高溫預熱助燃空氣新技術在首鋼2號高爐的應用，是通過將助燃空氣預熱到600℃和煤氣預熱到180℃，使高爐穩定地獲得1250℃風溫，在國內處于領先地位。這項技術提出了一種全新的高爐高風溫理念，就是在沒有高熱值煤氣富化條件下，高爐也可以長期、穩定地使用1250℃以上的風溫。

自此以后，首鋼國際工程公司對這項技術的改進和創新始終沒有停止，研發經歷了模型試驗研究、工藝參數積累和調整、結構和材料的優化，始終堅持在不同規模高爐的不同類型熱風爐上進行推廣和應用，其節能環保效益獲得業內一致好評。

1 、高爐高風溫技術研發背景

首鋼遷鋼4000m3高爐于2007年開始設計，2010年初投產。高爐設計階段適逢國家“十一五”建設第二年。國家在“十一五”規劃中提出將節能降耗指標列為國民經濟和社會發展的主要目標，要求“十一五”期間每年節能降耗4％左右。在此目標下鋼鐵工業作為高能耗、高污染產業必須將產業技術升級改造，以實現節能減排和可持續發展。因此，首鋼遷鋼4000m3高爐的設計理念被確定為：“高效、低耗、優質、長壽、清潔、安全”，通過積極采用各項先進技術和工藝，實現高爐“大型化、高效化、現代化、長壽化、清潔化”生產。在熱風爐系統的技術設計上則充分體現了這一指導思想。

首鋼遷鋼4000m3高爐熱風爐系統主要由4座高溫改造型內燃式熱風爐和2座新型頂燃式小熱風爐（預熱爐）構成。設計平均風溫1280℃，焦比305kg/t，煤比190kg/t，熱風爐壽命達到30年以上。

高風溫系統的先進技術集成主要體現在以下幾方面：

1）    高溫、高效、長壽的熱風爐；

2）    在全燒高爐煤氣條件下實現平均風溫1280℃，采用高效、先進、節能環保的高溫助燃空氣預熱系統（首鋼專利技術）和煙氣余熱回收煤氣預熱技術；

3）    設置合理、安全和可靠的高風溫輸送系統（熱風管道系統）。

圖1：首鋼遷鋼4000立方米高爐預熱爐實景

2 、高爐高風溫技術主要技術特點

2.1 首鋼遷鋼4000m3高爐配置4座高溫改進型內燃式熱風爐主要技術特點

1）采用矩形陶瓷燃燒器，煤氣與助燃空氣經細流分割后能充分混合，調節性能好，燃燒穩定，強度大, 效率高。燃燒出的熱煙氣經拱頂反向后，能均勻地在蓄熱室分布。

2）熱風爐拱頂為懸鏈線形，內襯結構受力合理穩定。在球頂硅磚設計中采用提高整體穩定性的板塊式結構和關節磚，可有效解決拱頂在膨脹、收縮時的不穩定現象，使拱頂耐火襯的設計溫度達到1480℃。拱頂與大墻脫開，使大墻耐火磚能獨立膨脹或收縮，消除了大墻不均勻膨脹對拱頂的影響。

3）燃燒室與蓄熱室的隔墻為獨立結構，與大墻之間不咬砌。隔墻與大墻之間設置滑動縫和膨脹縫，兩者之間可以自由滑動和膨脹。隔墻下部設置隔熱磚，以減少隔墻的溫度梯度和熱應力，防止隔墻開裂短路。隔墻局部鑲嵌耐熱不銹鋼板，防止竄風。

2.2 在熱風爐工藝及操作上應用和開發的高風溫技術

1）研究熱風爐燃燒器在多種工況下的燃燒機理，實現了燃燒器的最佳工作效率；

2）應用新型高效格子磚，格孔直徑Ф30mm,蓄熱面積達到51.58m2/m3,提高了熱風爐的蓄熱能力和適應高溫、短周期的工作能力；

3）開發了高風溫熱風爐控制專家系統：包括蓄熱室傳熱及熱量蓄積模型、拱頂溫度監測及控制模型、廢氣溫度監測及控制模型、雙預熱控制模型、最佳燃燒狀態控制專家系統等；

4）首鋼和遷鋼根據上述研究自主開發了自動燒爐和新型熱風爐自動燃燒技術，實現了熱風爐的優化操作。

2.3 低熱值煤氣高效利用實現風溫1280℃

由于首鋼遷鋼高熱值煤氣(焦爐煤氣、轉爐煤氣)資源緊缺，用于熱風爐的燃料只能是單一高爐煤氣。根據首鋼遷鋼4000m3高爐設計的操作水平，煤氣利用率將盡可能提高，使高爐煤氣熱值會降低到3100kJ/m3以下，熱風爐的理論燃燒溫度將低于1300℃。要達到設計風溫，理論燃燒溫度則應高于1455℃；另外根據環保要求，應充分利用低熱值高爐煤氣，以減少或完全不排放多余的高爐煤氣。這些限制性條件為熱風爐系統設計提出了必須解決的課題。

針對首鋼遷鋼實際情況，設計采用了由首鋼國際工程公司開發的熱風爐高溫預熱專利技術，可為熱風爐提供600-700℃的高溫助燃空氣。這項高溫空氣預熱系統的核心組件頂燃式熱風爐（預熱爐）采用了首鋼國際工程公司自主研發的專利技術：新型頂燃式熱風爐及其高效旋流擴散式燃燒器。預熱系統主體由2座新型頂燃式熱風爐和1座混風爐組成。內燃式熱風爐的助燃空氣量中預計有53%進入預熱爐，預熱到1100℃；然后在混風爐中與未預熱的47%的冷助燃空氣混合，將溫度調整到600-700℃，送到內燃式熱風爐使用。新型頂燃式熱風爐作為預熱爐使用，具有壽命長（超過30年）、工作及換熱能力穩定、不會出現日久失效的問題等突出優點。

為更有效地提升熱風爐的熱效率，配套設計了熱風爐煙氣余熱回收煤氣低溫預熱系統，采用分離式熱管換熱器預熱高爐煤氣。在空氣預熱到650℃和煤氣預熱到180℃時，可將熱風爐的拱頂溫度提高到1430℃以上，使熱風溫度穩定達到1280℃。

圖2：首鋼遷鋼4000m3高爐熱風爐高溫空氣預熱系統流程圖

2.4 高風溫下的熱風輸送管道系統

首鋼遷鋼4000m3高爐熱風管道屬于高溫、高壓和大直徑、長路由管道。在高爐大型化后，隨著熱風溫度和壓力的提高，熱風安全輸送問題日益突出，合理進行管道設置和設計已成為高爐能否使用高風溫的重要限制性環節。為此，首鋼國際工程公司總結以往熱風管道出現的各種問題，分析熱風管道在溫度、壓力、環境等變化時的工作狀況，對管道設計進行系統優化，重點采用了以下維護穩定和長壽的措施：

1）選擇合適的耐火材料，特別是使用高溫蠕變率低的紅柱石磚，提高管道內襯耐溫及耐壓能力。適當增加磚層厚度，使磚型楔度增大，提高砌筑結構穩定性。采用新型輕質保溫材料，減少管道散熱損失和輸送中的溫降，并將鋼殼溫度保持在150℃以下。

2）設置合理的膨脹縫，膨脹縫中填充耐溫1400℃的優質陶瓷纖維材料，可長期吸收耐火材料體積變化。

3）利用三維設計對熱風管道的組合砌體進行結構優化，管道三岔口及各出入口均采用組合磚結構。管道上部120°范圍內的砌磚均設置互鎖磚結構。

4）根據有限元計算，設置合理的波紋補償器和支座，吸收管道鋼結構的熱脹冷縮并使管道保持平衡穩定。在波紋補償器膨脹縫處，耐火磚采取特殊的導流磚結構保護縫內耐火纖維材料。

5）熱風總管設置全程大拉桿，防止管道受壓后的盲板力對鋼結構造成破壞。熱風總管端頭設置補償器，用來吸收大拉桿因溫度、壓力、大氣溫度等影響造成的長度變化。熱風支管設置大拉桿或者水平拉梁，使熱風支管、熱風總管與熱風爐爐殼連接，形成穩定和安全的整體受力體系，保證熱風管道不會產生過大位移。

6）采用耐高溫節水型熱風閥，重點解決高溫熱風閥的冷卻水用量較大的問題。在提高冷卻效率，降低水耗情況下延長了熱風閥使用壽命，從而實現節能并降低生產運行成本。

7）針對熱風管道的關鍵部位（如管道膨脹節處）因溫度和壓力變化產生的位移，設置在線實時監測，確保運行安全。

3 、熱風爐的經濟和社會效益說明

首鋼遷鋼4000m3高爐2010年1月投產后，到同年6月底已實現最高日風溫1281℃，并于同年7月和8月連續2個月實現月均1280℃風溫，日均最高風溫達到1294℃;并且在7月和8月實現月均焦比282.2 kg/t 和277.7 kg/t等好成績。

2010年扣除前4個月（投產初期）的生產指標，首鋼遷鋼4000m3高爐年平均指標為：平均風溫1260℃，平均焦比283.7kg/t，平均煤比181.2kg/t。與2009年全國重點鋼鐵企業年平均風溫1158℃相比，風溫高出了102℃，而且提前圓滿完成節能指標。

提高風溫不僅節約焦炭，有效減少生產焦炭產生的CO2排放，實現高爐低碳煉鐵節能減排目標；還改善了首鋼遷鋼的環保水平，為可持續發展創造了條件。

首鋼遷鋼4000m3高爐熱風爐在設計和生產上取得的優異成績，對今后國內新建和技改高爐有非常好的示范效應，也將對全國鋼鐵企業的技術進步起到積極的推動作用。

我國鋼鐵企業目前雖然總體產能已達到國際最大規模，但技術水平落后，生產效率低，產品質量和價格與發達國家比處于劣勢的情況仍然非常突出。首鋼遷鋼4000m3高爐熱風爐采用的高風溫節能技術，不僅說明我國的高爐技術和裝備達到國際領先水平，也對提升我國鋼鐵行業技術創新能力做出了重要貢獻。

4 、高風溫技術的應用前景

首鋼遷鋼4000m3高爐熱風爐的高溫及低溫復合預熱工藝及高風溫技術已形成了具有首鋼和遷鋼自主知識產權的技術創新和工藝突破。這項技術可有效解決國內煉鐵行業普遍存在的高熱值煤氣短缺造成的高爐風溫難以提高，低熱值煤氣富裕排放引起的能源浪費和環境污染問題。使不同規模的高爐均可以安全、穩定、高效、長壽地獲得1250℃風溫，及至使用更高的風溫。

首鋼國際工程公司自主研發的專利技術：新型頂燃式熱風爐及其高效旋流擴散式燃燒器，以占地面積小、投資省、風溫高、工藝流程簡單、節能環保等多項優勢，不僅適用于高溫空氣預熱工藝，更適用于新建和改擴建的高爐，具有良好的經濟效益和廣闊的推廣應用前景。

5、新型頂燃式熱風爐研發團隊

在首鋼國際工程公司副總經理、教授級高工張福明的帶領下，經過多年的技術開發和總結應用，已經形成了以煉鐵室主任、教授級高工毛慶武，煉鐵室主任助理、教授級高工錢世崇，煉鐵室主任工程師、高級工程師姚軾，高級工程師梅叢華和倪蘋等專家為核心，高級工程師范燕，工程師許云、銀光宇、李欣等人為骨干的熱風爐設計團隊。

新型頂燃式熱風爐已在國內外多個大中型高爐獲得成功應用，首秦1號、2號高爐，重鋼4號高爐，印度BIL高爐，首鋼京唐鋼鐵廠5500m3特大型高爐，首鋼遷鋼2號、3號高爐等新建和改擴建的高爐都設計采用了以新型頂燃式熱風爐為主體的高風溫技術，取得了豐碩成果。

首鋼國際工程公司的高學歷知識青年的技術研發團隊將采用三維建模、三維設計、運動動力學計算機仿真、有限元計算和流場分析等國際先進的三維數字化精準設計方法，對高風溫技術繼續進行突破創新，使這項技術始終保持在國際領先水平。

首鋼國際工程公司技術團隊正按照“引領綠色鋼鐵未來”追求，以先進的首鋼高風溫技術竭誠為社會各界提供最優質的服務，為開創我國冶金技術新的飛躍發展，做出更大的貢獻。