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摘 要：某1000m3高炉内燃式热风炉内衬出现问题，拟对其进行改造。通过对改造方案、布置形式、热风炉形式、燃烧器等几方面进行分析对比，综合考虑投资、占地、生产操作、检修维护、对生产的影响、不利因素等方面的情况，最终优选方案为：新增一座内燃式热风炉，采用“一列式”布置，对原有两座热风炉内衬进行改造，燃烧器采用矩形燃烧器。同时对现有内燃式热风炉的砌筑结构、耐火材料材质等方面做了改进，增强隔墙的稳定性。
关键词：内燃式热风炉 改造 设计
中图分类号：TF578 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）006-070-02
1 前言
某1000m3高炉配3座内燃式热风炉，采用悬链线拱顶、“苹果形”燃烧室、格栅式陶瓷燃烧器，设置分离式热管换热器回收烟气余热，将煤气和助燃空气预热到180℃，设计风温1170℃。
该高炉于2004年投产，实际生产中，由于除尘效率不好，格子砖堵塞、渣化情况较严重，于2008年更换了燃烧器、格子砖及燃烧室火井墙，开炉后热风温度在1050～1100℃。2011年底发现隔墙开裂，2013年由于火井隔墙向内倾斜倒塌、堵塞燃烧器，烧炉不顺，热风温度仅在900～1000℃，导致焦比升高，能耗增高。因此热风炉需要大修改造，改造后要求风温提高到1200℃，热风炉寿命提高到10年以上。
针对该高炉热风炉现状，同时结合国内部分800～2600m3高炉内燃式热风炉改造后的情况，提出了3种改造方案，通过对改造方案、布置形式、热风炉形式、燃烧器等方面的分析对比，最终优选出了1套改造方案，同时也对现有热风炉的薄弱环节提出了改进措施。
2 方案优化
2.1 热风炉改造主体方案的对比
目前国内已经投产的类似的内燃式热风炉改造主要有3种方案：方案一，对原有3座热风炉内部耐火材料进行改造；方案二，增加1座热风炉，对原有2座热风炉内部耐火材料进行改造；方案三，新建3座热风炉。
方案一没有增加热风炉，占地最小，投资也最低，总工期较短，但是对高炉生产的影响最大，高炉停炉时间最长。因为现有热风温度仅为900～1000℃，远低于设计风温，若一座热风炉中修，仅2座热风炉无法维持生产，高炉必须停炉直至3座热风炉全部中修完，因此采用该方案是不利的。
方案二新增1座热风炉，占地、投资、总工期适中，新增热风炉投产后，原有3座热风炉可以逐一停炉中修，这样始终有3座热风炉处于生产状态，仅新老管道对接时高炉停炉几天，影响较小。
方案三新建3座热风炉，高炉停炉时间也较短，但是占地、投资最高，总工期最长，也较为不利。
为保证热风炉改造时高炉能正常生产，减小今后热风炉维修对高炉造成的不利影响，进一步提高和稳定风温，拟选择方案二，即新增1座热风炉，并对其中两座热风炉轮流中修。今后如果高炉扩容，还可以将现有第3座热风炉中修后投入生产。
2.2 热风炉的布置方式的对比
根据现有总图布置状况以及工艺特点，新增热风炉的布置形式可采用“一列式”和“并列式”。“一列式”——新增热风炉布置在原有3座热风炉同一中心线上，占据了原有换热器区域。“并列式”——新增热风炉布置在原有3座热风炉南侧预留绿化带。两种布置方式对比分析如下：
（1）操作维护。新增热风炉采用“一列式”布置，与现有热风炉一致，有利于操作控制；采用“并列式”布置，与现有热风炉不一致，由于管道走向、长度变化较大，阻损不同，对烧炉操作控制造成一定影响。
（2）占地、投资。“一列式”占地小，投资低；“并列式”占地大，新增管道较长，投资约增加400～500万元。但是由于采用“一列式”布置时，原有换热器需移地大修，考虑该费用以后，二者基本相当。
（3）施工难易程度及工期。“一列式”场地受限，施工困难，工期略长，施工成本略高；“并列式”不受场地限制，施工方便。
（4）不利因素。“一列式”占用原有换热器区域，须对换热器系统设备、管道等进行移地改造；而“并列式”不占用原换热器区域，换热器设施可以根据其运行状况确定何时更新，相对有利。“并列式”热风管道较长，“一列式”热风管道较短，热风管道越长，散热损失越大，投资也就越高，也就越不利。
因此，采用“一列式”布置，与现有热风炉基本一致，便于以后生产操作、维护，而且占地较小，更有利。
2.3 热风炉形式比较
目前，由于顶燃式热风炉取消了隔墙，减少了一个薄弱环节，所以在新建高炉中得到广泛应用。因此，新增热风炉设计了2种形式：内燃式热风炉或者顶燃式热风炉。对其对比分析如下：
（1）操作控制。内燃式热风炉与现有热风炉一致，更有利于操作控制。
（2）占地、投资。占地二者相当。顶燃式热风炉本体投资低于内燃式热风炉。但是顶燃式热风炉热风出口标高与现热风主管标高不一致，需要设置热风竖管将其连接起来，而且顶燃式热风炉的热风、煤气、助燃空气管道中心标高较高，框架、平台及走梯等相对投资也高，以致单座顶燃式热风炉投资高于单座内燃式热风炉。
（3）检修维护。内燃式热风炉煤气、助燃空气、热风阀门的位置比顶燃式热风炉低得多，检修。维护相对容易。
（4）不利因素。内燃式热风炉固有的隔墙结构是其薄弱环节，稳定性较差，但是国内外均有成功应用的实例，如武钢所有高炉均采用内燃式热风炉，其本体内衬均经过了长期、高温的实践检验，未发生隔墙开裂倒塌的问题，证明采用内燃式热风炉也是可靠的选择。顶燃式热风炉没有隔墙，结构简单、稳定；但是连接热风出口与热风总管的热风竖管的结构复杂，内衬的稳定性较差。
目前两种形式技术都很成熟，均可实现最高1200℃以上高风温，且有长期成功的运行实践。对本高炉而言，采用内燃式热风炉，更有利于生产操作、检修维护，投资略低，对现有内燃式热风炉而言，通过优化耐火砌体结构和耐火材料材质等措施，是能够增强隔墙的稳定性的。 2.4 热风炉燃烧器比较
内燃式热风炉燃烧器也有2种方案：矩形燃烧器和格栅式燃烧器，现在对这两种燃烧器进行分析对比。
从燃烧器特点来比较，矩形燃烧器，燃烧火焰较长；与之相配合的“眼睛形”燃烧室，蓄热室的死角小，有利于气流在格子砖中的均匀分布。格栅式燃烧器，燃烧火焰较短，燃烧完全；与之相配合的“苹果形”燃烧室，蓄热室的死角大，气流在格子砖中分布的均匀性稍差。
从操作维护来比较，采用格栅式燃烧器与现有热风炉一致，更加有利于操作控制。
对新建热风炉而言选用这两种燃烧器投资相当。现有热风炉改造采用矩形燃烧器必须更换全部隔墙，燃烧器及部分炉篦子，投资较高。采用格栅式燃烧器则可酌情更换部分火井墙，燃烧器及炉篦子视破损情况看能否保留，投资相对较低。
同时，采用矩形燃烧器烧炉时，由于火焰较长，高温区相对分散并趋于燃烧室中、上部，有利于燃烧室结构稳定。格栅式燃烧器烧炉时高温区相对集中在燃烧室下部，对该部位燃烧室的耐火材料要求相对要高，因此燃烧室中下部耐火材料要选用性能指标较高的材料；而且在燃烧室中下部燃烧以后会产生大量烟气，对隔墙冲击较大。
目前两种燃烧器均能满足生产需求，但是采用矩形燃烧器更为合理、可靠。
3 改进措施
现有内燃式热风炉隔墙出现开裂、倒塌的现象，因此需要采取措施增强隔墙的稳定性。主要在砌筑结构和耐火材料的材质、性能指标等方面进行了改进。
3.1热风炉隔墙砌筑结构
（1）采用自立式隔墙，内衬设置合理的滑动结构和膨胀结构，这样隔墙能够自由的膨胀和滑动，不会因为膨胀无法吸收导致变形、倒塌。
（2）隔墙略加厚。隔墙越厚，隔墙砖温度梯度越小，那么产生的变形就均匀，隔墙就越稳定。但是隔墙越厚，蓄热室断面积就越小，综合考虑隔墙只能加厚约30mm。
3.2 热风炉本体用耐火材料
（1）燃烧器上部温度变化比较剧烈，更宜采用耐火度和荷重软化温度高，具有良好高温稳定性和抗热震性的红柱石砖，有利于延长隔墙寿命。
（2）提高低蠕变高铝砖的性能指标，使之与炉内温度、应力分布、化学侵蚀特点相适应。
（3）严格控制耐火材料性能和施工质量，才能保证隔墙的寿命。
4 结语
本文对国内已经投产的类似的内燃式热风炉改造项目的3种方案进行分析对比，并针对该1000m3高炉内燃式热风炉目前生产情况，综合考虑了投资占地、生产操作、检修维护、对生产的影响、不利因素等方面情况，最终优选设计方案为：新增1座内燃式热风炉，采用“一列式”布置，对原有2座热风炉内衬进行改造，燃烧器采用矩形燃烧器。
同时为增强现有内燃式热风炉的隔墙的稳定性，在其砌筑结构、耐火材料的材质和性能指标等方面做了改进，该项目设计方案实施后，可以满足送风温度提高到1200℃和热风炉寿命>10年的要求。
参考文献：
[1] 舒军.高温内燃式热风炉的发展及特征[J].炼铁，1998（2）：12-15.
关键词：内燃式热风炉 改造 设计
中图分类号：TF578 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）006-070-02
1 前言
某1000m3高炉配3座内燃式热风炉，采用悬链线拱顶、“苹果形”燃烧室、格栅式陶瓷燃烧器，设置分离式热管换热器回收烟气余热，将煤气和助燃空气预热到180℃，设计风温1170℃。
该高炉于2004年投产，实际生产中，由于除尘效率不好，格子砖堵塞、渣化情况较严重，于2008年更换了燃烧器、格子砖及燃烧室火井墙，开炉后热风温度在1050～1100℃。2011年底发现隔墙开裂，2013年由于火井隔墙向内倾斜倒塌、堵塞燃烧器，烧炉不顺，热风温度仅在900～1000℃，导致焦比升高，能耗增高。因此热风炉需要大修改造，改造后要求风温提高到1200℃，热风炉寿命提高到10年以上。
针对该高炉热风炉现状，同时结合国内部分800～2600m3高炉内燃式热风炉改造后的情况，提出了3种改造方案，通过对改造方案、布置形式、热风炉形式、燃烧器等方面的分析对比，最终优选出了1套改造方案，同时也对现有热风炉的薄弱环节提出了改进措施。
2 方案优化
2.1 热风炉改造主体方案的对比
目前国内已经投产的类似的内燃式热风炉改造主要有3种方案：方案一，对原有3座热风炉内部耐火材料进行改造；方案二，增加1座热风炉，对原有2座热风炉内部耐火材料进行改造；方案三，新建3座热风炉。
方案一没有增加热风炉，占地最小，投资也最低，总工期较短，但是对高炉生产的影响最大，高炉停炉时间最长。因为现有热风温度仅为900～1000℃，远低于设计风温，若一座热风炉中修，仅2座热风炉无法维持生产，高炉必须停炉直至3座热风炉全部中修完，因此采用该方案是不利的。
方案二新增1座热风炉，占地、投资、总工期适中，新增热风炉投产后，原有3座热风炉可以逐一停炉中修，这样始终有3座热风炉处于生产状态，仅新老管道对接时高炉停炉几天，影响较小。
方案三新建3座热风炉，高炉停炉时间也较短，但是占地、投资最高，总工期最长，也较为不利。
为保证热风炉改造时高炉能正常生产，减小今后热风炉维修对高炉造成的不利影响，进一步提高和稳定风温，拟选择方案二，即新增1座热风炉，并对其中两座热风炉轮流中修。今后如果高炉扩容，还可以将现有第3座热风炉中修后投入生产。
2.2 热风炉的布置方式的对比
根据现有总图布置状况以及工艺特点，新增热风炉的布置形式可采用“一列式”和“并列式”。“一列式”——新增热风炉布置在原有3座热风炉同一中心线上，占据了原有换热器区域。“并列式”——新增热风炉布置在原有3座热风炉南侧预留绿化带。两种布置方式对比分析如下：
（1）操作维护。新增热风炉采用“一列式”布置，与现有热风炉一致，有利于操作控制；采用“并列式”布置，与现有热风炉不一致，由于管道走向、长度变化较大，阻损不同，对烧炉操作控制造成一定影响。
（2）占地、投资。“一列式”占地小，投资低；“并列式”占地大，新增管道较长，投资约增加400～500万元。但是由于采用“一列式”布置时，原有换热器需移地大修，考虑该费用以后，二者基本相当。
（3）施工难易程度及工期。“一列式”场地受限，施工困难，工期略长，施工成本略高；“并列式”不受场地限制，施工方便。
（4）不利因素。“一列式”占用原有换热器区域，须对换热器系统设备、管道等进行移地改造；而“并列式”不占用原换热器区域，换热器设施可以根据其运行状况确定何时更新，相对有利。“并列式”热风管道较长，“一列式”热风管道较短，热风管道越长，散热损失越大，投资也就越高，也就越不利。
因此，采用“一列式”布置，与现有热风炉基本一致，便于以后生产操作、维护，而且占地较小，更有利。
2.3 热风炉形式比较
目前，由于顶燃式热风炉取消了隔墙，减少了一个薄弱环节，所以在新建高炉中得到广泛应用。因此，新增热风炉设计了2种形式：内燃式热风炉或者顶燃式热风炉。对其对比分析如下：
（1）操作控制。内燃式热风炉与现有热风炉一致，更有利于操作控制。
（2）占地、投资。占地二者相当。顶燃式热风炉本体投资低于内燃式热风炉。但是顶燃式热风炉热风出口标高与现热风主管标高不一致，需要设置热风竖管将其连接起来，而且顶燃式热风炉的热风、煤气、助燃空气管道中心标高较高，框架、平台及走梯等相对投资也高，以致单座顶燃式热风炉投资高于单座内燃式热风炉。
（3）检修维护。内燃式热风炉煤气、助燃空气、热风阀门的位置比顶燃式热风炉低得多，检修。维护相对容易。
（4）不利因素。内燃式热风炉固有的隔墙结构是其薄弱环节，稳定性较差，但是国内外均有成功应用的实例，如武钢所有高炉均采用内燃式热风炉，其本体内衬均经过了长期、高温的实践检验，未发生隔墙开裂倒塌的问题，证明采用内燃式热风炉也是可靠的选择。顶燃式热风炉没有隔墙，结构简单、稳定；但是连接热风出口与热风总管的热风竖管的结构复杂，内衬的稳定性较差。
目前两种形式技术都很成熟，均可实现最高1200℃以上高风温，且有长期成功的运行实践。对本高炉而言，采用内燃式热风炉，更有利于生产操作、检修维护，投资略低，对现有内燃式热风炉而言，通过优化耐火砌体结构和耐火材料材质等措施，是能够增强隔墙的稳定性的。 2.4 热风炉燃烧器比较
内燃式热风炉燃烧器也有2种方案：矩形燃烧器和格栅式燃烧器，现在对这两种燃烧器进行分析对比。
从燃烧器特点来比较，矩形燃烧器，燃烧火焰较长；与之相配合的“眼睛形”燃烧室，蓄热室的死角小，有利于气流在格子砖中的均匀分布。格栅式燃烧器，燃烧火焰较短，燃烧完全；与之相配合的“苹果形”燃烧室，蓄热室的死角大，气流在格子砖中分布的均匀性稍差。
从操作维护来比较，采用格栅式燃烧器与现有热风炉一致，更加有利于操作控制。
对新建热风炉而言选用这两种燃烧器投资相当。现有热风炉改造采用矩形燃烧器必须更换全部隔墙，燃烧器及部分炉篦子，投资较高。采用格栅式燃烧器则可酌情更换部分火井墙，燃烧器及炉篦子视破损情况看能否保留，投资相对较低。
同时，采用矩形燃烧器烧炉时，由于火焰较长，高温区相对分散并趋于燃烧室中、上部，有利于燃烧室结构稳定。格栅式燃烧器烧炉时高温区相对集中在燃烧室下部，对该部位燃烧室的耐火材料要求相对要高，因此燃烧室中下部耐火材料要选用性能指标较高的材料；而且在燃烧室中下部燃烧以后会产生大量烟气，对隔墙冲击较大。
目前两种燃烧器均能满足生产需求，但是采用矩形燃烧器更为合理、可靠。
3 改进措施
现有内燃式热风炉隔墙出现开裂、倒塌的现象，因此需要采取措施增强隔墙的稳定性。主要在砌筑结构和耐火材料的材质、性能指标等方面进行了改进。
3.1热风炉隔墙砌筑结构
（1）采用自立式隔墙，内衬设置合理的滑动结构和膨胀结构，这样隔墙能够自由的膨胀和滑动，不会因为膨胀无法吸收导致变形、倒塌。
（2）隔墙略加厚。隔墙越厚，隔墙砖温度梯度越小，那么产生的变形就均匀，隔墙就越稳定。但是隔墙越厚，蓄热室断面积就越小，综合考虑隔墙只能加厚约30mm。
3.2 热风炉本体用耐火材料
（1）燃烧器上部温度变化比较剧烈，更宜采用耐火度和荷重软化温度高，具有良好高温稳定性和抗热震性的红柱石砖，有利于延长隔墙寿命。
（2）提高低蠕变高铝砖的性能指标，使之与炉内温度、应力分布、化学侵蚀特点相适应。
（3）严格控制耐火材料性能和施工质量，才能保证隔墙的寿命。
4 结语
本文对国内已经投产的类似的内燃式热风炉改造项目的3种方案进行分析对比，并针对该1000m3高炉内燃式热风炉目前生产情况，综合考虑了投资占地、生产操作、检修维护、对生产的影响、不利因素等方面情况，最终优选设计方案为：新增1座内燃式热风炉，采用“一列式”布置，对原有2座热风炉内衬进行改造，燃烧器采用矩形燃烧器。
同时为增强现有内燃式热风炉的隔墙的稳定性，在其砌筑结构、耐火材料的材质和性能指标等方面做了改进，该项目设计方案实施后，可以满足送风温度提高到1200℃和热风炉寿命>10年的要求。
参考文献：
[1] 舒军.高温内燃式热风炉的发展及特征[J].炼铁，1998（2）：12-15.