；

（2）蓄热室高温区采用硅质格子砖，采用φ30mm孔径格子砖取代φ43mm孔径格子砖，采用卡卢金设计的无托梁独立支撑的耐热铸铁炉箅子；

（3）新建卡卢金热风炉空煤气支管；

（4）热风支管带混风室结构，将原来的顶部接入混风管方式改为侧面接入混风管方式，如附图3；

（5）取消热风炉外保温设施，现有阀门设备利旧。

3、热风炉改造工程主要技术指标和技术特点

（1）冷风风量由5000nm³/min提高到7100-7400nm³/min；

（2）蓄热面积提高约8.5%，单位风量蓄热面积达到41.1~42.8㎡/（nm³/min），送风时间由1.0小时提高到2.0小时，风温约1200℃；

（3）利用现有外燃式热风炉蓄热室部分直段炉壳，从而使基础利旧，冷风管道、烟道利旧、空煤气主管利旧，因此大幅度减少了热风炉改造工程量；

（4）现场高炉煤气入炉压力较低（5.5Kpa），这要求卡卢金热风炉燃烧器和蓄热室的设计充分满足煤气燃烧工况条件。在提高热风炉供热能力的同时，要在技术上保障热风炉长期稳定工作；

（5） 充分利用原外燃式热风炉现有的混风室结构，从而使热风支管与现有热风主管直接对接。与用户充分讨论后将混风室顶部接入混风管方式改造为侧面接入，事实证明这种改进可以彻底解决混风管钢壳晶间应力腐蚀问题；

（6）  接受来自日本大型钢铁公司的工程经验，重新修改了卡卢金热风炉无托梁炉箅子的设计。尤其是边缘格子砖技术，与早期的六角边砖形式相比，在没有增加蓄热室截面积的情况下，多孔边缘格子砖增加了约7~8%的通孔数，同时保证边缘格子砖具有至少两个锁扣，因此增加了边缘格子砖的稳定性，也取消了现场切割格子砖的工作量；

（7）这次技术合作还促使卡卢金全面修改了炉箅子、格子砖等设备和材料的质量验收规范；

（8）热风炉改造工程完工后历经5年运行考核，NOx排放全面低于设计指标。实际上，改造后的卡卢金热风炉炉壳也从未出现过晶间应力腐蚀（附图4）。

三、总结与效益

1. 该项工程以及同时进行的JFE公司福山工厂4号高炉（5000m³）4#外燃式热风炉改造为卡卢金热风炉工程，在世界高炉炼铁业界首次完成了大高炉（带连接管式的）外燃式热风炉改造为卡卢金热风炉的工业实践。根据JFE公司测算，与原型重建相比，工程投资降低20~25%。

2. 改造后卡卢金热风炉供热能力大幅度提高，风温实质性地得到提高（50℃~100℃）。取消了热风炉炉壳外保温后的卡卢金热风炉运行稳定，没有发生晶间应力腐蚀问题，大幅度降低了热风炉维护费用，综合效益比较显著。

3. 日本JFE公司外燃式热风炉改造为卡卢金热风炉工程采用了不停产改造方式，这为大中型高炉外燃式热风炉大修技改开拓了减损增效的新模式。该工程已经历经多年运行考核，为国内大中型高炉外燃式热风炉大修技改提供了新的技术方向。