中国冶金报-中国钢铁新闻网 记者 夏杰生

　　我国炼铁高炉热风炉技术已跻身国际领先行列，为我国炼铁行业实现高效高风温、节能低排放炼铁发展作出重大贡献。在这一领域的发展进程中，河南省豫兴热风炉工程技术有限公司（下文简称豫兴公司）可谓功不可没！

　　据豫兴公司董事长刘世聚介绍：从2005年至今，豫兴顶燃式热风炉在国际国内250 m³-4747m³跨级别高炉中配套了多系列炉型，涵盖多种顶燃式技术，截至目前已投产739座。成为中国热风炉主流发展方向。更值得浓墨重彩宣传推广的成就是豫兴公司创新研发的热风炉改造技术，已经成为炼铁行业走出困境、降本增效的首选！

　　刘世聚指出，内燃式热风炉改造为顶燃式是当前炼铁行业的趋势。其中，主要有三种改造技术：一是推倒重建为顶燃式热风炉；二是切割上部炉壳，改造为小帽子顶燃式热风炉；三是利旧炉壳，升级为悬链线顶燃式热风炉。这三种改造技术。各有千秋，就看炼铁企业如何选择。

　　难达高风温，是内燃式热风炉推倒重建的必然选择

　　推倒重建的考量通常是因为热风炉耐火材料衬已达设计服役年限，无法支撑高温运行，且炉壳使用年限远超设计寿命，达到设计年限的1.5至2倍，结构安全性面临考验。

　　目前行业内对热风炉炉壳安全服役年限尚无统一科学定论。我国20世纪80年代武钢引进的内燃式热风炉、宝钢引进的外燃式热风炉，炉壳已稳定服役40余年；国外某厂1972年由霍戈文建造的内燃式热风炉，已服役超过54年，仅局部加固后仍在继续使用。

　　从三个典型案例来看，传统内燃式、外燃式热风炉炉壳经精心维护，可满足35至40年使用寿命；长期维持风温1200℃ - 1250℃、炉壳温度低于200℃的炉壳，无晶相变化，使用寿命可延长至50年。

　　因此，使用年限不足30-40年，或核心部件状态良好的内燃式热风炉，其耐火材料与炉壳仍有较长使用寿命，未到必须推倒重建的程度。如要推倒重建，建议组织多领域专家，对炉壳及耐材剩余寿命、结构完整性、改造可行性进行全面科学评估，是企业科学决策确定热风炉是否应该推倒重建的重大决策。

　　选择推倒重建往往因原有热风炉技术架构落后，各项指标不满足现代高炉炼铁要求，且缺乏保留主体结构、成本合理的升级方案，此时推倒重建是无奈选择。例如，某钢铁企业的热风炉建于20世纪90年代，采用的是较为陈旧的内燃式技术，风温只能达到1100℃左右，远远低于现代高炉炼铁所需1200℃以上的风温要求。同时，该热风炉的炉壳和耐火材料已经出现了严重的老化和损坏，维修成本极高，且维修后也难以保证风温的稳定性。在这种情况下，企业经过综合评估，决定推倒重建一套全新的顶燃式热风炉。

　　推倒重建方案有下列优势：

　　一是在缺乏先进技术时，可彻底解决原有内燃式热风炉结构缺陷，避免旧结构故障；二是可采用全新技术设备，提高热效率、提升风温，增强炼铁效率；三是新建热风炉设计和材料更合理，使用寿命更长，带来长期经济效益。例如，新建的顶燃式热风炉可以采用先进的燃烧技术和蓄热技术，使风温提高到1250℃以上，热效率提高10%以上，从而降低炼铁成本，提高企业的经济效益。同时，其使用寿命可以达到30年以上，远远超过原有内燃式热风炉的使用寿命。

　　切割上部炉壳改造方式频繁遭遇“滑铁卢”

　　由于上述推倒重建方案存在高投资和长工期难题，会给企业造成重大效益损失，因此，如何在现有热风炉炉壳和设备基础上进行改造，从而解决技术落后问题、实现炉型更新，同时满足生产技术要求、降低投资，成为行业关注方向。国内部分单位采用拆除全部炉衬、仅切割高温部位炉壳、保留下部炉壳与炉基的方式改造，并取得一定进展，但改造后使用情况不佳，未达预期效果。

　　尤其是出现了下列热风出口标高不变的内燃式改造为顶燃式的典型失败案例：

　　江苏某钢铁公司1号2000m³高炉原配置4座内燃式热风炉，2019年为满足高风温需求实施顶燃式改造，将其中的3座内燃式热风炉在线切割炉壳改造为小帽子顶燃式热风炉。其热风出口标高17米，比其他热风炉热风出口标高高约3米，改造条件较好，改造采用30毫米孔径格子砖，应用小帽子顶燃式燃烧技术。但其改造投产后实际风温仅1135- 1185℃，未达1200℃设计要求，且送风时间不足。经专家分析后发现，其风温不达标的核心原因是：在热风出口标高、原蓄热室直径限制下，选择30毫米孔径格子砖不合理。孔径过大使烟气和冷风气流顺畅，短时间燃烧后炉箅子温度迅速升高，燃烧提前停止，热风炉有效蓄热能力不足，整体换热能力较差。虽然其设计参数中格子砖重量和换热面积满足相应的风温和送风时间设计要求，但格孔尺寸与蓄热室高径比匹配不合理，成为风温偏低的核心症结。在既有炉壳和标高限制下，过大的格孔虽降低气流阻力，但缩短了有效蓄热时间，热量无法充分储存，也难以在送风周期稳定释放足够的热量；同时蓄热室高径比与格孔尺寸未优化匹配，降低了整体热交换效率，最终风温输出不足、送风周期缩短，未达到改造预期目标。

　　该案例说明：炉壳利旧改造中，若仅依赖先进燃烧技术，忽视蓄热体结构参数与原始空间约束的匹配性，难以获得理想技术效果。据统计，该改造项目单座热风炉改造投资超过2500万元，但实际效果却远未达到预期，给企业带来了巨大的经济损失。

　　某钢铁公司1号2000m³高炉原配置4座内燃式热风炉将3座内燃式热风炉在线切割炉壳改造为小帽子顶燃式热风炉

　　某钢铁公司1号2200m³高炉原配套4座内燃式热风炉，因火井频繁出现结构性缺陷，影响风温与系统稳定性。为解决问题，该公司决定先增建一座全新小帽子顶燃式热风炉，并实施了在线改造其中的两座内燃式为小帽子顶燃式，形成三座顶燃式运行与两座未改造的内燃式热风炉暂时停止使用五座并立的格局，再增建的热风炉投产后，启动两座内燃式改造：保留原有14米高的热风出口标高，仅切割上部炉壳，改造为小帽子顶燃式热风炉。因改造限制蓄热室直径与热风出口标高不变，热风出口标高仅14米，在空间约束下，蓄热体格子砖被迫选用小孔径规格，改造后格子砖总重量不足，换热面积无法满足高风温需求，风温、送风时间均无法与新建热风炉匹配，系统运行协调性差。

　　该案例表明：在蓄热室直径与热风出口标高固定的约束下，顶燃式改造技术前提不充分；强行改造不仅无法提升性能，还会恶化系统运行状况，无法收回投资，属于失败改造。给企业带来了巨大的经济损失。

　　某钢企1号2200m³高炉原配套4座内燃式热风炉，增建一座小帽子顶燃式热风炉，两座内燃式切割炉壳改造为小帽子顶燃式热风炉

　　某大型民营钢企2座2580m³高炉原各配套3座内燃式热风炉，因火井墙频繁出现故障，极易引发烟气短路、送风风温偏低等问题，无法满足高炉正常生产需求，企业决定开展热风炉专项改造。原计划采用“一烧一送一改造”模式作业，该方式不仅无法根治风温偏低问题，还会造成风温进一步下滑，甚至跌破1000℃，严重影响高炉冶炼顺行，由此确定增建新热风炉为最优稳妥的技改方案。

　　经多方论证比选，最终确定技改整体思路：两座高炉先各新增1座小帽子顶燃式热风炉，待新增炉投用运行后，再逐步对原有内燃式热风炉实施在线炉壳切割，分批改造成小帽子顶燃式热风炉。

　　为确保新增热风炉可稳定产出，与系统内其余热风炉送风周期保持一致，技术团队划定核心运行指标：在蓄热室高度仅能达到14.5米的条件下，送风时长60分钟、送风温度稳定1200℃以上。同时为简化管路对接施工，要求新增热风炉热风出口标高与原有设备保持统一，受此条件限制，新建炉格子砖换热面积、整体重量均需满足设计要求，其操作需与原有炉体保持匹配，保障整套系统热工制度平稳统一，经计算确定蓄热室直径为11.094米。

　　首座高炉新增热风炉建成投产后，实际运行效果未达设计预期，常规运行风温不足1150℃；若刻意提抬高送风温度，只能将原定60分钟送风时长压缩至40多分钟，给现场生产调度、工况稳定管控带来诸多难题与运行风险。

　　总结首座高炉投运暴露的问题与经验后，该企业技术团队对该高炉配置的内燃式热风炉实施切割炉壳改造小帽子顶燃式热风炉，保持原有蓄热室直径9.894米和热风出口标高14.5米，调整蓄热体高径比来优化设计改造，优化改造投用后依旧未能实现1200℃设计风温标准，想要将风温提升至1200℃及以上，送风时长仅能维持在40分钟左右。

　　实践表明：这两座高炉新增和切割炉壳改造的同一高炉配置的两座顶燃式热风炉均未能达到既定设计指标，技改效果不及预期。分析其原因，两座热风炉蓄热体高径比分别为1.3和1.47，尽管增建的热风炉高径比达到1.47，满足了较大量的蓄热体和换热面积，由于蓄热室截面积太大，导致烟气流场分布非常不均匀、格子砖蓄热能力受限是其重要因素是由于投入改造的工程和资金均未能收获理想使用效果。受接连出现的技术问题与不达标的运行效果影响，原定剩余内燃式热风炉的改造计划全面搁置，不再开展后续改造施工，整体热风炉升级改造项目就此停滞。该改造项目的两座热风炉单座投资均超过3000万元，但实际效果却远未达到预期，给企业带来了巨大的经济损失。

　　某钢企2580m³高炉配套的内燃式热风炉改造为小帽子顶燃式热风炉

　　上述案例中，风温与送风时间不足的核心原因是蓄热室直径与热风出口标高的双重限制：一是为适应空间高度，格子砖选用小孔径，堆积高度受限，影响热容量与换热效率；二是蓄热室直径不足导致格子砖总重量与总换热面积不达标，蓄热换热能力不足。该钢企后期尝试扩大蓄热室直径，但高径比设计不合理，流场分布不均，换热性能被削弱，问题未根本解决。

　　综上所述，若追求热风出口标高不变，仅切割上部炉壳改造为小帽子顶燃式热风炉，尽管一次性投资略低于抬高标高方案，但改造方案存在诸多问题。增加总投资，延长工期，属于投入大、过程繁琐且可能影响生产连续性的改造策略，经济效益与工程风险需审慎评估，结果往往不理想，甚至可能不达标。

　　实践是检验真理的唯一标准

　　炉壳利旧的悬链线顶燃式热风炉改造技高一筹

　　若要在现有内燃式热风炉炉壳不变基础上，实现热风出口标高、炉壳、炉篦子、管网不变，节省投资、缩短工期，同时达成稳定长寿、高效环保、高风温，满足热工参数，改造效果可媲美推倒重建的顶燃式改造，十多年来的高风温几十座内燃改造实践应用说明，采用悬链线顶燃式热风炉技术是最佳选择。

　　豫兴悬链线顶燃式热风炉与内燃式热风炉外形结构相同，均有独立支撑于炉壳的悬链线拱顶结构。其具体标志是：废除内燃式热风炉底部燃烧器，并将其转移至悬链线拱顶基脚下、蓄热室大墙平行的外围低温区域，采用豫兴煤气与空气环形布置交错预混上喷燃烧器技术；拆除原有蓄热体格子砖，保留炉箅子与原火井结构，在原炉箅子平面增设铸铁格子砖过渡，调节原炉箅子与新耐材格子砖孔，使格子砖孔径满足设计换热面积要求，同时选择合适孔径、设置最佳堆积高度达到理想高径比，保障烟气在最佳流速和涡流、旋流混合燃烧特性下实现最优热工工况。

　　这种改造方式将原火井高度拆除至合适位置后保留，在火井内隔墙端新增一定厚度加固耐高温隔墙，再在新增隔墙后的火井空间内增设密封耐火材料陶瓷套管，该套管在加热送风过程中可上下自由胀缩，保障隔墙与套管结构稳定长寿。

　　这种热风炉改造工程完成后，其下部燃烧器区域可使用废耐火砖填充或保留原有空间结构，该改造方案已在国内韶钢3200m³、南钢2000 m³、朝阳钢铁2580 m³、山西建龙钢铁1380 m³、中阳钢铁1280 m³、首钢长治钢厂1280 m³，以及2009- 2017年间改造的山西中宇钢铁2×420 m³、酒钢榆钢2×420 m³、酒钢翼钢420 m³等高炉内燃式热风炉炉壳利旧顶燃式改造17年的设计优化改造实践过程中不断总结经验教训的技术结晶项目中得到验证；该方案是目前内燃式热风炉顶燃式改造中效果最优、运行最稳定、结构长寿、高效环保、投资最省、工期最短的最佳方案。

　　某钢铁公司2580m³高炉内燃式热风炉采用炉壳管网不动改造为豫兴悬链线顶燃式热风炉

　　某钢铁公司2000m³高炉0#内燃式热风炉炉壳管网不动改造为豫兴悬链线顶燃式热风炉，1#顶燃式热风炉改造为豫兴柱流多旋顶燃式热风炉

　　某钢铁公司3200m³高炉1#、3#内燃式切割炉壳改造工程，其2#、4#炉壳不动改造为豫兴悬链线顶燃式热风炉前后照片

　　某钢铁公司中阳钢铁1280m³高炉内燃式炉壳管网不动改造为豫兴悬链线顶燃式热风炉

　　某钢铁公司1380m³高炉内燃式热风炉不动炉壳改造为豫兴悬链线顶燃式热风炉

　　欲实施炉壳利旧改造方案必须未雨绸缪

　　值得注意的是：实施热风炉壳利旧改造前，必须未雨绸缪，需完成以下工作：

　　一是前期检测评估：对三座或四座在用内燃式热风炉炉壳进行全面探伤、强度核算与腐蚀检测，确认炉壳主体结构完整，腐蚀余量满足强度要求，仅局部存在小范围晶相结构没有发生的局部壳体应力开裂缺陷，经补焊补强后可满足利旧条件，确定整体炉壳全部利旧。

　　二是内部结构改造：拆除原有内燃式热风炉燃烧室拱顶内衬、上部未利用的火井及隔墙、下部燃烧器和全部旧格子砖；在炉体顶部安装新型悬链线拱顶结构，配套设置环形陶瓷燃烧器；保留炉箅子，在原有火井内隔墙端增设一层加厚隔墙，并在该隔墙内设置一环密封砌筑的陶瓷套管，预留套管胀缩的自由空间；在新孔径格子砖与原炉篦子之间增加一层铸铁格子砖，调节炉箅子与耐火格子砖的孔径过渡；选用高效十九孔25毫米新孔径格子砖替代原七孔40毫米或十九孔30毫米孔径格子砖，优化蓄热换热高径比，提升蓄热面积与换热效率。

　　三是配套系统升级：同步改造煤气、助燃空气入口位置，升级智能化燃烧控制系统，实现自动烧炉与温度闭环调控；满足最新环保排放要求。

　　这种改造方案对比传统拆除重建方案，具有以下优点：一是总投资降低40%以上，比重建周期缩短40%；二是减少旧炉壳拆除、新炉壳制作安装的施工量与成本，避免大量拆除废钢处理排放与新钢材消耗，环保效益显著；三是改造后采用悬链线顶燃结构，燃烧混合均匀，蓄热换热充分，输出热风温度从原1050℃ - 1180℃提升至1250℃左右，可满足高炉更高风温生产需求；四是消除原结构固有缺陷，设计使用寿命可达30年，远长于传统改造方案寿命周期。

　　这种方案保留原有炉壳并增设内侧隔热缓冲结构，可从根源上解决传统内燃式热风炉燃烧、送风循环中，炉壳温度分布不均产生的交变热应力问题，彻底消除炉壳应力开裂隐患，消除企业多年的设备顽疾。

　　此外，这种改造方案形成的环形交错预混上喷烟气可使悬链线拱顶温度分布均匀、结构稳定，全拱顶炉壳温度分布均衡无温差导致的撕裂应力，不存在热风炉锥形拱顶叠加燃烧器小拱顶结构引发的结构复杂、受力不合理、应力集中问题。包括安钢4747m³级别以上高炉配套的小帽子顶燃式热风炉使用3-10年间，就出现大面积炉壳开裂弊端，就是因为其结构受力复杂，应力集中。豫兴悬链线顶燃式热风炉的悬链线炉壳就像一个受力合理结构简单没有任何承重的盖子，没有应力集中，燃烧期间高温对拱顶温度分布均匀，不会出现炉壳开裂损坏现象。

　　综上所述，豫兴炉壳利旧悬链线顶燃式内燃热风炉改造方案兼具投资省、风温高、环保性强、使用寿命长等优势，可从根本上解决传统内燃炉燃烧送风温度不均导致的炉壳应力开裂问题，适配国内存量内燃式热风炉改造需求，这是传统内燃式热风炉升级改造的可行最佳方案。

　　有比较才有鉴别 最佳改造方案登上历史舞台

　　为了更好地选择适合企业的热风炉炉型，我们对推倒重建、改造小帽子、炉壳利旧顶燃改造这三种改造技术的炉型结构进行了详细的比较总结，具体如下：

　　投资成本：推倒重建的投资成本最高，需要投入大量的资金用于拆除旧炉壳设备、制作安装新炉壳、炉篦子及支柱等。改造为小帽子顶燃式投资成本次之，需要投入一定的资金用于切割炉壳、更换蓄热体和燃烧器等。炉壳利旧顶燃改造的投资成本最低，只需要投入少量的资金用于改造内部结构就可以成功实施顶燃改造。例如，推倒重建一座2000m³高炉的热风炉需要投资超过9000万-10000万元，切割炉壳改造为小帽子顶燃式需要投资超过7000万-8000万元，而炉壳利旧顶燃改造只需要投资5000万-6000万元。

　　施工周期：推倒重建的施工周期最长，需要拆除全部炉壳、炉篦子及支柱制作安装新炉壳、支柱及炉篦子等，施工周期一般在6个月以上。改造为小帽子顶燃式卡式的施工周期次之，需要切割炉壳、更换蓄热体和燃烧器等，施工周期一般在5个月左右。炉壳利旧顶燃改造的施工周期最短，只需要改造内部结构等，施工周期一般在2个月以内。

　　风温效果：推倒重建的风温效果最好，可以采用全新的技术设备，使风温稳定提高至1250℃。无论是切割炉壳改造为小帽子的热风炉风温还是炉壳利旧顶燃改造，其风温均可以稳定实现1250℃；但相比较，炉壳利旧的悬链线顶燃式改造更加突出的亮点是氮氧化物排放低于50PPM、CO排放更是低于30PPM而更加环保。例如，某钢铁企业采用炉壳利旧顶燃改造的方案，使风温从原来的1100℃提高到了1250℃以上，CO排放低于30PPM，取得了良好的炉壳利旧改造效果。

　　使用寿命：推倒重建的使用寿命最长，采用了全新的材料和设计，使用寿命可以达到30年以上。改造为小帽子顶燃式卡式和炉壳利旧顶燃改造的使用寿命一般可以达到20年以上。

　　环保性能：炉壳利旧顶燃改造的环保性能最好，可以稳定降低NOX   CO超低排放，推倒重建和切割炉壳改造的顶燃式热风炉，因其选择炉型的不确定性而无法判断超低排放结果。

　　综上所述，企业在选择热风炉炉型时，应根据自身的实际情况，综合考虑投资成本、施工周期、风温效果、使用寿命和环保性能等因素，选择最适合自己的炉型。如果企业资金充足、施工周期允许，可以选择推倒重建的方案。如果企业要求施工周期很短，且对风温效果和环保性能要求较高，可以选择炉壳利旧顶燃改造的方案。而在推倒重建的情况下，选择优化改进的悬链线顶燃式热风炉是最佳方案。

　　通过悬链线顶燃式与炉壳利旧悬链线顶燃式或优化改进的悬链线顶燃式结构特征对比，改进后的类似炉壳利旧的悬链线顶燃式热风炉结构与所有类型顶燃式热风炉结构相比，具有风温高、CO低、NOX低、效率高、结构稳定、长寿命突出等优越特点，这是今后具有普及发展趋势的顶燃式热风炉炉型之一。