吴强国
( 华润燃气( 郑州) 市政设计研究院有限公司，河南郑州450001)
摘要: 分析了高炉烘炉和热风炉烘炉、烧炉、保温存在的问题，认为目前高炉烘炉效果普遍不佳，残余水分诱发炉缸不定型耐材产生原始气隙，严重影响炉缸长寿; 热风炉烘炉、烧炉、保温过程中普遍存在温度场失衡的情况，影响热风炉寿命及高风温。提出了改善高炉、热风炉烘炉、烧炉效果的建议。
关键词: 高炉； 热风炉； 烘炉；烧炉；长寿
0 引言
目前高炉烘炉效果普遍不理想，炉缸、炉底仍残存较多的水分，不定型耐材也没有达到固化强度。高炉开炉时炉缸急剧升温，残存的水分迅速蒸发成压力较高的水蒸汽，冲破尚未固化的不定型耐材，迅速产生大量初步气隙，投产后串煤气造成气隙不断扩大，影响炉缸传热和高炉长寿［1］。热风炉烘炉、烧炉、保温过程中存在温度场分布不合理的情况，影响热风炉耐材寿命，降低送风温度，增加炼铁成本。高炉及热风炉投产后，无法定量验证烘炉效果，导致烘炉中存在的许多问题被掩盖，因此烘炉一直在低水平重复，甚至是以明火烘高炉这样极其原始的方式进行。近年来采用液化石油气、液化天然气用于高炉热风炉烘炉，存在极大的安全隐患，应该引起重视。
1 高炉烘炉存在的问题
目前高炉烘炉大致有热风烘炉、明火烘炉和从热风炉串热烟气烘炉3 种方式。
1． 1 高炉烘炉效果的一些看法
1． 1． 1 高炉烘炉环节成为炉缸长寿的“短板”
炉缸长寿是一项系统工程，与设计的合理性、耐材性能、耐材质量、施工质量、烘炉效果、原燃料条件、冷却制度、操作及维护水平等诸多因素相关［2］。
烘炉是一个很小的子项，但是也是一个重要因素。业内人士口头上也很重视烘炉效果，但很多时候没有落实到实际工作中，导致烘炉环节成了炉缸长寿的“短板”。采用明火烘炉这种极不科学的烘炉方式可能是出于成本考虑，或者是对烘炉的新方法不太了解，或是出于从众心理，但足以证明许多技术人员对烘炉效果不太重视。
1． 1． 2 烘炉效果差是高炉炉缸产生气隙的主要诱因
许多中小高炉由于烘炉时间短、烘炉方法不科学、耐材温度低等原因造成炉缸各部位水分蒸发不充分，不定型耐材固化效果差。高炉开炉时急剧升温骤然产生大量带压水蒸汽，破坏碳砖结合缝胶泥及炉缸各部位的捣打料，迅速产生大量初步气隙。高炉投产后这些初步气隙产生串煤气的情况，造成气隙不断扩大，甚至诱发炉缸各部位不定型耐材的消失或粉化。这将极大破坏炉缸的导热性能及炉缸结构的整体性。
1． 1． 3 明火烘炉时温度失真情况比较普遍
高炉烘炉的测温点选取炉底中心表面比较合适，同时必须保证炉底表面有较大的热媒对流传热。采用传统的明火方式烘炉时，温度失真情况比较普遍。即使测温点选取炉底中心表面，由于炉内负压严重，炉底没有热媒的对流换热，测到的是辐射温度。虽然温度值达到烘炉曲线要求，但由于缺乏对流换热，炉底耐材的受热升温情况依然不佳。
1． 2 热风烘高炉存在的问题
热风烘高炉是目前最佳的烘炉方式，高炉烘炉的各项技术指标也是基于热风烘炉方式制定的。但目前热风烘炉仍然存在一些问题:
( 1) 烘炉时间偏短。
( 2) 炉缸外围温度偏低。砖缝胶泥及捣打料水分蒸发不完全，外围部位达不到固化温度。高炉投产后残余水分蒸发较快，形成大量初步气隙，影响高炉长寿［3］。
( 3) 铁口部位烘干效果差。铁口堆积的泥包体积及厚度都比较大。由于泥包的阻隔，铁口组合砖难以升温，砖缝胶泥难以干燥固化。开炉时铁口急剧升温，砖缝及外围捣打料易形成破坏性气隙，影响铁口寿命。靠近铁口的炉底部分也由于泥包的阻隔难以升温，出现上述类似问题。铁口附近更易于出现较严重的侵蚀、烧穿等问题，与铁口部位烘炉效果更差有很大关系。
1． 3 明火烘高炉存在的问题
在没有高炉煤气烧炉的情况下，许多业主选择柴油、液化石油气、液化天然气为燃料，在高炉风口架设烧嘴，以明火方式烘炉。这种烘炉方式存在严重的技术缺陷。
1． 3． 1 高炉炉缸温度偏低，炉顶温度容易超标
烘炉烧嘴点火后，整个高炉就是一个大烟囱。温度越高，炉内负压越严重，热烟气难以到达炉缸底部，无法形成对流换热，炉缸下部难以升温。在风口上部加装顶棚只能稍微改善低温阶段炉缸的负压状况，300 ℃以后炉缸内仍然是严重的负压状况。即使炉底测定的温度较高，也仅仅是辐射温度，炉缸底部依然缺乏必须的对流换热，炉缸下部的烘炉效果极差。
1． 3． 2 碳氢类燃料燃烧产生大量水蒸汽和冷凝水
柴油、液化石油气、液化天然气等碳氢类燃料燃烧后产生大量的水蒸汽，每燃烧1t 碳氢类燃料，将产生1． 5 ～ 2． 1 t 的水蒸汽。烟气在高炉内上升的过程中逐步降温达到过饱和状态，水蒸汽冷凝后重新跌落到炉缸底部，形成长时间局部浸泡的情况，严重影响烘炉效果。烘炉结束后，被浸泡部位下部碳砖的含水量反而更高了。高炉开炉后水分剧烈蒸发，不但使炉缸产生大量气隙，甚至使局部碳砖发生水煤气反应，在开炉后短时间内局部碳砖反应消失，形成严重的安全隐患。
水蒸汽冷凝情况发生在明火烘炉的全过程。即使在炉顶排烟温度较高的情况下，炉壁温度依然较低，靠近炉壁的烟气仍然处于过饱和状态，仍然有冷凝水不断产生。
1． 3． 3 明火烘高炉缺乏科学的考量指标
由于炉内负压严重，炉缸温度场竖向分布差异很大，炉底实际温度很低。即使测定的炉底温度较高，也是失真的辐射温度。烘炉曲线是一个点的升温情况，无法反映炉缸温度场的真实情况。炉顶放散的烟气水蒸汽含量一直很高，无法与大气的含湿量对比来判断炉内的烘干效果。
1． 3． 4 铁口部位烘烤效果极差
铁口位置较低，又堆积较大的泥包，在负压情况下热烟气难以与之形成对流换热，铁口组合砖与泥包下部炉底难以升温，砖缝胶泥及捣打料难以干燥固化。开炉时铁口急剧升温，砖缝及外围捣打料易形成破坏性气隙，影响铁口寿命。没有干燥固化的泥包下部炉底迅速升温同样产生大量破坏性气隙。许多高炉开炉时出现风口、铁口来水的情况，就充分反映出这种烘炉方式实际的烘烤效果极差。
1． 4 热风炉串热烟气烘高炉存在的问题
该烘炉方式实质上仍然是明火烘高炉，只是高炉风口没有安装烧嘴，而是借用了热风炉的烘炉烧嘴，仍然是用热烟气烘炉。
与高炉风口架烧嘴明火烘高炉相比，热风炉串热烟气烘炉方式仅仅是可以提前烘烤热风总管及热风围管，但仍然存在明火烘高炉的各种缺点。
1． 5 改善高炉烘炉效果的建议
( 1) 热风烘炉时适当延长烘炉时间，提高炉缸外围耐材的温度。
( 2) 加强热媒介质对炉缸侧壁及炉底的冲刷，提高对流传热效果。如果采用明火烘炉方式，应改变排烟方式，设法从炉底排烟，以改善温度场的分布状况。
( 3) 设法从铁口排出部分烘炉热媒介质，改善铁口区域烘烤效果。
2 热风炉烘炉烧炉存在的问题
热风炉烘炉、烧炉过程中，经常出现一些不良工况，分述如下。
2． 1 蓄热体温度分布不均，送风温度很低
热风炉使用硅质耐材时烘炉周期一般较长，因为后续工程拖延经常人为延长热风炉烘炉周期。热风炉烘炉周期过长时，经常出现炉床温度场分布不均的不良工况。具体表现: 烟道温度过高; 炉顶温度偏低且升温困难; 硅砖界面温度过低; 送风温度很低甚至达不到600 ℃。
即使拱顶温度最终达到1 100 ℃，送风温度依然很低。究其原因是靠近烘炉烧嘴的半幅炉床蓄热较好，但另外较远的半幅炉床则是上部温度较高而下部炉床蓄热很差。送风后从远、近两个半幅炉床到达燃烧室的热风温度不一样，相当于冷热混合，整体温度较低，很难达到800 ℃的送风要求。安徽铜陵某特钢企业热风炉烘炉时间约70 天，高炉开炉时的热风温度长时间处于650 ℃以下。
硅砖界面温度过低将造成严重危害。如果硅砖界面温度在600 ℃附近，高炉开炉首次送风后硅砖界面温度可能降低到500 ℃左右，当使用高炉煤气烧炉时，烟气流量很大，硅砖界面温度将急剧上升到700 ℃以上。硅砖的相变温度为573 ℃，在相变温度附近温度骤升骤降将严重损害硅砖安全，甚至造成硅砖碎裂，影响炉床透气性，并对热风炉大墙造成结构性破坏。
2． 2 内置明火烧嘴与外置混风烧嘴烘炉效果的差异
2． 2． 1 内置明火烧嘴烘炉情况较好
内置明火烧嘴烘炉是将烘炉烧嘴自人孔伸入热风炉炉膛进行烘炉。烧嘴燃烧产生的热烟气因密度比周围空间气体密度小而自然上升到炉顶，在上升的过程中与周围空间气体不断混合而降温。后期到达炉顶的烟气将先前到达炉顶的烟气压迫到下层空间，以此不断循环，实现热量从上部向下部的逐渐传递。热风炉炉膛竖向温度分布略有差异，但横向温度分布非常均匀，有利于炉床的均匀蓄热。
有人担心内置烧嘴烘炉时可能造成烧嘴附近炉床及炉墙的过快升温，实际上并不会产生这种状况。炉床位于烧嘴下部，热烟气迅速上升产生局部负压，不断有温度较低的气体自动填充到烧嘴与炉床之间的空间，烧嘴下部炉床的温度比炉膛空间的温度没有显著升高。烧嘴燃烧时燃气及助燃空气沿水平方向吹向炉膛，燃烧火焰距离人孔附近炉墙有一定距离，热烟气垂直上升不会直接冲刷人孔附近炉墙，炉墙只是受到一定的辐射传热，但不断有温度较低的气体在这一区域循环置换，此处炉墙不会快速升温。
2． 2． 2 外置混风烧嘴烘炉易造成烟道温度过早上升
外置混风烧嘴烘炉是将烘炉烧嘴安装在人孔外部，热烟气与大量空气先行混合降温后再送入热风炉炉膛进行烘炉。由于混合热媒温度较低，流量较大，进入炉膛后没有明显的上升，烘炉初期整个炉膛的竖向、横向温度场都比较均匀。
该烘炉方式的缺点是烘炉前期进入炉内的热媒流量较大，烟道温度升温较早。烟道温度的过早上升，将严重影响烘炉后期的炉内温度场的合理分布。对于烘炉周期较长的硅砖热风炉或者其他原因烘炉周期过长的情况下，烘炉后期炉床的蓄热状况比较差。烘炉时间越长，热风炉炉况恶化情况越严重。这种烧嘴在突然停电时助燃风连接软管易烧损，造成无法连续烘炉。
2． 3 热风炉长时间保温极易造成蓄热体温度分布失衡
由于市场低迷、设备检修等因素的影响，高炉需要较长时间休风，热风炉需要长时间保温，这时通常采用小负荷间歇烧炉。该情况极易造成热风炉蓄热体温度分布失衡，具体表现为: 炉顶温度越烧越低，烟道温度过高，硅砖界面温度过低，蓄热体上下部温度分布严重失衡，该高的不高，该低的不低。通过周期性“下部送风”方式降低废气温度虽然可以缓解该情况，但如果使用外购液化石油气、液化天然气等燃料时，将造成燃料成本的大幅增加，同时产生较高的用电成本。
上部温度过低将影响高炉复风时的送风温度，烟道温度过高将威胁炉箅子的安全，硅砖界面温度过低后果严重，甚至威胁蓄热体的透气性及大墙安全。
如果没有高炉煤气，使用液化石油气或天然气烧炉保温时情况更加糟糕，除上述不良工况外，还经常出现燃烧不完全的情况，极易引发炉膛及烟道爆炸事故的发生。
2． 4 高热值燃气从热风炉人孔处烧炉易于烧毁蓄热体
从热风炉人孔处使用高热值燃气( 液化石油气、天然气等) 进行烧炉极易造成热风炉人孔附近炉床格子砖损坏。烧炉时间越长，损坏面积越大。将极大影响热风炉的透气性，甚至造成上部蓄热体报废。
这种情况的成因是高热值燃气与高炉煤气不同，其燃烧过程中易造成局部高温，甚至超过格子砖的软化温度。高炉煤气的最高燃烧温度远低于格子砖的软化温度，所以不会烧毁格子砖。但高热值燃气的最高燃烧温度却大大高于格子砖的软化温度，只有配风量大大高于理论空气需要量时，燃烧温度才不会高于格子砖的软化温度。出现不完全燃烧时必然产生局部高温，温度将超过格子砖的软化温度。如果在格子砖表面发生较长时间的不完全燃烧，极易使格子砖温度严重超标而损坏格子砖。由于烧嘴离蓄热体很近，热烟气迅速进入炉床，炉膛温度计无法测出温度超标。所以烧嘴安装在人孔处，烧嘴离蓄热体很近，极易造成在蓄热体表面燃烧的情况，靠近烧嘴的蓄热体表面格子砖很可能被烧至高温熔化，失去透气性。近处的格子砖熔化后，高温区域将逐步向远处扩散，损坏面积越来越大。烧炉时间越长，损坏面积越大。广东某铸造厂热风炉烧炉中因炉膛温度过高，造成炉床表面完全熔化，热风炉上部蓄热体完全报废，只得休风凉炉后拆除上部格子砖，重新砌筑。
但从人孔处烘炉是不会烧毁炉床格子砖的。烘炉时因负荷较小，配风量大，火焰很短，燃烧温度低，不容易出现不完全燃烧的情况，也就不会出现烧毁炉床格子砖的情况。烧炉时的情况与烘炉不同，烧炉时负荷很大，火焰很长，极易造成在炉床表面燃烧的情况，这就很可能烧毁炉床表面格子砖。
如果热风炉炉床表面格子砖受损面积较大，将会降低热风炉投产后的送风温度，影响高炉的冶炼强度，增加高炉的冶炼成本，给业主带来沉重的运行成本。
2． 5 高热值燃气烧炉的技术难度较大
如果没有高炉煤气，需要外购液化石油气或天然气进行热风炉烧炉。热风炉的主燃烧器是基于高炉煤气的特性设计的，而且无法改造调节。直接利用热风炉主燃烧器使用高热值燃气进行烧炉，涉及到燃气的理化特性、流量配置、压力调节、炉内状况、燃烧器结构等指标的综合调节，技术难度较高。液化石油气的热值是高炉煤气的35 倍，密度是高炉煤气的2 倍。
液化天然气的热值是高炉煤气的11 倍，密度是高炉煤气的0． 5 倍。
由于液化石油气、液化天然气的热值极高，流量很小，密度与高炉煤气相差悬殊，决定了燃烧的匹配难度极大。如果匹配不合理，就极易出现不完全燃烧的情况。不但影响热风炉工况，还可能诱发炉膛及烟道爆炸，甚至局部高温，烧毁炉床。
因此使用液化石油气、液化天然气烧炉需要非常专业的技术人员才能够顺利实施，一般的烘炉公司根本不具备这种能力，业主一定要慎重选择，切忌冒险。
2． 6 热风炉不良工况的成因
以上几种不良工况的直接成因是温度场分布不合理造成的。在烘炉过程中，大家往往只注意温度是否符合烘炉曲线的要求; 在烧炉过程中，往往只注意燃烧温度应该控制在1 150 ℃左右。即使达到这些要求，如果热风炉纵断面、横断面等温度场分布不合理，就会出现炉床半边热半边凉的情况，或是该热的地方不热、该凉的地方不凉的情况，甚至诱发炉床报废、爆炸事故等极端情况。所以应该采取科学合理的措施，实现热风炉各种情况下温度场的合理分布，不能仅仅局限于测温点的温度是否达标。
如何实现温度场的科学合理分布是解决上述问题的关键，这涉及到燃烧方式、系统配置、现场条件等诸多因素。如果采取完善合理的烘炉、烧炉、保温方案，完全可以避免上述各种不良工况的出现。实现降低燃料成本，确保热风炉安全的目的。
3 供气系统的安全状况不佳
液化石油气、液化天然气取代柴油进行热风炉烘炉、烧炉是发展趋势。但由于该供气系统是临时设施，也没有对应的技术规范，许多原来使用柴油进行烘炉服务的烘炉公司没有使用和管理这种供气系统的技术能力，盲目蛮干，实际应用中存在众多的安全隐患，引发多起安全事故，希望引以为戒。
目前使用液化石油气、液化天然气进行烘炉烧炉的状况可以概括为: 一些烘炉公司没有保证供气系统安全的技术能力，也没有实施热风炉烧炉的技术能力，仍在盲目蛮干; 许多业主缺乏这方面的专业知识，无法对热风炉烧炉的技术方案进行甄别，无法对烘炉公司的技术能力进行评价，但盲目委托。
液化石油气、液化天然气属易燃易爆介质，每车的运量约25 t，相当于350 000 m3 高炉煤气，一旦出现爆炸事故，对于业主而言就是灭顶之灾。因此液化石油气、液化天然气系统的安全事关全局，至关重要。
安全应落实到方方面面的细节中。由于业主对于液化石油气、液化天然气系统的安全知识缺乏比较全面的了解，建议选择烘炉公司时适度保守，选择专业水平较高的烘炉公司。
不同烘炉公司的技术方案和技术能力有很大区别，许多差异是业主方无法全面了解的，因此选择烘炉、烧炉实施单位不应等同于通用产品的竞价招标。许多业主认为只要敢承揽烘炉、烧炉项目，就有能力干好、就可以委托实施是不切实际的想法，也是极度冒险的做法。
4 结语
(1) 高炉烘炉效果不佳诱发炉缸不定型耐材产生大量原始气隙，高炉生产过程中串煤气使得气隙情况不断恶化，影响高炉冷却及高炉长寿。
(2) 热风烘高炉要改善铁口区域的烘烤效果，并提高炉缸外围耐材的温度。
(3) 明火烘高炉时必须改善炉缸下部的温度分布状况，加强炉底的对流传热，避免烟气冷凝水对于炉底的危害。
(4) 热风炉烘炉、烧炉、保温过程中要注重温度场的合理分布，采取科学合理的技术手段，避免温度分布失衡的不良工况，确保炉床及大墙耐材的安全。
(5) 采用高热值燃气烧炉时，燃烧方式及烟气分布必须科学合理，避免燃烧温度超标，造成上部炉床烧毁。
(6) 液化石油气、液化天然气用于热风炉烘炉、烧炉的安全隐患较多，建议慎重选择。
参考文献
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