卡鲁金顶燃式硅砖热风炉的烘炉操作及其改进
1.引言
近年来，俄罗斯卡鲁金（Kalugin）顶燃式热风炉具有结构紧凑、高温长寿、热效率高等突出优点，在我国钢铁行业迅速得以应用。例如，莱钢750m3和2200m3，济钢1750m3，淮钢两座450m3，青钢两座500m3和重钢高炉热风炉都采用此结构形式的热风炉。
青钢于2004年先后建成投产的两座500m3高炉，分别于9月17日至10月16日，为期30天和10月30日至11月21日为期23天对卡鲁金（Kalugin）顶燃式硅砖热风炉进行烘炉操作。下面就青钢两座500m3高炉应用的卡鲁金顶燃式硅砖热风炉的基本情况，技术特征也做了描述。同时对卡鲁金顶燃式硅砖热风炉烘炉操作及其改进情况作以介绍。
2.青钢采用卡鲁金顶燃式热风炉情况简介
青钢两座500m3高炉热风炉采用俄罗斯卡鲁金顶燃式热风炉。 500m3高炉热风炉设计工艺参数如表1。
2．1 卡鲁金顶燃式热风炉结构方面的特点：
卡鲁金顶燃式热风炉是前苏联冶金热工研究院在20世纪70年代研究开发出一种顶燃热风炉。于1982年在下塔吉尔冶金公司的1513m3高炉上建成，该顶燃热风炉的特点是：
（1）燃烧用的煤气和助燃空气的环道和喷口安置在热风炉的炉壳内，这样可以节省热风炉组的占地面积。（2）在热风炉球顶的基部设有一环形燃烧器，有50个小直径陶瓷质烧嘴，煤气与助燃空气混合良好，保证在1.0~1.5m的高度上完全燃烧，彻底消除了燃烧脉动。（3）燃烧器上设有调节装置，可使各烧嘴燃烧产生的烟气流量均匀地分布到蓄热室的断面，其不均匀程度在±5%以内，整个周期内，蓄热室横断面上的温度分布不均匀程度在±2%~3%。（4）热风炉拱顶、炉墙、格子砖和炉壳加热均匀而且对称，拱顶只有一个热风出口孔，保证热风炉拱顶在高温下的稳定性。
该座热风炉在工作后，风温维持在1150~1220℃区间内工作。经过4年、10年和16年3次凉炉观察和测定，拱顶、燃烧装置、格子砖等状态完好，预计该热风炉可在不做任何大中修的情况下工作30年。
1. 预燃室2.助燃空气入口3.空气道4.空气喷口5.煤气入口6.煤气道7.煤气喷口8.拱顶 9. 格子砖10.11.煤气、空气燃烧阀12.热风阀13.14.煤气、空气膨胀器15.热风管道膨胀器16.氮气管道17.煤气调节阀18.煤气切断阀19.空气调节阀20.煤气流量孔板21.空气流量孔板22. 煤气膨胀器23. 空气膨胀器24.烟道阀25.冷风阀
表1 青钢 500m3高炉卡鲁金顶燃热风炉设计工艺参数表
参数名称 | 单 位 | 计算结果 | 参数名称 | 单 位 | 计算结果 |
热风炉座数 总高度 一个工作周期 送风期 温度：拱顶 热风 冷风 助燃空气 高炉煤气 烟气，平均 最大 格子砖形式 | m h h ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ | 3 33.200 2.25 0.75 1370 1250 150 220 220 348 500 19孔，Ф30 | 消耗量：风量 煤气耗量 空气量 烟气量 格子砖高度 蓄热室断面积 加热面积 格子砖重量 煤气热值 空气过剩系数 高热值附加 热效率 | m3/min m3/h m3/h m3/h m m2 m2 t kJ/m3 % % | 1900 37042 25179 59795 17.040 26.4 21593 540 3203 1.10 0.00 76.01 |
这种结构热风炉的不足之处是：①环形燃烧器各烧嘴处的砖型多而且复杂；②为使环道、喷口到各烧嘴的煤气量均匀分配，需要在热风炉投产前用调节装置进行调整，工作量大而且繁琐；③热风炉的拱顶直径比一般内燃式热风炉大，不利于现在生产的内燃式热风炉改造为顶燃式。创造者卡鲁金在3座这种结构热风炉工作经验的基础上，对该结构作了改进：①缩小了球顶的直径，适应现有内燃式热风炉改造应用；②改进了环形燃烧器煤气和助燃空气的供给方式，取消调节装置，改为微机控制的涡流供给，煤气和助燃空气混合很好，燃烧完全；③热风炉火墙和燃烧器砖型简化；④新设计格孔直径30mm的六边形格子砖(带有19孔)，加热面达到48.0m2/m3(圆孔)和48.7 m2/m3(锥孔)，这样蓄热室内的热交换系数提高1.5倍，在热风炉的功率保持不变的情况下蓄热室高度可降低40%~50%；⑤整个热风炉的投资可节约50%左右。
2.2 卡鲁金顶燃式硅砖热风炉在砌筑方面的主要特点：
（1）卡鲁金(KALUGIN)顶燃式硅砖热风炉整体上可分为蓄热室、拱顶和预燃室三大部分。青钢500m3高炉采用的卡鲁金(KALUGIN)顶燃式硅砖热风炉标高18.19m以下为蓄热室部分；标高 18.19m- 28.34m为拱顶部分；标高 28.34m- 33.70m为预燃室部分。每两结合部均预留足够的膨胀、滑移缝。在实际生产中，形同金属膨胀节一样，各部可独立自由胀缩、滑移。而对另外部分，砌体不产生影响。拱顶和预燃室载荷均通过炉壳直接作用于炉底基础上。
（2）蓄热室部分根据温度要求不同采用自下向上 RN-42,HRN-42,YHRS三种不同材质的19孔格子砖。在结合界面采用逐渐过渡、花砌的办法，以消除两种不同材质耐火砖因性能差异而出现的问题。
（3）卡鲁金(KALUGIN)顶燃式硅砖热风炉核心部分-预燃室（属专利产品），在设计上较为独特。预燃室分为煤气和助燃空气两大室。每个室均有两排多个通气孔道。除助燃空气有一排孔道沿垂直方向进入燃烧室外，其它孔道均按一定角度沿燃烧室近切线方向进入。在燃烧室内气流形成螺旋状以达到煤气和助燃空气充分混合和完全燃烧的目的。在全高炉煤气作为燃料的情况下设计热风温度可达1250℃。在材质上采用ML-72(莫来石堇青石)、HRN-48（低蠕变粘土砖）。并且，在砌筑上根据不同部位、不同用途采用混砌的形式。
3.卡鲁金顶燃式硅砖热风炉烘炉及其改进
3.1.热风炉烘炉准备工作
青钢两座500 m3高炉采用的俄罗斯卡鲁金顶燃式热风炉均采用天津热能设备厂专用内燃式烘炉器进行烘烤。烘炉器安装在热风炉顶部燃烧器的下部点火孔上。该设备用柴油做燃料，产生的热气体，经配风系统调节送风温度。送风系统出口风速达到80m/s，产生很大的动能，搅动燃烧产物循环使炉内温度均匀，提高了烘烤质量。
烘炉以前需做好如下准备工作：
(1)热风炉的修建和检修工作全部完成，并达到质量要求。(2)热风炉系统各阀门必须进行全部联合，联锁试车，各机电设备运转正常。(3)热风炉冷却水通水正常。(4)各仪表必须正常运转，保证准确可靠，特别是炉顶温度，废气温度，煤气压力表必须保证好用。(5)各热风炉试漏合格，漏处处理完毕。(6)烟囱烘好，具有抽力。(7)如热风炉烘炉期间，高炉内常有人施工，热风炉与高炉必须做彻底的隔断。（8）一切烘炉设施全部安装完毕。提供三相380V动力电源，24小时不间断，供3台18.5kw/台助燃风机和油泵及现场照明使用。（9）准备好可装约10t柴油的油罐。（10）提供不间断压缩空气气源，压力≥0.6MPa。（11）烘炉报表台帐等数据记录及材料器具准备完毕。
3.2烘炉曲线的制订
青钢5号、6号高炉热风炉在结构上炉顶和上部高温区采用了硅砖砌筑。在烘炉过程中试验了两种烘炉曲线。烘炉曲线是俄方提供，计划30天。烘炉时严格按烘炉曲线升温温度误差±2℃。实际烘炉时间5号高炉热风炉为30天，6号高炉热风炉为23天。这两座高炉热风炉计划和实际烘炉曲线如图2所示。图3为 霍戈文(Hoogovens)供鞍钢新1号高炉(3200m3) 硅砖热风炉为期20天的烘炉曲线。
硅砖热风炉的烘炉曲线是最复杂的一种。这些不同升温阶段的作用如下：
(1)在300℃以前13天，目的是排除砌体中的机械附着水分，同时也兼顾了γ-鳞石英向β- 鳞石英，继而向α-鳞石英的转化。
(2)在300-600℃区间的6天，有利于继续排除砌体深度上的水分。此外，在这个温度附近在砖中可能存在β-方石英向α-方石英的转化，它伴随着产生较大的体积膨胀，缓慢升温时间长可以减少砌体厚度方向上的温度差，避免砌体损坏
