学习单元3.2：热风炉设备,热风炉是高炉鼓风的预热器热风炉的种类虽然很多，但它们的基本工作原理是相同的即利用高炉煤气（或混合煤气）燃烧产生的高温废气加热热风炉内的蓄热室格子砖（或耐火球），使格子砖（或球）吸收废气的热量，达到1200～1400℃的高温，经过一段保温时间，使格子砖内外温度基本一致后，通过换炉操作，送往高炉的鼓风穿过处于高温状态的蓄热室格孔（或球层），吸收格子砖（或球）的热量，达到接近燃烧过程中格子砖（或球）所达到的温度热风炉结构形式的演变,从发展过程看： 1829年第一座热风炉开始在美国使用当时采用的是管式热交换器，它的结构很简单空气从铁管中通过，有煤作燃料，热风温度只能达到315℃但高炉炉况有显著改善，产量提高，焦比降低了35%这种热风炉不能高温高压，供给的风温很低，已被淘汰 1857年考贝（Cowper）开始建造用固体燃料加热的蓄热式热风炉 ； 1865年开始出现用气体燃料加热的蓄热式热风炉（内燃式热风炉） 1928年美国人建造了世界上第一座外燃式热风炉；1978年世界上第一座大型顶燃式热风炉诞生在首钢（2号高炉炉容1327m3）目前，世界上正在使用的热风炉，可谓是种类繁多，各具特色。
1829年开始采用的铸铁管式热风炉热风炉结构形式的演变,由于高风温是强化高炉冶炼增产节焦的重要措施之一，同时随着喷吹技术的发展，要求提供更高的热风温度当前国内外大型先进高炉使用的风温都在1200℃左右，个别的达到1350℃，最高的鼓风压力达到（555～606）kPa（5.5～6.0大气压），因而在本世纪初出现了很多新型热风炉，1 改造型内燃式（亦称霍戈文式）2 外燃式（又分为马琴式、科珀式、地德式、新日铁式等）；3 顶燃式以及小高炉用的石球式热风炉各种类型的热凤炉的优缺点,铸铁管式热风炉，不能承受高温高压，供给的风温很低，已被淘汰内燃式热风炉,1857年，考贝（Cowper）提出用蓄热式热风炉来代替换热式热风炉，蓄热式热风炉最初也用煤作燃料1865年采用了气体燃料加热的蓄热式热风炉，形成了现有内燃式热风炉的雏形自考贝使用蓄热式热风炉以来,其基本原理至今没有改变,而热风炉的结构、设备及操作方法却有了重大改进 1972年，荷兰艾莫依登厂在新建的3667m3高炉上对内燃式热风炉作了较大改进，较好地克服了传统考贝式热风炉的缺点这种热风炉被称为霍戈文内燃式热风炉它的拱顶砌体呈悬链线形且直接由炉壳支承；燃烧室隔墙下部增设隔热砖，以减少燃烧室隔墙的温度梯度；外包柔性耐火纤维，以吸收砌体的不均匀膨胀；采用套筒式陶瓷燃烧器。
传统内燃式热风炉的通病,由于传统内燃式热风炉结构上的特点，在使用过程中发现有以下缺点： 1）燃烧室与蓄热室之间的隔墙的温差太大鞍钢1967年在6号高炉2号热风炉上（传统内燃式）测定火井底部隔墙两侧的温差，如图1.1，在送风末期可达700℃，再加上使用金属燃烧器产生的严重脉动现象，可引起燃烧室产生裂缝、掉砖、短路烧穿 2）拱顶坐落在热风炉大墙上的结构不合理受到大墙不均匀涨落与自身热膨胀的影响，而产生拱顶裂缝、损坏传统内燃式热风炉的通病,3）当高温烟气由半球形拱顶进入蓄热室时，其气流分布很不均匀，局部过热和高温区所用砖的抗高温蠕变性能差，造成火井向蓄热室倾斜，引起格子砖错位、紊乱、扭曲 4）由于高炉的大型化和高压操作，风压越来越高，热风炉已成为一个受压容器，加之热风炉壳体随着耐火砌砖的膨胀而上涨，将炉底板拉成“碟子状”，以致焊缝拉开，炉底板拉裂造成漏风 5）由于热风炉存在周期性振动和上、下涨落运动，经常出现热风支管损坏，即生产中称为“短路烂脖子”现象传统内燃式热风炉的通病,,,,,,,,,,热风炉隔墙两侧温差图,改造型内燃式热风炉,为了克服传统内燃式热风炉的缺点，对内燃式热风炉的拱的结构形式，燃烧室与蓄热室的隔墙、燃烧器等，进行了彻底的改造。
1）拱顶由传统的半球顶改为悬链线顶或锥形顶，并坐落在箱梁上，重点解决拱顶的破损和气流的分布不均匀问题2）在隔墙的中、下部增设绝热夹层和耐热合金钢板，解决火井掉砖和短路问题 3）改金属燃烧器为陶瓷燃烧器，改善燃烧，消除脉动，减少火井破损 4）火井改为圆形或眼镜形，圆形的结构形式稳定，但燃烧室占面积大；眼镜形燃烧室占面积小，气流分布较为均匀，但火井结构不够稳定，为增加隔墙的稳定性，应加大隔墙厚度，使与热风炉大墙呈滑动接触，大墙上设有滑动沟槽使隔墙成为独立而稳固的自由涨落结构本钢内燃式热风炉结构图,,,外燃式热风炉,1910年德国人首先取得了外燃式热风炉的专利； 1928年美国人建造了世界上第一座外燃式热风炉然而，外燃式热风炉广泛应用于生产还是60年代后期的事 1960～1965年联邦德国先后建造了地得式、柯柏式、马琴式外燃热风炉； 1971年日本综合柯柏式和马琴式的优点建造了新日铁式外燃热风炉 我国于1968～1971年在安阳水治铁厂和济南铁厂，首先建造了外燃式热风炉，称“水冶型”外燃式热风炉（类似地得式） 1972年本钢5号高炉（炉容2000m3）vfhpb “水冶型”外燃式热风炉（图1.2）； 1976年鞍钢6号高炉（炉容1050m3）建成“鞍外Ⅰ型”外燃式热风炉（类似马琴式），1977年鞍钢又设计建造了“鞍外Ⅱ型”外燃式热风炉（类似新日铁式），应用于7号高炉（炉容2580m3）， 1985年宝钢1号高炉引进了日本新日铁式外燃式热风炉。
鞍钢6号高炉外燃式热风炉,宝钢1号高炉新日铁式外燃热风,各种外燃式热风炉的比较,外燃式热风炉的结构形式,外燃式热风炉由于燃烧室与蓄热室的连接和拱顶的形状不同，有地得式、柯柏式、马琴式和新目铁式四种结构形式 由于马琴式和新目铁式气流分布均匀，而地得式拱顶结构庞大，且稳定性较差，柯柏式则气流分布较，因此，20世纪70年代以后新建的外燃式热风炉，已不再建造柯柏式，而是建造马琴式、新目铁式和一种改进了的地得式热风炉外燃式热风炉的特征,1)将燃烧室搬到炉外，彻底消除了内燃式热风炉的致命弱点 2)比较好地解决了高温烟气在蓄热室横截面的均匀分布问题，新日铁式、马琴式处理得更好 3)热风炉炉壳转折点均采用曲面连接，较好的解决了炉壳的薄弱环节 在建造外燃式热风炉的同时，还采用了一些新的技术，例如： 1）在外燃式热风炉的高温区，使用高温性能好的硅砖 2）使用陶瓷燃烧器 3) 为了使热风炉耐火砌体相邻的两块能咬住，广泛采用带有凹凸子母扣，能上下左右相互间咬合的异型砖，起到自锁互锁作用，提高了砌体的整体强度和稳固性 4) 普遍地在热风炉炉壳内侧喷一层约50mm陶瓷质喷涂料热风炉投产后在高温的作用下，喷涂料可和钢壳结成一体，对保护钢壳起良好的作用。
5) 热风炉的拱顶和缩口坐落在箱梁上(或焊在炉壳上的砖托上)，在连接部位都设有滑动缝，这样拱顶、缩口、大墙的耐火砌体都可以自由涨落外燃式热风炉的特征,宝钢1号高炉使用的新日铁式外燃热风炉，自1985年投产以来风温一直维持在1200℃以上，最近又攀升到1250℃高炉在1995年大修，而热风炉没动，预计可以使用两代高炉寿命鞍钢6号高炉外燃式热风炉(马琴式)风温一直维持在1100～1150℃，高风温试验时曾达到1270℃现已使用25年，中间只换一次格子砖鞍钢10号高炉自身预热外燃热风炉，投产已6年，只烧单一的高炉煤气，风温一直维持在1150～1200℃的水平外燃式热风炉的不足之处是：外燃式热风炉占地面积大、投资高但是它高风温、长寿命、适合大型高炉使用获得的经济效益远比基建费用投资大得多，弥补了占地面积大投资高的缺点顶燃式热风炉,顶燃式热风炉的热风阀、燃烧阀、燃烧器均放置在热风炉的顶部，热风炉高温区各孔口，如热风出口、燃烧口、人孔均采用组合砖砌筑，利用炉顶空间进行燃烧，取消了侧燃室或外燃室，其结构对称、温度区分明、占地小、效率高、投资少顶燃式热风炉在19世纪就有人提出设想，到20世纪60年代才引起重视和开始研究这种热风炉，迄今为止，已建成并运行了多种顶燃式热风炉。
在众多形式的顶燃式热风炉中，中国首钢型和俄罗斯卡鲁金型表现良好中国首钢”型顶燃式热风炉的结构特点,“中国首钢” 型顶燃式热风炉是中国科学院（化冶所）与首钢共同合作，从20世纪60年代开始研究试验，于1978年建成了首钢2号高炉（炉容1327m3）顶燃式热风炉，这是世界上第一座大型顶燃式热风炉90年代又建造了2500m3级高炉的顶燃式热风炉 “中国首钢”型顶燃式热风炉的结构特点是：热风炉拱顶为半球形大帽子拱顶结构，拱顶砌砖与大墙砌砖分开，拱顶砌砖坐落在上部炉壳标高不同的两个托圈上，拱顶和大墙的砌体可以自由涨落，互不干扰在拱顶圆柱体部分侧墙上，开了个向上倾斜同时切向均匀分布的燃烧口高温部采用低蠕变高铝砖砌筑，中部为普通高铝砖砌筑，下部黏土砖4座热风炉正方形平面布置，在正方形的中心布置垂直的热风总管在其顶部安装一台15t旋转吊车，作为更换设备用在中间平台上设置一台整体热管换热器，回收烟气余热来预热助燃空气燃烧器用的是首钢经过几年时间研制、设计出的大功率短焰燃烧器它是将燃烧器本体、燃烧阀、燃烧口作为一个整体，燃烧阀、燃烧口作为燃烧器的一个组成部分空、煤气流出燃烧器本体后，在燃烧阀、燃烧口所组成的通道内预混，却不在此燃烧。
既实现了短焰又不回火俄罗斯卡鲁金型,前苏联的全苏冶金热工研究院对顶燃式热风炉进行了较全面的研究，1982年在下塔吉尔冶金公司的1513m3高炉上建成一座“卡鲁金式”顶燃式热风炉，成功地使用至今，并从1998年开始已推广到1380m3、1719m3和3000m3高炉上该顶燃式热风炉的结构特点是： 1) 热风炉拱顶、炉墙、格子砖和炉壳加热均匀而且对称，拱顶只有一个热风出口孔，保证热风炉拱顶在高温下的稳定性 2）燃烧用的煤气和助燃空气的环形集管安置在热风炉的炉壳内，这样可以节省热风炉组的占地面积 3)在热风炉球顶的基部设有一环形燃烧器，有数量很多(50个)的小直径陶瓷质烧嘴，煤气与助燃空气混合良好，保证在1.0～1.5m的高度上完全燃烧，彻底消除了燃烧脉动 4)燃烧器上设有调节装置，可使各烧嘴燃烧产生的烟气流量均匀地分布到蓄热室的断面，其不均匀程度在±5%以内，整个周期内，蓄热室断面上的温度分布不均匀程度在±2%～3%顶燃式热风炉的特征,1)顶燃式热风炉取消了侧面的燃烧室，从根本上消除了内燃式热风炉的致命缺点顶燃式热风炉炉顶是对称结构，受力均匀，结构强度和稳定性较好；而且炉型简单，施工方便，省钢材和耐火材料。
2)顶燃式热风炉采用短焰燃烧器，直接在拱顶处燃烧，由于热气流动距离缩短，减少了热损失 3) 顶燃式热风炉温度区域分明，改善了耐火材料的工作条件，下部工作温度低，荷重大，上部工作温度高，荷重小可以适当的提高耐火材料的工作温度，并能延长其使用寿命 但是，顶燃式热风炉的燃烧器、燃烧阀、热风阀等设备均在炉顶，位置较高，要求配备提升设备进行安装和检修旋流顶燃式热风炉,旋流顶燃式热风炉是在比较了以上三种形式的热风炉的优缺点后，且考虑到内燃式、外燃式及顶燃式热风炉各自存在着不同程度的影响寿命的薄弱环节，从提高燃烧效率，延长寿命，方便维护的角度，开发设计的新型的热风炉]旋流顶燃式热风炉是内燃式与顶燃式相结合而产生的一种新型热风炉内燃式热风炉的燃烧室有两个作用，燃烧期是燃烧室，送风期是热风通道将这两个作用分开，把燃烧器安装在炉顶成为顶燃式，同时把燃烧室的直径缩小作为热风通道它既保持了内燃式和顶燃式各自的优点，同时又比较好的克服了它们的缺点将内燃式热风炉改为旋流顶燃式热风炉后,格子砖的重量和蓄热面积增加了20%～40%，消除了火井的破损可提高风温100～200℃。