吳強國
( 華潤燃氣( 鄭州) 市政設計研究院有限公司，河南鄭州450001)
摘要: 分析了高爐烘爐和熱風爐烘爐、燒爐、保溫存在的問題，認為目前高爐烘爐效果普遍不佳，殘余水分誘發(fā)爐缸不定型耐材產生原始氣隙，嚴重影響爐缸長壽; 熱風爐烘爐、燒爐、保溫過程中普遍存在溫度場失衡的情況，影響熱風爐壽命及高風溫。提出了改善高爐、熱風爐烘爐、燒爐效果的建議。
關鍵詞: 高爐； 熱風爐； 烘爐；燒爐；長壽
0 引言
目前高爐烘爐效果普遍不理想，爐缸、爐底仍殘存較多的水分，不定型耐材也沒有達到固化強度。高爐開爐時爐缸急劇升溫，殘存的水分迅速蒸發(fā)成壓力較高的水蒸汽，沖破尚未固化的不定型耐材，迅速產生大量初步氣隙，投產后串煤氣造成氣隙不斷擴大，影響爐缸傳熱和高爐長壽［1］。熱風爐烘爐、燒爐、保溫過程中存在溫度場分布不合理的情況，影響熱風爐耐材壽命，降低送風溫度，增加煉鐵成本。高爐及熱風爐投產后，無法定量驗證烘爐效果，導致烘爐中存在的許多問題被掩蓋，因此烘爐一直在低水平重復，甚至是以明火烘高爐這樣極其原始的方式進行。近年來采用液化石油氣、液化天然氣用于高爐熱風爐烘爐，存在極大的安全隱患，應該引起重視。
1 高爐烘爐存在的問題
目前高爐烘爐大致有熱風烘爐、明火烘爐和從熱風爐串熱煙氣烘爐3 種方式。
1． 1 高爐烘爐效果的一些看法
1． 1． 1 高爐烘爐環(huán)節(jié)成為爐缸長壽的“短板”
爐缸長壽是一項系統(tǒng)工程，與設計的合理性、耐材性能、耐材質量、施工質量、烘爐效果、原燃料條件、冷卻制度、操作及維護水平等諸多因素相關［2］。
烘爐是一個很小的子項，但是也是一個重要因素。業(yè)內人士口頭上也很重視烘爐效果，但很多時候沒有落實到實際工作中，導致烘爐環(huán)節(jié)成了爐缸長壽的“短板”。采用明火烘爐這種極不科學的烘爐方式可能是出于成本考慮，或者是對烘爐的新方法不太了解，或是出于從眾心理，但足以證明許多技術人員對烘爐效果不太重視。
1． 1． 2 烘爐效果差是高爐爐缸產生氣隙的主要誘因
許多中小高爐由于烘爐時間短、烘爐方法不科學、耐材溫度低等原因造成爐缸各部位水分蒸發(fā)不充分，不定型耐材固化效果差。高爐開爐時急劇升溫驟然產生大量帶壓水蒸汽，破壞碳磚結合縫膠泥及爐缸各部位的搗打料，迅速產生大量初步氣隙。高爐投產后這些初步氣隙產生串煤氣的情況，造成氣隙不斷擴大，甚至誘發(fā)爐缸各部位不定型耐材的消失或粉化。這將極大破壞爐缸的導熱性能及爐缸結構的整體性。
1． 1． 3 明火烘爐時溫度失真情況比較普遍
高爐烘爐的測溫點選取爐底中心表面比較合適，同時必須保證爐底表面有較大的熱媒對流傳熱。采用傳統(tǒng)的明火方式烘爐時，溫度失真情況比較普遍。即使測溫點選取爐底中心表面，由于爐內負壓嚴重，爐底沒有熱媒的對流換熱，測到的是輻射溫度。雖然溫度值達到烘爐曲線要求，但由于缺乏對流換熱，爐底耐材的受熱升溫情況依然不佳。
1． 2 熱風烘高爐存在的問題
熱風烘高爐是目前最佳的烘爐方式，高爐烘爐的各項技術指標也是基于熱風烘爐方式制定的。但目前熱風烘爐仍然存在一些問題:
( 1) 烘爐時間偏短。
( 2) 爐缸外圍溫度偏低。磚縫膠泥及搗打料水分蒸發(fā)不完全，外圍部位達不到固化溫度。高爐投產后殘余水分蒸發(fā)較快，形成大量初步氣隙，影響高爐長壽［3］。
( 3) 鐵口部位烘干效果差。鐵口堆積的泥包體積及厚度都比較大。由于泥包的阻隔，鐵口組合磚難以升溫，磚縫膠泥難以干燥固化。開爐時鐵口急劇升溫，磚縫及外圍搗打料易形成破壞性氣隙，影響鐵口壽命?？拷F口的爐底部分也由于泥包的阻隔難以升溫，出現上述類似問題。鐵口附近更易于出現較嚴重的侵蝕、燒穿等問題，與鐵口部位烘爐效果更差有很大關系。
1． 3 明火烘高爐存在的問題
在沒有高爐煤氣燒爐的情況下，許多業(yè)主選擇柴油、液化石油氣、液化天然氣為燃料，在高爐風口架設燒嘴，以明火方式烘爐。這種烘爐方式存在嚴重的技術缺陷。
1． 3． 1 高爐爐缸溫度偏低，爐頂溫度容易超標
烘爐燒嘴點火后，整個高爐就是一個大煙囪。溫度越高，爐內負壓越嚴重，熱煙氣難以到達爐缸底部，無法形成對流換熱，爐缸下部難以升溫。在風口上部加裝頂棚只能稍微改善低溫階段爐缸的負壓狀況，300 ℃以后爐缸內仍然是嚴重的負壓狀況。即使爐底測定的溫度較高，也僅僅是輻射溫度，爐缸底部依然缺乏必須的對流換熱，爐缸下部的烘爐效果極差。
1． 3． 2 碳氫類燃料燃燒產生大量水蒸汽和冷凝水
柴油、液化石油氣、液化天然氣等碳氫類燃料燃燒后產生大量的水蒸汽，每燃燒1t 碳氫類燃料，將產生1． 5 ～ 2． 1 t 的水蒸汽。煙氣在高爐內上升的過程中逐步降溫達到過飽和狀態(tài)，水蒸汽冷凝后重新跌落到爐缸底部，形成長時間局部浸泡的情況，嚴重影響烘爐效果。烘爐結束后，被浸泡部位下部碳磚的含水量反而更高了。高爐開爐后水分劇烈蒸發(fā)，不但使爐缸產生大量氣隙，甚至使局部碳磚發(fā)生水煤氣反應，在開爐后短時間內局部碳磚反應消失，形成嚴重的安全隱患。
水蒸汽冷凝情況發(fā)生在明火烘爐的全過程。即使在爐頂排煙溫度較高的情況下，爐壁溫度依然較低，靠近爐壁的煙氣仍然處于過飽和狀態(tài)，仍然有冷凝水不斷產生。
1． 3． 3 明火烘高爐缺乏科學的考量指標
由于爐內負壓嚴重，爐缸溫度場豎向分布差異很大，爐底實際溫度很低。即使測定的爐底溫度較高，也是失真的輻射溫度。烘爐曲線是一個點的升溫情況，無法反映爐缸溫度場的真實情況。爐頂放散的煙氣水蒸汽含量一直很高，無法與大氣的含濕量對比來判斷爐內的烘干效果。
1． 3． 4 鐵口部位烘烤效果極差
鐵口位置較低，又堆積較大的泥包，在負壓情況下熱煙氣難以與之形成對流換熱，鐵口組合磚與泥包下部爐底難以升溫，磚縫膠泥及搗打料難以干燥固化。開爐時鐵口急劇升溫，磚縫及外圍搗打料易形成破壞性氣隙，影響鐵口壽命。沒有干燥固化的泥包下部爐底迅速升溫同樣產生大量破壞性氣隙。許多高爐開爐時出現風口、鐵口來水的情況，就充分反映出這種烘爐方式實際的烘烤效果極差。
1． 4 熱風爐串熱煙氣烘高爐存在的問題
該烘爐方式實質上仍然是明火烘高爐，只是高爐風口沒有安裝燒嘴，而是借用了熱風爐的烘爐燒嘴，仍然是用熱煙氣烘爐。
與高爐風口架燒嘴明火烘高爐相比，熱風爐串熱煙氣烘爐方式僅僅是可以提前烘烤熱風總管及熱風圍管，但仍然存在明火烘高爐的各種缺點。
1． 5 改善高爐烘爐效果的建議
( 1) 熱風烘爐時適當延長烘爐時間，提高爐缸外圍耐材的溫度。
( 2) 加強熱媒介質對爐缸側壁及爐底的沖刷，提高對流傳熱效果。如果采用明火烘爐方式，應改變排煙方式，設法從爐底排煙，以改善溫度場的分布狀況。
( 3) 設法從鐵口排出部分烘爐熱媒介質，改善鐵口區(qū)域烘烤效果。
2 熱風爐烘爐燒爐存在的問題
熱風爐烘爐、燒爐過程中，經常出現一些不良工況，分述如下。
2． 1 蓄熱體溫度分布不均，送風溫度很低
熱風爐使用硅質耐材時烘爐周期一般較長，因為后續(xù)工程拖延經常人為延長熱風爐烘爐周期。熱風爐烘爐周期過長時，經常出現爐床溫度場分布不均的不良工況。具體表現: 煙道溫度過高; 爐頂溫度偏低且升溫困難; 硅磚界面溫度過低; 送風溫度很低甚至達不到600 ℃。
即使拱頂溫度最終達到1 100 ℃，送風溫度依然很低。究其原因是靠近烘爐燒嘴的半幅爐床蓄熱較好，但另外較遠的半幅爐床則是上部溫度較高而下部爐床蓄熱很差。送風后從遠、近兩個半幅爐床到達燃燒室的熱風溫度不一樣，相當于冷熱混合，整體溫度較低，很難達到800 ℃的送風要求。安徽銅陵某特鋼企業(yè)熱風爐烘爐時間約70 天，高爐開爐時的熱風溫度長時間處于650 ℃以下。
硅磚界面溫度過低將造成嚴重危害。如果硅磚界面溫度在600 ℃附近，高爐開爐首次送風后硅磚界面溫度可能降低到500 ℃左右，當使用高爐煤氣燒爐時，煙氣流量很大，硅磚界面溫度將急劇上升到700 ℃以上。硅磚的相變溫度為573 ℃，在相變溫度附近溫度驟升驟降將嚴重損害硅磚安全，甚至造成硅磚碎裂，影響爐床透氣性，并對熱風爐大墻造成結構性破壞。
2． 2 內置明火燒嘴與外置混風燒嘴烘爐效果的差異
2． 2． 1 內置明火燒嘴烘爐情況較好
內置明火燒嘴烘爐是將烘爐燒嘴自人孔伸入熱風爐爐膛進行烘爐。燒嘴燃燒產生的熱煙氣因密度比周圍空間氣體密度小而自然上升到爐頂，在上升的過程中與周圍空間氣體不斷混合而降溫。后期到達爐頂的煙氣將先前到達爐頂的煙氣壓迫到下層空間，以此不斷循環(huán)，實現熱量從上部向下部的逐漸傳遞。熱風爐爐膛豎向溫度分布略有差異，但橫向溫度分布非常均勻，有利于爐床的均勻蓄熱。
有人擔心內置燒嘴烘爐時可能造成燒嘴附近爐床及爐墻的過快升溫，實際上并不會產生這種狀況。爐床位于燒嘴下部，熱煙氣迅速上升產生局部負壓，不斷有溫度較低的氣體自動填充到燒嘴與爐床之間的空間，燒嘴下部爐床的溫度比爐膛空間的溫度沒有顯著升高。燒嘴燃燒時燃氣及助燃空氣沿水平方向吹向爐膛，燃燒火焰距離人孔附近爐墻有一定距離，熱煙氣垂直上升不會直接沖刷人孔附近爐墻，爐墻只是受到一定的輻射傳熱，但不斷有溫度較低的氣體在這一區(qū)域循環(huán)置換，此處爐墻不會快速升溫。
2． 2． 2 外置混風燒嘴烘爐易造成煙道溫度過早上升
外置混風燒嘴烘爐是將烘爐燒嘴安裝在人孔外部，熱煙氣與大量空氣先行混合降溫后再送入熱風爐爐膛進行烘爐。由于混合熱媒溫度較低，流量較大，進入爐膛后沒有明顯的上升，烘爐初期整個爐膛的豎向、橫向溫度場都比較均勻。
該烘爐方式的缺點是烘爐前期進入爐內的熱媒流量較大，煙道溫度升溫較早。煙道溫度的過早上升，將嚴重影響烘爐后期的爐內溫度場的合理分布。對于烘爐周期較長的硅磚熱風爐或者其他原因烘爐周期過長的情況下，烘爐后期爐床的蓄熱狀況比較差。烘爐時間越長，熱風爐爐況惡化情況越嚴重。這種燒嘴在突然停電時助燃風連接軟管易燒損，造成無法連續(xù)烘爐。
2． 3 熱風爐長時間保溫極易造成蓄熱體溫度分布失衡
由于市場低迷、設備檢修等因素的影響，高爐需要較長時間休風，熱風爐需要長時間保溫，這時通常采用小負荷間歇燒爐。該情況極易造成熱風爐蓄熱體溫度分布失衡，具體表現為: 爐頂溫度越燒越低，煙道溫度過高，硅磚界面溫度過低，蓄熱體上下部溫度分布嚴重失衡，該高的不高，該低的不低。通過周期性“下部送風”方式降低廢氣溫度雖然可以緩解該情況，但如果使用外購液化石油氣、液化天然氣等燃料時，將造成燃料成本的大幅增加，同時產生較高的用電成本。
上部溫度過低將影響高爐復風時的送風溫度，煙道溫度過高將威脅爐箅子的安全，硅磚界面溫度過低后果嚴重，甚至威脅蓄熱體的透氣性及大墻安全。
如果沒有高爐煤氣，使用液化石油氣或天然氣燒爐保溫時情況更加糟糕，除上述不良工況外，還經常出現燃燒不完全的情況，極易引發(fā)爐膛及煙道爆炸事故的發(fā)生。
2． 4 高熱值燃氣從熱風爐人孔處燒爐易于燒毀蓄熱體
從熱風爐人孔處使用高熱值燃氣( 液化石油氣、天然氣等) 進行燒爐極易造成熱風爐人孔附近爐床格子磚損壞。燒爐時間越長，損壞面積越大。將極大影響熱風爐的透氣性，甚至造成上部蓄熱體報廢。
這種情況的成因是高熱值燃氣與高爐煤氣不同，其燃燒過程中易造成局部高溫，甚至超過格子磚的軟化溫度。高爐煤氣的最高燃燒溫度遠低于格子磚的軟化溫度，所以不會燒毀格子磚。但高熱值燃氣的最高燃燒溫度卻大大高于格子磚的軟化溫度，只有配風量大大高于理論空氣需要量時，燃燒溫度才不會高于格子磚的軟化溫度。出現不完全燃燒時必然產生局部高溫，溫度將超過格子磚的軟化溫度。如果在格子磚表面發(fā)生較長時間的不完全燃燒，極易使格子磚溫度嚴重超標而損壞格子磚。由于燒嘴離蓄熱體很近，熱煙氣迅速進入爐床，爐膛溫度計無法測出溫度超標。所以燒嘴安裝在人孔處，燒嘴離蓄熱體很近，極易造成在蓄熱體表面燃燒的情況，靠近燒嘴的蓄熱體表面格子磚很可能被燒至高溫熔化，失去透氣性。近處的格子磚熔化后，高溫區(qū)域將逐步向遠處擴散，損壞面積越來越大。燒爐時間越長，損壞面積越大。廣東某鑄造廠熱風爐燒爐中因爐膛溫度過高，造成爐床表面完全熔化，熱風爐上部蓄熱體完全報廢，只得休風涼爐后拆除上部格子磚，重新砌筑。
但從人孔處烘爐是不會燒毀爐床格子磚的。烘爐時因負荷較小，配風量大，火焰很短，燃燒溫度低，不容易出現不完全燃燒的情況，也就不會出現燒毀爐床格子磚的情況。燒爐時的情況與烘爐不同，燒爐時負荷很大，火焰很長，極易造成在爐床表面燃燒的情況，這就很可能燒毀爐床表面格子磚。
如果熱風爐爐床表面格子磚受損面積較大，將會降低熱風爐投產后的送風溫度，影響高爐的冶煉強度，增加高爐的冶煉成本，給業(yè)主帶來沉重的運行成本。
2． 5 高熱值燃氣燒爐的技術難度較大
如果沒有高爐煤氣，需要外購液化石油氣或天然氣進行熱風爐燒爐。熱風爐的主燃燒器是基于高爐煤氣的特性設計的，而且無法改造調節(jié)。直接利用熱風爐主燃燒器使用高熱值燃氣進行燒爐，涉及到燃氣的理化特性、流量配置、壓力調節(jié)、爐內狀況、燃燒器結構等指標的綜合調節(jié)，技術難度較高。液化石油氣的熱值是高爐煤氣的35 倍，密度是高爐煤氣的2 倍。
液化天然氣的熱值是高爐煤氣的11 倍，密度是高爐煤氣的0． 5 倍。
由于液化石油氣、液化天然氣的熱值極高，流量很小，密度與高爐煤氣相差懸殊，決定了燃燒的匹配難度極大。如果匹配不合理，就極易出現不完全燃燒的情況。不但影響熱風爐工況，還可能誘發(fā)爐膛及煙道爆炸，甚至局部高溫，燒毀爐床。
因此使用液化石油氣、液化天然氣燒爐需要非常專業(yè)的技術人員才能夠順利實施，一般的烘爐公司根本不具備這種能力，業(yè)主一定要慎重選擇，切忌冒險。
2． 6 熱風爐不良工況的成因
以上幾種不良工況的直接成因是溫度場分布不合理造成的。在烘爐過程中，大家往往只注意溫度是否符合烘爐曲線的要求; 在燒爐過程中，往往只注意燃燒溫度應該控制在1 150 ℃左右。即使達到這些要求，如果熱風爐縱斷面、橫斷面等溫度場分布不合理，就會出現爐床半邊熱半邊涼的情況，或是該熱的地方不熱、該涼的地方不涼的情況，甚至誘發(fā)爐床報廢、爆炸事故等極端情況。所以應該采取科學合理的措施，實現熱風爐各種情況下溫度場的合理分布，不能僅僅局限于測溫點的溫度是否達標。
如何實現溫度場的科學合理分布是解決上述問題的關鍵，這涉及到燃燒方式、系統(tǒng)配置、現場條件等諸多因素。如果采取完善合理的烘爐、燒爐、保溫方案，完全可以避免上述各種不良工況的出現。實現降低燃料成本，確保熱風爐安全的目的。
3 供氣系統(tǒng)的安全狀況不佳
液化石油氣、液化天然氣取代柴油進行熱風爐烘爐、燒爐是發(fā)展趨勢。但由于該供氣系統(tǒng)是臨時設施，也沒有對應的技術規(guī)范，許多原來使用柴油進行烘爐服務的烘爐公司沒有使用和管理這種供氣系統(tǒng)的技術能力，盲目蠻干，實際應用中存在眾多的安全隱患，引發(fā)多起安全事故，希望引以為戒。
目前使用液化石油氣、液化天然氣進行烘爐燒爐的狀況可以概括為: 一些烘爐公司沒有保證供氣系統(tǒng)安全的技術能力，也沒有實施熱風爐燒爐的技術能力，仍在盲目蠻干; 許多業(yè)主缺乏這方面的專業(yè)知識，無法對熱風爐燒爐的技術方案進行甄別，無法對烘爐公司的技術能力進行評價，但盲目委托。
液化石油氣、液化天然氣屬易燃易爆介質，每車的運量約25 t，相當于350 000 m3 高爐煤氣，一旦出現爆炸事故，對于業(yè)主而言就是滅頂之災。因此液化石油氣、液化天然氣系統(tǒng)的安全事關全局，至關重要。
安全應落實到方方面面的細節(jié)中。由于業(yè)主對于液化石油氣、液化天然氣系統(tǒng)的安全知識缺乏比較全面的了解，建議選擇烘爐公司時適度保守，選擇專業(yè)水平較高的烘爐公司。
不同烘爐公司的技術方案和技術能力有很大區(qū)別，許多差異是業(yè)主方無法全面了解的，因此選擇烘爐、燒爐實施單位不應等同于通用產品的競價招標。許多業(yè)主認為只要敢承攬烘爐、燒爐項目，就有能力干好、就可以委托實施是不切實際的想法，也是極度冒險的做法。
4 結語
(1) 高爐烘爐效果不佳誘發(fā)爐缸不定型耐材產生大量原始氣隙，高爐生產過程中串煤氣使得氣隙情況不斷惡化，影響高爐冷卻及高爐長壽。
(2) 熱風烘高爐要改善鐵口區(qū)域的烘烤效果，并提高爐缸外圍耐材的溫度。
(3) 明火烘高爐時必須改善爐缸下部的溫度分布狀況，加強爐底的對流傳熱，避免煙氣冷凝水對于爐底的危害。
(4) 熱風爐烘爐、燒爐、保溫過程中要注重溫度場的合理分布，采取科學合理的技術手段，避免溫度分布失衡的不良工況，確保爐床及大墻耐材的安全。
(5) 采用高熱值燃氣燒爐時，燃燒方式及煙氣分布必須科學合理，避免燃燒溫度超標，造成上部爐床燒毀。
(6) 液化石油氣、液化天然氣用于熱風爐烘爐、燒爐的安全隱患較多，建議慎重選擇。
參考文獻
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