讲课内容,国内高炉热风炉现状,高炉热风炉设计思路

我们能不能干得比外国人更好一些

——中冶京城吴启常大师于2015年4月，做客于山东慧敏科技公司，讲授热风炉的相关知识，同时对目前钢铁行业热风炉的情况进行讲解，受益匪浅，仅此上传吴大师的讲授资料，大家共同学习，向吴大师致敬！

1. 格子砖热工特性：

对于没有影响热交换过程横向凸台和水平通道的格子砖，都可以通过两个基本参数——格子砖的水力学直径dЭ和相应的活面积f——来表述，即：

单位加热面积（m2/m3）

4f H

d

=

1m3格子砖中砖的容积（m3/m3）

k 1

V=－f

烟气辐射的厚度（cm）

3.4100

4

d

S=Э

ЭФ

砖的半当量厚度（mm）

(1)

4

f d R

f

-

=ЭЭ

格孔间最小壁厚（mm）

min

1

A

d

f

⎛⎫=-

⎪

⎝⎭Э

δ

2.高炉风温有没有上限?

上一世纪70年代，西方国家的高炉设计纷纷高喊要使用1350℃以上的高风温，试图获得提高风温给高炉带来的最大好处。但实际的结果是热风炉拱顶钢壳出现了大量裂纹，给高炉生产带

来了极大的困难。欧洲人深入研

究了此问题之后认为：这是高炉

采用高风温高压操作之后，燃烧

产物中出现了大量的NO X和SO X

造成钢壳出现晶间应力腐蚀的缘

故。尤其是炉壳在高应力状态下

工作时，晶粒之间的腐蚀更为严重。此外，NO X和SO X对于环境污染也是极大的

挑战。它们是PM2.5指标的重要组成部分。 NO X 生成量与拱

顶温度之间关系

欧洲人从防止热风炉炉壳出现晶间应力腐蚀以及保护大气环境的角度出发，他们以热风炉的拱顶温度水平来对热风炉进行分类（详见图2）。按欧洲人的观念，拱顶温度范围：＞1420℃属超高风温热风炉；1350～1420℃属高温热风炉；1250～1350℃属中温热风炉；1100～1250℃属低温热风炉。 晶间应力腐蚀是怎么回事？

晶间应力腐蚀的定义：在腐蚀介质和应力的双重作用下，没有产生变形而出现沿晶间方向的开裂，最终导致材料的破坏。热风炉出现晶间应力腐蚀开裂破坏的主要部位在拱顶的焊缝附近，并且工地焊缝比工厂焊缝出现开裂的频率要高。可见焊接产生的残余应力对于腐蚀开裂有很大的影响。

晶间应力腐蚀产生的原因：在高温条件下，N 2和O 2分解成单体的N 和O 并生成NO x 。NO x 产生的化学反应式如下：

N 2 + xO 2 = 2NO x

x 22111

NO +O =NO x 2x x

如果热风炉炉壳没有特殊的隔热层，炉壳的温度会低于100℃，其内表面会形成冷凝水。氧化氮与这些冷凝水接触便会生成硝酸根离子水溶液，这样，腐蚀介质就形成了。其反应式如下：

2NO 2 + H 2O = HNO 2 + HNO 3 2NO 2 + H 2O + 0.5O 2 = 2HNO 3

硝酸对钢板产生化学侵蚀破坏，反应式如下： 2Fe + 6HNO 3 =Fe 2O 3 + 3N 2O 4 + 3H 2O

研究还表明，在有SO 2介质的存在条件下，应力腐蚀的速度将加快。 为了防止热风炉高温区炉壳出现晶间应力腐蚀，人们曾经采用过一些技术措施：

1）拱顶温度控制在1420℃的水平上；

2）拱顶外壳内表面喷砂除锈后涂刷耐酸高温漆并喷涂耐酸耐火材料； 3）适当加厚拱顶外壳钢板，采用‘低应力设计’，并选用细晶粒耐龟裂钢板作为炉壳材料；

4）拱顶外壳转折点采用曲线连接，並用电加热的方法进行局部退火以消除焊接应力。

5）炉壳外部设置保温材料并用铝薄包裹等等。

实践证明，在腐蚀介质和应力的双重作用下出现的晶间应力腐蚀是防不胜防的，为了远离晶间应力腐蚀，关键在于控制拱顶温度,抑制NO x 生成量的过度发展。

在热工设备中，NO x 的含量取决于N 2和O 2的浓度，温度以及反应时间。当热风炉拱顶温度超过1360℃时，NO x 的的生成率开始增加，当温度超过1420℃时，NO x 的的生成量将急剧增加。如果N 2和O 2在高温条件下反应时间越长，也将造成NO x 的的生成量的急剧增加。欧洲人和日本人在热风炉上测定的结果都证明了这一结论。德国人在进行工业研究[4]时发现，当拱顶温度1440℃时，在热风炉燃烧期转送风期时，由于氮和氧气具有足够的接触时间，NO X 浓度值达到最大值1000mg/m 3（0.05%）。在送风期和燃烧期内，由于接触时间短，NO X 的浓度约为40～70 mg/m 3，并且送风期要高于燃烧期。当燃烧脉动现象频繁出现时，炉壳附近NO X 浓度值可以达到1200～1800mg/m 3（0.06～0.08%）。

前苏联人的测定结果：下塔吉尔钢厂——拱顶温度1300℃时，拱顶NO X 浓度值15mg/m 3；亚速钢厂——拱顶温度1420℃时，拱顶NO X 浓度值60mg/m 3。

我国学者认为，从防止热风炉自身出现晶间应力腐蚀出发，应该将热风炉的拱顶温度限制在≤1400℃。

这里需要说明以下几个问题：

问题 1. 近年来，由于严重的雾霾天气威胁着我国广大的重工业发达地区。当今，气象部门监测的PM2.5指标值中，有相当大的一部分是由于排放SO x ，NO x 等转变成PM2.5的气体污染物（硫酸盐，硝酸盐等）造成的。因此，人们也都在关注热风炉排放SO x ，NO x 量的问题。在我国炼铁工业大气污染物排放标准（GB28663—2012）中仅考核热风炉SO 2的排放浓度＜100mg/m 3和NO x （以NO 2计）的排放浓度＜300mg/m 3，而未考核排放速率（kg/h ）或单位产品的排放量， 这样，只要将拱顶温度控制在1400℃以下，SO 2和NO x 的排放浓度将不会出现超标。

世界卫生组织（WHO ）认为，年平均PM2.5＜10（即空气中＜2.5m μ的颗粒含量＜103

/g m μ）是安全的，但是，目前地球上只有少数地区才能达到这一指标，因此WHO 公布了PM2.5过度目标值（见表1）。