外燃式热风炉炉壳设计

外燃式热风炉考虑因素

炉壳设计考虑的因素有工艺、环境和自然条件、施工、使用周期等。具体来说大致有：

工艺要求：形状、尺寸、开洞、荷重、内压、炉温、使用年限；

环境要求：大气腐蚀、介质腐蚀（尤其是晶间应力腐蚀）；

自然条件要求：气温、风载、雪载、地震；

施工要求：制作、运输、安装。

外燃式热风炉设计内容

炉壳设计内容有：

1）炉壳材质；2）焊接材料的选择；3）炉皮外形开洞和厚度；4）炉壳分带分块；5）焊缝型式；6）构造和零星结构；7）涂装和防腐措施；8）施工要求和注意事项。 2100433B

优点为：取消了隔墙，从根本上杜绝了温差、压差所造成的砌体破坏。由于圆柱形砖墙和蓄热室的断面得到了充分利用，在相同加热能力条件下，与内燃式相比，炉壳和砖墙直径都较小，故结构稳定。此外它受热均匀，结构上都有单独膨胀的可能，稳定可靠性大大提高。由于外燃式热风炉的两室都做成了圆形断面，因此炉内气流分布均匀，有利于燃烧和热交换。

缺点是比内燃式热风炉投资大；砌砖结构复杂，对砖的加工制作要求很高；拱顶钢结构不对称，受力不均匀，不适应高温和高压的要求

外燃式热风炉Didier外燃式

（1）布置：一列式。

（2）拱顶特点：2个不同半径近于1/4球体和半个截头圆锥组成，尺寸大、结构复杂。

（3）燃烧器：栅格燃烧器，火焰短，空煤气预热温度要求基本相同，对掉物具有较强的敏感性，有火井，可 用15年。

（4）气流：分布较差。

（5）优势：外形低。

（6）缺点：结构复杂，拱顶温度高，晶间应力腐蚀问题突出，稳定性差，对温度差具有较强的敏感性 。

外燃式热风炉NSC外燃式

（1）布置：一列式。

（2）拱顶特点：2个相同半径半球顶和1个圆柱连联管组成，尺寸小、 结构稳定 。

（3）燃烧器：3孔套筒燃烧器，火焰长，需要建立在其它设备比较严格的基础上运行，有火井，可用15年。

（4）气流：分布较好。

（5）优势：结构稳定。

（6）缺点： 面积大，存在晶间应力腐蚀、联通管问题 。

外燃式热风炉是内燃式热风炉的进化与发展，现代大型高炉都采用这种型式的热风炉，其类型有地得式、科珀式、马琴式和新日铁式四种。

这些外燃式热风炉的特征，主要表现在拱顶及其连接的方式上。地得式外燃热风炉的拱顶由半个截头圆锥体联结2个半径不同的接近1/4的球形拱顶组成，整个拱顶整体结构星半卵形。科珀式外燃热风炉燃烧室拱顶和蓄热室拱顶由各自白不同半径的半球拱顶组成。马琴式外燃热风炉的蓄热室顶部具有圆锥形的缩口，蓄热室顶部直径

与燃烧室相同，拱顶由2个半径相同的1/4球形拱顶和大半个圆柱体组成。

从使情况上看，使用数量最多，应用效果最好的为新日铁式外燃热风炉。其特点有：

1、结构的长期稳定性：蓄热室项部有锥型缩口两拱顶间由一个圆柱形连接管连接，拱顶对称，尺寸小，气流分布好，从而减小了因高温蠕变引起的拱顶耐火砖变形。

2、采取了一系列防止晶间应力腐蚀的措施，如高温区用特钢作炉壳，内表面喷涂耐酸涂料，外表面包铝板，炉壳转折点采用曲线连接等。

3、拱顶连接管设波形膨胀圈，并用拉杆固定，形成柔性结构。

4、采用圆弧形底板、七孔蜂窝砖、三孔陶瓷燃烧器等。

5、设置了混风室，使热风温度均衡，减少对热风阀的热冲击，延长了热风阀的寿命。

高炉用热风炉的形式主要有三种，内燃式、外燃式和顶燃式。20世纪60年代，人们在传统的内燃式和改造型内燃式的基础上开发了外燃式热风炉。它以燃烧室独立于蓄热室之外、燃烧室和蓄热室通过拱顶连接管相连接的结构，克服了内燃式热风炉隔墙易损、气流偏析等缺点。在热风炉相同直径的条件下，外燃式热风炉的蓄热室面积比内燃式增大25%~30%，因此对提高热风温度和延长热风炉寿命提供了必要的保障。目前世界上要求提供1200摄氏度以上高风温的热风炉采用外燃式的约占70%以上。

外燃式热风炉在世界上经历了40年来的应用发展时期，为人类做出了功不可没的贡献。从现代化高炉越来越朝向大型化建设的趋势来看，外燃式热风炉还需要在总体能源利用、综合效率方面进一步提升，从而对高炉生产实现“资源节约型、环境友好型”。

豫兴热风炉是河南省豫兴热风炉工程技术有限公司和郑州豫兴耐火材料有限公司开发、研制的新一代热风炉。这是在长期制作各种热风炉燃烧器的基础上成功开发的新产品。在1998年至2006年的8年时间内，公司承接了大量各种热风炉燃烧器的制作，如新日铁外燃式热风炉燃烧器、霍戈文内燃式热风炉燃烧器、卡卢金顶燃式热风炉燃烧器等。在燃烧器的制作过程中，根据这些热风炉燃烧器的性能与特点，以及将这些燃烧器安装在对应的热风炉上所体现出来的各种性能参数进行对比研究，并对每种热风炉燃烧器的构思、原理、结构、性能、效果乃至砖型等都做了细致的分析与研究，尤其对用户在使用燃烧器的过程中的效果，风温、节能等指标以及使用寿命进行了跟踪研究。在此基础上，研制出了集当前使用的热风炉优点于一身的高温、高效、节能、长寿的热风炉炉型，并且经过三年多不断改进，其结构更加合理、性能更加稳定。实践表明，豫兴热风炉具有空气与煤气混合均匀，燃烧强度大、燃烧充分完全等优良性能；独特的流场结构使得进入格子砖蓄热体表面时的烟气流场实现均匀分布，这是其他热风炉的烟气流场所不具备的，这就使得热风炉在高效燃烧的基础上有效提高了热风炉传热效果和蓄热体的利用率。

在新型热风炉的研制过程中，得到了冶金技术方面的著名专家学者积极支持，为新一代热风炉的研制工作提出了宝贵的建议，对豫兴热风炉的成功研制起到了积极的作用。

豫兴型热风炉是气体燃料反冲预混预热燃烧技术的典型应用之一，是交错喷嘴系列燃烧模式的具体表现之一，独特而合理的结构实现了高强度燃烧与高效率传热的完美结合。该顶燃式热风炉具有大拱顶燃烧室与设置在其底部的煤气与空气喷嘴交错环形布置成一定角度上喷的燃烧器，以及其下部的蓄热室；这样的热风炉结构，能使交错上喷的煤气与空气气流很好的预混燃烧，随后烟气经拱顶折返而形成一个夹在两股反向气流中间的烟气回流涡漩；回流涡旋对上行混合气流的预热实行了提前着火与火焰稳定，其自稳定属性保证了整个气流流场的稳定，其相对于主气流的低压特征是使下气流分布自然趋于均匀。可见，这样的燃烧室气流场结构就能有效二巧妙的解决气体燃料燃烧过程中气流混合、气流预热、着火燃烧、气流稳定、气流分布均匀等一系列问题。因此，豫兴型热风炉完全能够实现燃烧火焰稳定、提高燃烧强度、防止燃烧振荡、改善传热效果，进而能提高热风炉的效率，增强负荷调节功能、实现安全与稳定的运行，并且还能达到节省燃料，节约投资的目标。基于在燃烧室、燃烧器、及蓄热室中合理的应用了热稳定性行的材料与结构，使得热风炉的使用寿命的到有效的延长。

豫兴公司在项目推广的过程中投入大量人力物力，实现了豫兴热风炉技术快速而成功的应用。实际运行的结果有力的证实了理论分析、实验研究、数值模拟的正确性，同时也验证了设计计算程序的准确性。在短短的两三年内使用一种新型的热风炉能够从构思到实现整体结构的实施、从实验研究到设计炉型、从耐材制作到建成投产，这在热风炉工程技术领域中是不多的案例。这些都得益于豫兴公司具有长期承建热风炉炉体材料的上产基地、得益于豫兴公司科技兴业原则与大量的科技经费的有效投入。

新一代高燃烧强度、高热风温度、高传热效果、高效与节能的热风炉已经投入使用，并安全稳定的运行着。这是在技术创新。研究开发、理论与实践、设计与生产的一次完美结合。豫兴热风炉技术的成功应用，为其向大型化方向发展奠定了良好的基础，是热风炉技术向先进性、节能型、高风温方向所迈出了坚实的一步，它一定能成为中国乃至世界钢铁工业的发展作出其应有的贡献。

豫兴型顶燃式热风炉结构与性能简介

热风炉是炼铁工程的重要辅助设备，是一种间歇加热与冷却的周期性运行的热工装置，其性能的优劣直接影响到自身和高炉的正常运行、利用效率以及使用寿命。在热风炉中目前使用最多的结构形式不外乎内燃式与外燃式两种，在内燃式结构中因其燃烧装置的不同设置，又分为燃烧室火井平行与蓄热室的内燃式热风炉和燃烧室放在蓄热室顶部的顶燃式热风炉。在顶燃式热风炉中，以带小拱顶预燃室的顶燃式热风炉发展最快，受关注程度大，其主要特征在于燃烧室顶部设置小直径的预燃室，采用煤气与空气通过周向分布的喷嘴与径向成一定程度喷射进入预燃室，在其中形成旋流，并相互混合后进入其下部的锥端燃烧室燃烧。燃烧室火井平行与蓄热室的内燃式热风炉，目前仍在大量使用，其主要问题在于火井式燃烧室流场结构不稳定而导致的燃烧振荡，以及向上的燃烧气流折返后因结构特征分布不均匀，又会影响蓄热室中传热效果和格子砖的利用率；此外，火井燃烧室与蓄热室之间的隔壁长期在大温差的条件下，易于损毁而导致出现气流短路的问题。上述原因使得内燃式热风炉的燃烧状态始终不佳、传热效果不尽人意、热风温度很难提高，正逐步被其它炉型尤其是各种顶燃式热风炉所取代。

因此，如何改进热风炉结构以获得混合良好的燃烧器、气流稳定且有回流稳焰的燃烧室、以及气流分布不均匀的蓄热室，从中得到燃烧强度大且传热-蓄热效果好的热风炉。由豫兴热风炉工程技术有限公司和豫兴耐火材料有限公司研究开发、设计制造、并投入运行的豫兴型顶燃式热风炉应该是有效实现燃烧强度高、传热效率高、热风温度高的一种顶燃式热风炉。

豫兴顶燃式热风炉是在综合分析了带有顶部预燃室和环形旋流喷射燃烧器的顶燃式热风炉与带有蓖形陶瓷燃烧器且火井燃烧室平行于蓄热室的内燃式热风炉的结构与组合特征、流动与混合特征、燃烧与传热特征的基础上发明的一种新型热风炉。它吸收了前者上置燃烧室的结构特征和后者燃烧气流上行后拱顶折返进入蓄热体的流动特征；并改进上述两种炉型的陶瓷燃烧器结构，采用拱顶下部设置喷嘴环形交错气流在燃烧室中先向上混合燃烧之后烟气中部折返向下，从而形成部分烟气回流并预热上喷燃气与助燃空气，同时稳定的涡旋运动有效避免了火井燃烧室燃烧过程气流不稳定的确定；取消了常规顶燃式热风炉上部的煤气与空气的预燃室。使得热风炉顶部燃烧室结构得到有效地简化，增加了炉顶结构的承压强度与稳定性，并且使得在相同燃烧室炉墙面积下燃烧室有效容积增大；由于燃烧气流在燃烧室的上行与折返，有足够的时间实现燃气与空气的充分混合、预热与燃烧，因而燃烧室同时起到了预燃室与燃烧室的作用；由于带预燃室的顶燃式热风炉的燃烧室是一个锥段渐扩形的结构，为了使气流在其中流动的稳定和燃烧的稳定，必须采用旋转气流流场，其结果会导致进入蓄热体的燃烧气流（烟气）分布相当不均匀，而新结构的燃烧气流经折返后在回旋气流（相对低压区）的作用下会形成类似于管内流动的流场结构，其分布的均匀性大为改善。因此，豫兴型热风炉是一种及多种热风炉优良性能与一身的，具有结构简单、流动、传热与燃烧性能优良的新型热风炉。

豫兴型顶燃式热风炉的特点

(1)燃烧稳定强度大：煤气、空气成一定角度向上喷射，在热风炉内借助于高温烟气回流对其进行高温预热，由于交错的小流股喷射能使两种气流很快达到完全而充分的混合后燃烧，达到燃烧充分、火焰短、强度大、燃烧温度高的目的。

(2)气流与温度场分布合理：煤气、空气成一定角度向上喷射后的完全燃烧，在热风炉拱顶作用下折返，借助回流作用形成温度与速度分布都较为均匀的向下热气流，而后进入热风炉蓄热室的上部，从而使蓄热体受热均匀，有效提高蓄热体利用率和增强蓄热体换热能力，有利于实现高热风温度的工艺要求，且能减小蓄热体不同区域间的热应力分布，进而能提高其使用寿命。

(3)燃烧气流流场稳定合理：利用折返气流的回流流场与配合恰当的燃烧室结构，可以形成稳定的流场结构，致使燃烧过程更加稳定，有效避免燃烧振荡问题，从而为加强燃烧强度，提高换热强度创造了有力条件。

(4)燃烧更安全：首先由于采用煤气与助燃空气分别交叉成一定角度上喷，煤气射流与空气射流在燃烧室混合燃烧，消弭了燃烧过程产生回火的可能性，提高了热风炉操作运行的安全性。

(5)燃烧气流流场稳定合理、可以提高燃烧负荷：本设计热风炉的燃烧器的结构与气流流动的稳定性，不会引起燃烧过程出现振荡，增强了燃烧室的热负荷调节能力，因而能够实现热风炉安全、稳定、高负荷运行。

(6)设计合理，节省投资：由于燃烧室可以采用高热负荷运行状态，蓄热体中气体标态流速可以选取较大数值，从而可增强蓄热体材料的重量，有效的节省了热风炉的初投资。

(7)结构稳定，热风炉寿命长：采用悬链线拱形结构的拱顶，减小了上部拱顶的曲率半径，具有良好的受力结构与稳定性，能有效增加热风炉的使用寿命。

(8)燃烧器与炉墙受热合理，有利于延长热风炉寿命：燃烧器设置在拱顶的基部并与炉墙构成一体形成燃烧室，由于其墙体不论在燃烧周期还是在送风周期均处于相同的热稳定状态，十分有利于热风炉稳定长寿命的运行。

(9)燃烧器独立支撑结构，有利于延长热风炉寿命：将燃烧室组成设计成炉壳支撑，有效的将其与蓄热体大墙分离，之间配合迷宫式滑移缝连接，以保证蓄热体大墙在运行过程中温度周期性变化造成的上下移动不受阻碍，有效地延长炉体使用寿命。

(10)环道的两个功能：燃烧器的煤气与空气出口喷嘴部分，受炉膛辐射与气流变化的影响温度变化较大，但也仅仅限于仅靠炉膛的部分，当采用喷嘴上部设置能自有膨胀的矩形截面的环形通道后，就能有效克服这一问题；该环道还能起到加强均匀气流分配的作用，因而使燃烧过程得到进一步改善。

(11)设计气流均布装置：煤气通道和空气通道采取截面积递减的斜坡状结构，或者采用其他气流均匀装置可使得各自均匀布置交错排列的几十个出口喷嘴管中速度平均相对误差小于±5%，从而改善周向的气流混合，提高气流分布的均匀性，从而整体提高燃烧与传热效率。

总之，该型顶燃式热风炉，结构独特而新颖，有效而巧妙的解决气流混合、气流稳定、气流均与分布、与烟气回流预热等燃烧过程的关键问题，能实现稳定燃烧火焰、提高燃烧强度、防止燃烧振荡、改善传热效果、从而提高热风炉效率、增强负荷调节功能，保证运行的安全与稳定，实现节省燃料、节约投资的目标。基于合理的热稳定的作用，使得热风炉的使用寿命得到有效的延长。已经建成投产的豫兴热风炉运行数据表明，实现热风炉的高效、高温、节能、环保是切实可行的事情。因此，豫兴型顶燃式热风炉的推广作用一定能收到良好的经济效益和社会效益。

豫兴型顶燃式热风炉的结构特征与性能

豫兴型顶燃式热风炉是在综合分析带预燃室的顶燃式热风炉和火井平行与蓄热室的内燃式热风炉，大功率热风炉以及顶燃式球床热风炉等十几种流行热风炉技术的结构与性能特征的基础上，研究开发的一种新型顶燃式热风炉，并在山西通才工贸有限公司450m3高炉上首先建成与2007年12月29日点火投入使用。

豫兴型顶燃式热风炉除了具有其他顶燃式热风炉的主要优势外，还具有结构稳定合理、烟气流场均匀、燃烧充分高效、传热性能优良、及投资费用低等优势，是一种最具潜质热风炉技术。该炉型具体技术特点归纳与如下：

b、喷嘴环形交错布置气流上喷预混燃烧的陶瓷燃烧器

c、结构简单投资省

d、燃烧室气流流场均匀且稳定

热风炉运行中提高风温的措施

a、热风炉燃烧初期采用快速烧炉法，30分钟内达到最高拱顶温度，然后在保持拱顶温度基本不变的条件下燃烧，使蓄热体有效蓄热，满足送风要求。

b、稳定煤气压力10kPa~12kPa，减少因压力波动而引起煤气输送量的变化，从而改变煤气与空气的比值，影响燃烧效率和燃烧温度。

c、煤气含尘量在线监测（自动检测仪），保证煤气含尘量小于10mg/m，以保证蓄热体格子砖的通畅，发现问题及时处理。

d、采取入炉焦炭烘干，减少煤气中的含水量，有利于提高理烧温度以保证热风温度维持在较高水平。

e、在保证炉底支撑装置结构安全的前提下，为了维持较高的热风温度可适当提高排烟温度，如从380℃提高到420℃等；但这样做会降低热风炉的效率，通常情况尽量不采用。

f、加强对新型热风炉结构与性能的了解，不断总结烧炉经验，优化操作模式，提高烧炉水平，加强对工况的记录、整理、分析，加强操作人员的操作水平与技能的考核