高炉送风系统
高炉送风系统包括高炉鼓风机、冷风管路、热风炉、热风管路以及管路上的各种阀门等。
高炉生产1t铁水需1400～1600m3空气，其质量大约2t；每lm3高炉有效容积每lmin需鼓入 2.5～3.5 m3空气，一座 2000m3高炉每 lmin火炉标态风量近 6000m3。近代高炉由于炉容向大型化发展，炉顶压力水准亦不断提高，热风压力也随着提高。宝钢Vu4063m3高炉设两台同步电动机驱动的全静叶可调轴流式鼓风机，鼓风机最大风压（绝对压力）6.1kg／cm2（6.1X 98066.5Pa），电机功率 48000kw，风量 8800m3／min。 热风带入高炉的热量约占总热量消耗的四分之一，提高风温是降低焦比的重要手段。高风温是加大喷吹量，发展喷吹技术的重要措施之一。目前鼓风温度一般水平1000～1200℃， 最高可达1400C。热风炉以高炉煤气和焦炉煤气为燃料，高炉煤气约有二分之一用于热风炉，提高热风炉效率对降低炼铁能耗有重大现实意义。热风炉基建投资约占高炉车间总投资的二分之一，合理设计热风炉结构，减少热风炉的体积和质量，延长热风炉的寿命，可以降低车间投资和生产成本。
准确选择送风系统鼓风机，合理布置管路系统，阀门工作可靠，热风炉工作效率高，是保证高炉优质、低耗、高产的重要因素之一。
7.1高炉鼓风机
7.1.1高炉冶炼对鼓风机的要求
（l）要有足够的鼓风量。高炉冶炼要求由风口鼓入一定量的空气，保证焦炭燃烧。加入炉内的焦炭除部分消耗子直接还原和溶入生铁外，约有80％在风口前燃烧。因此，火炉风量与冶炼强度和炉窑成正比。准确的火炉风量通过物料平衡计算得到，也可以通过下列公式近似计算：
m3/min (7—1)
式中 
——标态入炉风量（以下简称风量），m3/min；
——高炉有效容积，m3；
i——高炉冶炼强度，t/（m.3d）；
v——每1t干焦消耗标态风量（一般为2600~2750），m3/t。
考虑到送风系统的漏风损失，风机出口风量可写为：
m3/min （7—2）
式中 V——鼓风机出口标态风量，m3/min
R——送风系统漏风系数，%，大高炉取10%，中型高炉15%，小型高炉20%。
式（7－l）源于高炉以焦炭为燃料计算得到的近似式，当前高炉冶炼多喷吹燃料。经计算，喷吹燃料代入的碳素与被置换焦炭含有的碳素相对差别不大，故喷吹燃料高炉冶炼，风量近似计算亦可用式（7－1），而冶炼强度应以综合冶炼强度代入。
宝钢1号高炉（Vu4063m’）入炉标态风量计算式如下：
（7—3）
（7—4）
式中 q——吨铁消耗风量，
Q——鼓风量， 
——燃料比， 
P——生铁产量， t /d
不同容积高炉所需风量见表7－1。
表7－1不同容积高炉所需的鼓风里
（2）要有足够的鼓风压力。高炉鼓风机出口风压应能克服送风系统的阻力损失，克服料柱的阻力损失，保证高炉炉顶具有要求的压力。鼓风机出口风压可用下式表示：
P=Pt+
+
（7—5）
式中 P——鼓风机出口风压，Pa；
Pt——高炉炉顶压力，Pa；
——高炉料柱阻力损失，Pa；
——高炉送风系统阻力损失，Pa。
常压高炉炉顶压力应能满足煤气清洗除尘系统阻力损失和煤气输送的需要。高压操作可使高炉获得良好的冶炼效果，目前大中型高炉广为采用。高压炉顶压力值由设计要求和炉顶设备适应能力决定，大型高炉已达到（2.5～3.0）X 105Pa。料柱阻力损失与高炉有效高度及炉料结构有关，大型高炉可达到（1.5～1.7）X 105Pa。送风系统阻力损失取决于管路布置及结构形式和热风炉类型，一般为（1～2）X 104Pa。不同容积高炉所需风压的参考值见表 7一2。
（3）风量应稳定并具有一定调节范围。风是高炉冶炼的主导因素，高炉在冶炼过程中，鼓风机送出的风量应保持稳定，高炉燃料燃烧正常，各部位温度热量状况稳定，炉况顺行冶炼效果良好。有时由于冶炼条件的变化，需要调节风压、风量时应能方便灵活，而且具有一定的调节范围，并能调节风压，风量可以稳定在某一数值。固定风压，风量可以在一定范围内调节。
7.1.2高炉鼓风机工作原理及特性
按风压大小风机可分为：然风机，风压在104Pa以下；鼓风机，风压为104Pa以下；压气机，风压为105Pa以上。高炉用风机大多是离心式风机和轴流式风机。由于离心式鼓风机和离心式压气机、轴流式鼓风机和轴流式压气机的结构和工作原理基本相同，因此鼓风机和压气机名称界限并不严格。当前大型高炉用风机出口风压可达到0.3~0.6MPa，仍统称为高炉鼓风机。
（1）离心式鼓风机。离心式鼓风机是高炉广为采用的风机。由装有许多叶片的叶轮高速旋转，通过离心力的作用使空气获得能量，形成一定的压力和流量，叶轮结构见图7－l。高炉离心式鼓风机为多叶轮结构，级数愈多压力愈高，大型鼓风机为8～10级，叶轮圆周速度可达250～300m／s。由于叶轮级数多转速高，叶轮多采用优质钢制造，加工很精密。
图7－2为四级离心式鼓风机。
空气由过风口2进入第一级叶轮3，在离心力的作用下提高了运动速度和密度，并由叶轮顶端排出，进入环形空间扩散器4，在扩散器内空气的部分动能转为压力能，再经固定导向叶片5流向下一级叶轮，经过四级叶轮，将空气压力提高到出口要求的水平，经排气口6排出。
离心式鼓风机特性曲线见图7一3。离心式鼓风机特性如下：
1）在某一转速下，管网阻力增加（或减小）出口风压上升（或下降），风量将下降（或上升）。当管网阻力一定时，改变转速，风压和风量都将有改变。为了稳定风量，风机上装有风量自动调节机构，管网阻力变化时可自动调节转速和风压，而稳定风量在某一要求的数值；这样，高炉料柱阻力发生变化时或炉顶压力变化时，可维持风量不变；
2）在任一转速下，出口风压都存在一个最高点M，见图7－4，M点右侧一段曲线是风机稳定工作区，当管网阻力和流量骤然变化时带给风机的干扰，由于风量的变化将有利于消除这种干扰，即风机工况为A→C→A或A→E→A，风机运行稳定，而M点左侧一段曲线是风机不稳定工作区，管网阻力变化的干扰将会引起风机喘振，即风机工况为M→N→B→D→M，由此重复进行，故离心风机特性曲线上有一个飞动曲线，风机不可以在此曲线以左区域工作。
3）风机转速愈高，风压一风量曲线曲率愈大，而且曲线尾部较陡，即风量增大时，压力降很大；中等风量，曲线区域乎坦，风量变化，风压变化较小；此区域为高效率经济运行区域。
4）鼓风机原动机的功率随转速和风量的增加而增加，高炉冶炼供风系统放风操作，将会浪费功率，严重时会引起原动机过载。
5）风机的特性曲线是在某一特定吸气条件下测定的，当风机使用地点及季节不同时，由于大气温度、湿度和压力的变化，鼓风压力和质量都有变化，同一转速夏季出口风压比冬季低20～25％，风量也低30％左右，应用风机特性曲线时应给予折算。
（2）轴流式鼓风机。轴流式鼓风机是由装有工作叶片的转子和装有导流叶片的定子，以及吸气口、排气口组成，工作原理如图7一5。
一列工作叶片和它后面（按排气方向）一列导流叶片组成一级，轴流鼓风机一般为5~10级，有时多到16~20级。原动机带动转子高速旋转，工作叶片圆周速度可达到300m/s以上，气体经进气口、进气导流叶片依次进入各级，由于工作叶片对气体做功，使气体获得能量，经出口扩压器以一定压力和流量派出。轴流式风机结构见图7—6.
我国设计制造的 3250m3／min轴流式鼓风机特性曲线见图 7一7.
轴流式风机特性如下：
1）气体在风机中沿轴向流动，转折少，风机效率高，可达到90％左右；
2）工作叶轮直径较小，结构紧凑，质量小，运行稳定，功率大，更加适应大型高炉冶炼要求；
3）汽轮机驱动的轴流风机，可通过调整转速调节排风参数，有较宽的工作范围；采用电动机驱动的轴流风机，可调节导流叶片角度来调节然风参数，亦有较宽的工作范围；
4）特性曲线斜度很大，近似等流量工作，较好地适应高炉冶炼要求；
5）飞动曲线斜度小，易产生飞动，使用时一般采用自动放风，使倒流界限左移。
7.1.3高炉鼓风机的选择
选择高炉鼓风机，一般是根据高炉要求的风量和风压，按鼓风机特性进行选择。计算出的风量是标准状态下的体积，即是质量风量；鼓风机特性曲线是在特定吸气条件下测得的风量与风压的关系曲线；由于使用地区气温、湿度和气压的差异，同一转速输出的风量和风压变化很大。因此，选择风机应参照出厂特性曲线，进行风量和风压的修正。
风量修正系数K根据气体状态方程式，可用下式近似求得
(7—6)
式中 PS——风机吸风口压力，其值等于使用地区大气压力减去鼓风机吸风口阻力损失，Pa；
——使用地区大气相对湿度，%；
PH——气温在t oC（使用地区温度）时的饱和蒸汽压， Pa；
T1——风机特性曲线试验测定条件下的绝对温度，K；
T2——风机使用地区的绝对温度，K；
P1——风机特性曲线试验测定条件下绝对压力，Pa。
采用风量修正系数后，可以将设计要求的鼓风机出口风量（V），折算为使用地区的风机出口风量（V’）
m3/min （7—7）
风压修正系数K由下式求得：
（7—8）
（7—9）
式中Pl、P2——分别为鼓风机特性曲线试验测定条件下的大气压力和使用地区的大气压力，Pa；
T1、T2——分别为鼓风机特性曲线试验测定条件下的温度和使用地区的温度，K；
P——使用地区鼓风机实际出口压力，Pa；
P——风机特性曲线上工况点的风压，Pa。
我国各类地区风量风压对标准状态下的修正系数见表7－3。
综上所述，设计高炉车间，合理选择风机是一项重要工作，选择风机的主要依据是高炉有效容积和生产能力，同时也应考虑到使用地区的自然气候条件，以及高炉冶炼条件。选择高炉鼓风机要考虑以下几点：
（l）高炉鼓风机最大质量鼓风量应能满足夏季高炉最高冶炼强度的要求；冬季，风机应能在经济区域工作，不放风，不飞动。
（2）对于高压炉顶高炉，应考虑常压冶炼的可行性和合理性。风机在ABCD区域工作，图7一8。A点是夏季最高气温，高压操作，最高冶炼强度工作点；B点是夏季最高气温，常压操作，最高冶炼强度工作点；C点是冬季最低气温，常压操作，最低冶炼强度工作点；D点是冬季最低气温，高压操作，最低冶炼强度工作点。
（3）常压操作的中小型高炉，一般是以电动机带动离心风机，因转数固定，只有一条特性曲线，选择鼓风机应该使风机在年平均的气象条件下的工况点与效率最高点相适应，见图7－9。
随着高炉向大型化发展，轴流式鼓风机日趋广泛应用。日本高炉自60年代以来，几乎都选用轴流式风机；前苏联高炉一般采用离心式风机；我国目前多采用离心式鼓风机，在新通用设计中，推荐Vu255m3以下高炉采用离心式鼓风机，Vu625m3以上高炉采用轴流式风机。
我国现有某些高炉鼓风机的容量和驱动方式见表7—4。这些风机对所配炉容均感能力不足；因此新的通用设计推荐的鼓风机能力均有所提高，见表7－5。
7.2蓄热式热风炉及其结构
现代高炉普遍采用蓄热式热风炉。蓄热式热风炉基本工作原理：煤气在燃烧室燃烧，高 温烟气通过蓄热室加热格子砖，然后再使鼓风通过炽热的格子砖加热并送入高炉。每座高炉 配置三或四座热风炉，轮流交替地燃烧和送风，高炉连续不断地得到高温助燃空气。热风护 的大小及各部尺寸，决定于高炉所需风湿及风量。热风炉的加热能力用每lm3高炉有效容 积所具有的加热面积表示，一般为 80m2/m3左右或更高，也用每 1min每1m。鼓风所具有的加热面积表示，一般为，25～30m2（m3/min）。
自1857年蓄热式热风炉问世以来，已有130余年的历史，它在生产实践过程中不断得 到改进和完善。目前蓄热式热风炉有三种基本结构形式，即内燃式热风炉（传统式和改进型）、外燃式热风炉、顶燃式热风炉。
7.2.1传统型内燃式热风炉
传统式内燃式热风炉基本结构见图7－10。
它由炉村、燃烧室、蓄热室、炉壳、炉筷子、支柱、管路及阀门等组成。燃烧室和蓄热室同砌在同一炉壳内，它们之间砌有隔墙。煤气和空气由管道经阀门送入燃烧器并在燃烧室内燃烧，烟气向上运动经拱顶改变方向，向下进入蓄热室。蓄热室由格子砖组成，格子砖支撑在炉蓖和支柱上。烟气将格子砖加热井自身冷却，经由炉筷子下面的烟道阀排入烟道经烟囱排入大气。格子砖被加热并蓄存一定热量后，热风炉停止燃烧，转入送风，冷风由下部冷风管道和冷风阀进入蓄热室，空气通过格子砖被加热，经拱顶进入燃烧室，并经由热风阀排入热风管道并送至高炉。
（1）热风炉内衬。热风炉内衬亦称炉墙，它的作用是保护炉壳，维护炉内高温减少散热损失。通常由345mm耐火砖砌筑。一般风温水平的热风炉和炉壳接触的是65mm厚的硅藻土砖绝热层，绝热层和耐火砖衬之间是60～145mm厚的干水渣填料层，用以缓冲膨胀。为了减少上部散热损失，在上部高温区域耐火砖砌体外加一层厚113mm或230mm轻质粘土砖绝热层。两层绝热砖之间填以50～90mm厚的干水渣或硅藻土粉或蛙石粉。
（2）燃烧室。燃烧室是煤气燃烧的空间，位于炉内的一侧，它的断面形状有三种，即圆形、眼睛形；复合形，见图7－11。
圆形燃烧室形状简单，稳定性好，热应力小，当量直径大有利于煤气燃烧；但在燃烧室两侧蓄热室狭窄处存在死角，烟气在蓄热室断面上分布不均，相对地减少了蓄热室面积。眼睛形燃烧室结构稳定性差，热应力大，当量直径小木利于煤气燃烧；但蓄热室死角小，烟气流分布均匀，有效面积利用较好，复合治兼备上述两种形状的优点，设计上采用较多。
燃烧室断面积（包括隔墙面积）约占热风炉总断面积的25～30％，烟气在燃烧室的标态流速为3～3.5m／s（相对于金属套筒式燃烧器）和6～7m／s（相对于陶瓷燃烧器）。
燃烧室隔墙一般由两层互不错缝的耐火砖砌筑，二层之间彼此无约束，在受热膨胀时相互不受阻碍。隔墙厚一般为460～575mm，上部比蓄热室格子砖高出300～500mm，目的是使烟气在蓄热室内分布均匀一些。
（3）蓄热室。蓄热室是热风炉进行热交换的主体，它由格子砖砌筑而成。格子砖的特性对热风炉的蓄热能力、换热能力以及热效率有直接影响。
格子砖主要特性指数如下：
1m3格子砖的受热面积。，对于方形格孔可按下式计算：
m2/m3 (7—10)
式中 b——格孔边长，m；
——格子砖厚度，m。
1m2格子砖横断面上的有效通道面积
（对于方形格孔）可按下式计算：
m2/m2 （7—11）
1m3格子砖耐火砖的体积V：
m3/m3 （7—12）
格子砖的当量厚度S：
m2 （7—13）
受热面积
表示格子砖的传热能力，
值大传热能力大；
直接决定烟气流速的大小，9值愈小则烟气流速大，有利于对流传热过程的进行，但阻力损失将增加；V表示格子砖的蓄热能力，V值大则格子砖蓄热能力大。对于不同厚度的方孔格子砖，三者的优点不能兼得；计算得出各特性的关系见图7－12。由图可见，减小格孔尺寸可以增大V值，有利提高蓄热能力，并且格孔尺寸大于砖厚时，减小格孔尺寸可以增加蓄热面积，提高其换热能力，当格孔尺寸等于砖厚时加热面积最大。但格孔尺寸减小有效断面通道面积｝减少，气流阻力增加。
常用格子砖的类型：
1）板状格子砖：利用这类砖可砌成方形格子孔。为了增加受热面积可做成波浪形表面，见图7—13。这种砖制成容易，成本低，但砌体稳定性差，容易错位和倒塌。常为中小型高炉热风炉采用。
2）块状穿孔格子砖：块状穿孔格子砖是在大块砖上穿有圆形或方形、三角形、菱形、六角形等孔形的砖。这类砖砌筑快，砌体稳定性好。为了增加受热面积和引起气流扰动，有的在孔内增设突线或加工成锥形的孔道。为了防止水平方向惜动，上下两层砖间用止口配合。图7—14和图7－15为常用的五孔砖和七孔砖；格子砖特性见表7－6。
外燃式热风炉由内燃式热风炉演变而来，它的燃烧室独立于蓄热室之外，故称外燃式。1910年弗朗兹·达尔提出外燃式热风炉构思，并申请了专利，1950年首次用到高炉冶炼上，到目前为止基本有四种结构形式，见图7—19。现在国内外大型高炉已逐渐采用外燃式热风炉。
科珀斯式外燃热风炉。1938年科伯斯公司提出专利，1950年应用到高炉上。结构特点是燃烧室和蓄热室保持其各自半径的半球形拱顶，通过带有膨胀器的连接通道将其连接起来，总高度较低；由于双边联接处不等径，结构复杂，稳定性较差（图7— 19a）。
地得式外燃热风炉。1959年投入使用。拱顶由半个截圆锥体联接，圆锥母线与两个半径不同的半球拱顶母线相切，燃烧室上部或下部设有膨胀器、结构总体高度较低，但稳定性不好，烟气分布较差（图7— 19b）。
马琴式外燃热风炉。1965年在西德投入使用。蓄热室顶部具有圆锥形缩口，顶部直径与燃烧室直径相同。蓄热室和燃烧室顶部通过带有膨胀器的圆柱形连接通道连接起来（图7－18C）。总高度较高，散热面积大，但结构较为稳定，烟气分布均匀。
新日铁式外燃热风炉。它是新口铁钢铁公司干60年代末，综合了考伯斯式和马琴式的特点设计和建造的，造价较高（图7－19d）。
外燃式热风炉的特点：
（1）由于燃烧室单独存在于蓄热室之外，消除了隔墙，不存在隔墙受热不均而破坏的现象，有利于强化燃烧，提高热风温度；
（2）燃烧室、蓄热室、拱顶等部位砌体可以单独膨胀或收缩，结构稳定性较内燃式热风沪好，可以承受高温作用；
（3）燃烧室为圆形，当量直径大，有利于煤气燃烧；由于拱顶的特殊连接形式，有利于烟气在蓄热室均匀分布，尤其是马琴式和新日铁式更为突出；
（4）送风温度较高，可长时间保持1300oC风温；寿命较长；
（5）占地面积大，耗用钢材和耐火材料多，建筑费用高；表面积大，散热损失多。
7.2.4顶燃式热风护
我国首钢在容积为Vu130o/m3高炉上，首次采用顶燃式热风炉，是热风炉结构新发展的成果之一，受到世界各国的重视。它的基本结构形式见图7－20
首钢顶燃式热风炉采用四个短焰燃烧器，装设在热风炉拱顶上，燃烧火焰成涡流状态流动，然后流入蓄热室。在相同燃烧条件下，与外燃式热风炉相比，可提高拱顶温度50C。顶燃式热风炉耐火材料工作负荷较均衡；上部温度高，重量载荷小；下部重量载荷大，温度较低。顶燃式热风炉炉型较简单，对称性好，结构稳定性好。蓄热室内气流分布均匀，更加适应大型化要求。顶燃式热风炉还具有节省钢材和耐火材料，占地面积较小的优点。顶燃式热风炉适应高风温的要求。可以认为它是高风温热风炉的发展方向之一。顶燃式热风炉拱顶负荷较重，其结构较为复杂，设计时应处理得当。
图7－21为顶燃式热风炉平面布置，四座热风炉呈方块形布置，紧凑，占地面积小；而且热风总管比一列式布置要短，可提高热风温度20～30℃。
7.3热风炉用耐火材料及特性
热风炉耐火材料砌体在高温、高压下工作，而且温度和压力又在周期性变化，条件比较恶劣。因此，结合其工作条件，合理选择耐火材料的材质，正确设计其结构形式，保证其砌筑质量等是达到高风温长寿命的关键所在。
7.3.1热风炉砌体破损机理
热风炉内砌体破损最严重的地方，一般是温度最高的部位，温差较大的部位，以及结构较复杂等部位。对于内燃式热风炉是拱顶和隔墙；外燃式热风炉是两室的拱顶和连接通道。经过对破损炉衬的分析，热风炉炉衬破损机理如下：
（1）热震破损。热风炉是个换热器，不仅有高温作用，而且有周期性的升温和降温变化。燃烧期拱顶温度可达到1500oC，燃烧室温度也很高，烟道废气温度300oC左右；送风期热风温度一般为1200C左右，冷风温度约80℃；因此，热风炉炉衬和格子砖经常处于加热和冷却变化之中，承受着热应力的作用，到一定时间砌体便产生裂纹和剥落，严重时砌体倒塌。
（2）烟气粉尘的化学侵蚀。煤气中含有一定量的粉尘，其主要成分是铁的氧化物和碱性充氧化物。煤气燃烧后，粉尘随烟气进入蓄热室，部分粉尘将粘附在砖衬和格子砖表面，并与砖中矿物起化学反应，形成低熔点化合物。这些化合物或脱掉，使砖表面木断剥落，或熔化成液态不断向砖内渗透，改变了耐火材料的耐火性能并使砖的体积发生变化，导致组织破坏，发生龟裂。蓄热室的上部化学侵蚀较为严重。
（3）机械载荷作用。热风炉是一种较高的构筑物。蓄热室格子砖下部最大载荷可达到8X105Pa，燃烧室下部衬体静载荷可达到4X105Pa，过去认为热风炉拱顶变形，格子砖下陷等故障是由于耐火材料的耐火度不够所造成。近年来高炉煤气精细除尘，质量已提高，以及燃烧操作自动控制，燃烧状态基本稳定。但仍出现拱顶下沉、格子砖下陷等破坏事故。经研究，认为耐火材料在使用温度下，长期负载，发生蠕变变形而损坏。
7.3.2热风护用耐火材料的主要特性
（1）耐火度。要求热风炉用耐火材料具有较高的耐火度和荷重软化温度，特别是高温载荷大部位，耐火材料应具有高的耐火度和荷重软化温度；
（2）抗蠕变性。选择热风炉耐火材料时必须注意它的抗蠕变性指标，耐火材料的蠕变温度应比实际工作温度高100oC。几种耐火材料的蠕变性质见图7－22，图7－23。
硅砖抗蠕变性最好，益于用在高温部位；粘土砖抗蠕变性最差，一般只用于中低温部位。
（3）体积稳定性。耐火材料的热膨胀特性，直接表现在砌体温度变化带来的体积的变化，在工作温度变化幅度范围之内，耐火材料热膨胀系数应当小。
（4）导热性。导热性好热交换能力强，耐火材料抗热震性好，对干湿度高并经常有较大变化的部位，应选用导热性好的材料；而绝热层用的耐火材料，要求其导热性能差。
（5）热容量。热容量大的耐火材料蓄热能力强，格子砖应该用热容量大的耐火材料。
（6）抗压强度。热风炉蓄热室下部受很大压力，应选择抗压强度高的耐火材料，例如大高炉热风炉蓄热室最下部往往用几层高铝砖。
表7—7 列出热风炉常用耐火材料的基本性质和使用部位
7.3.3 热风炉用耐火材料
（1）硅砖。硅砖主要成分是SiO2，其含量在95%左右，由鳞石英，方石英和玻璃组成。硅砖高温性能好，耐火度、荷重软化温度较高，蠕变温度高并蠕变率小。这些性能有利于热风炉使用，不足的是它的体积密度小，蓄热能力差。硅砖在600oC以下温度有变化，体积变化大，容易破坏砌体稳定性；因此，硅砖最低使用温度应大于600oC。在热风炉内硅砖一般用于拱顶，燃烧室和蓄热室炉衬的上部以及上部格子砖。热风炉用硅砖的性能见表7—8.
（2）高铝砖。高铝砖质地坚硬，致密、密度大，抗压强度高，有很好的耐磨性和较好的导热性，在高温下体积稳定，蠕变性仅次于硅砖；普遍应于高温区域、拱顶、中上部格子砖，燃烧室墙衬等。热风炉用高铝砖性能见表7—9.
（3）粘土砖。粘土砖主要成分是Al2O3和SiO2，随着二者含量的不同，性能亦有变化。粘土砖热稳定好，高温烧成的粘土砖残余收缩小。粘土砖耐火度和荷重软化温度低，蠕变温度低，蠕变率较大。粘土砖容易加工，价格低，广泛应用在热风炉中低温度区域，中下层格子砖及砖衬。粘土砖用量约占热风炉用砖总量的30~50%。
（4）隔热砖。热风炉用隔热砖有硅藻土砖，轻质硅砖，轻质粘土砖，轻质高铝砖以及陶瓷纤维砖等。隔热砖气孔率大，密度小，导热性低，机械强度低，但在使用中应可以支承自身质量。
（5）不定形材料。热风炉用不定形材料有耐火、隔热、耐酸三种喷涂料。耐酸喷涂料用于拱顶、燃烧室及蓄热室上部钢壳，其作用是防止高温生成物NOx等酸性氧化物对炉壳的腐蚀。耐火喷涂料主要用于高温部位炉壳及热风管道管壳，防止窜风烧坏钢壳。隔热涂料导热系数低，用以减少热损失；采用双层涂料时，隔热涂料靠钢壳喷涂，再后喷涂耐酸或耐火涂料。日本热风炉用喷涂料的性质见表7—10
我国内燃式热风炉其衬体和格子砖普遍采用高铝砖和粘土砖砌筑；外燃式热风炉，其高温部位一般用硅砖砌筑，中低温部则依次用高铝砖和粘土砖砌筑。
美国热风炉高温部位一般采用硅砖砌筑，蓄热室上部温度高于1420C的部位采用抗碱性强、导热性好和蓄热量大的方镁石格子砖。表7～11为美国高炉热风炉用耐火砖的性能。
日本热风炉用砖处理得比较细致，不同部位选用不同的耐火砖，同时还考虑到耐火材料的高温蠕变性能。热风炉寿命可达到高炉两个炉龄，即15~20年。日本高炉热风炉用耐火材料的性能见表7—12
表7—12 日本高炉热风炉用耐火砖的性能和使用部位
7.4热风炉砌筑
热风炉砌体长时间在高温下工作，加上温度周期性变化，砌体将产生体积的变化，并产生热应力，砌体的寿命不仅决定于耐火材料的质量，而且与砌筑结构及质量有着极其密切的关系。
7.4.1 热风炉砌体结构设计的基本原则
(1)砌体几何形状不同应采用独立结构，独立支承。例如拱顶与大墙各为独立结构，并独立支承，体积的变化不相互作用。
（2）同一时间，温度条件不同，砌体设计应采用独立结构，互不干扰，以便各自自由膨胀和收缩，例如内燃式热风炉隔墙各竖层砌砖之间。
（3）尽量缩小高温区域砌体的空间尺寸，增加实体尺寸，如此砌体将趋于稳定。例如缩小马琴式热风炉拱顶半径，增加砌砖厚度与拱顶半径之比，可提高拱顶的稳定性。
（4）砖石结构具有良好的抗压性能，而抗拉、抗弯、抗剪性能很差，结构设计应尽量避免砌体中产生拉应力，弯曲应力和剪应力。例如半球形拱顶的半中心角的临界值为52o，超过52o的拱顶下部便产生推力，减少拱顶的稳定性。
（5）对称结构受力状态较为良好，结构稳定，砌体设计应尽量采用对称结构，例如地得式外燃热风炉上部结构为非对称式，其稳定性较差。
（6）工作条件恶劣部位，采用带锁键的砌筑，管道出口处采用带锁口的曲线异形砖砌筑，以提高砌体的稳定性和整体性。
（7）正确处理和设置砌体的膨胀缝以减少砌体膨胀应力；异形砖砌体应考虑预留膨胀缝仍；膨胀缝大小决定于耐火砖的性质，一般可参照表7—13确定。
（8）增加高温区域隔热层的厚度，炉壳喷涂不定形材料，以减少热损失和防止炉壳过热和氧化。
7.4.2热风炉砌体
（1）拱顶砌筑。热风炉拱顶在高温状态下工作，应选择优质耐火砖，适当增加隔热层厚度以提高其热效率。拱顶结构有多种形式；内燃式热风炉拱顶有半球形，锥球形，抛物线形和悬链线性，而半球形拱顶为传统型内燃式热风炉采用，已逐渐被淘汰；外燃式热风炉拱顶有考伯斯式，地得式，马琴式和新日铁式。
近代热风炉拱顶耐火砖层厚度一般为300~400mm，隔热层为2~3层砖厚度为400~500mm，拱顶与炉墙分开砌筑，拱顶砌体由炉壳支承；为此，拱顶处炉壳直径增大，并焊有2~3层砖托，在砖托上砌筑耐火砖衬和隔热砖；炉墙与拱顶之间的密封采用迷宫式结构，见图7－24，受热时拱顶与炉墙之间可以滑动，自由膨胀，并保证密封。
（2）连接通道。外燃式热风炉燃烧室拱顶与蓄热室拱顶以通道连接。连接通道砌徒与拱顶相同，其两端与拱顶连接处采用异形砖砌筑，延连接通道长度方向留有2～3条膨胀缝，膨胀缝外缘的隔热砖层内砌一层耐火砖，见图7－25。
（3）炉墙砌筑。炉墙砌筑见图7－26。现代热风炉炉墙为独立结构，可以自由膨胀。炉墙的作用是保护炉壳，维护炉温减少热损失。一般情况下，高温区域炉壳温度不应超过100℃；而炉墙的温度由下至上逐渐升高；因此，在木同的温度区域炉墙的材质和厚度应不相同。上部高温区域适当增加隔热层厚度，以利于保温；下部适当增加耐火砖厚度，有利于承担上部载荷。
（4）蓄热室砌筑。现代热风炉一般为块状穿孔格子砖，格子砖砌筑时不使用灰浆，为了保证热膨胀，在两块格子砖间垫一定厚度的硬纸板，格子砖与炉墙间距一般为10mm。格子砖有独立砖柱和交错砌筑两种方式。独立砖柱结构，在砌筑高度上公差要求不甚严格，但稳定性差；交错砌筑结构；高度上公差要求严格，砌筑时要选砖。交错砌筑法见图7—27.交错砌筑法蓄热室格子砖整体性好，结构稳定。
（5）燃烧室砌筑。外燃式热风炉燃烧室砌筑与炉墙相同，内燃式热风炉燃烧室砌筑有三种结构形式。其中复合形和圆形是独立结构，与炉墙之间有10mm间隙，见图7—28.眼睛形独立砌筑稳定性不好，而与炉墙咬砌，见图7—29.
改进形内燃式热风炉燃烧室隔墙砌筑结构见图7—30.在隔墙中下部两层耐火砖之间加了一层厚为113mm轻质粘土砖隔热层，在隔热层的蓄热室一侧加一层耐热合金钢板。这样，隔热层和密封层都得到改善。
7.5热风炉炉壳及基础
热风炉炉壳是一种密封和支承设施，它主要承受鼓风压力，耐火砖衬热膨胀压力，以及一定的温度作用，还要支承拱顶砌体载荷。炉壳由普通碳素钢板焊接而成，为了确保密封，炉壳和炉底封板焊成一个密闭的整体，施工过程中必须保证焊接质量，炉壳椭圆度不得大于0.2%，在整个高度上倾斜不得超过30mm。砌砖后用工作压力的1.25倍压力检漏，每小时压降
1.5%。
内燃式热风炉炉顶为半球形和锥球形。炉壳厚度可根据炉壳直径、内压、温度以及各种载荷计算确定。
外燃式热风炉蓄热室和燃烧室各自独立，炉壳为圆筒形，而炉顶结构为两个半球形通过桥连接起来，炉壳转折点采用曲线，曲率半径应大于1.5m，截体倾角应大于45o，为了适应和克服砌体内压载荷和砌体膨胀应力，炉顶设有环形拉梁和膨胀器，见图7—31和图7—32
研究表明，炉壳破损主要原因是高风温时形成的NOx和烟气中的SOx溶解于炉壳上的冷凝水，形成酸类并沿晶格侵入腐蚀，在外部载荷作用下形成晶间应力。为此，宝钢热风炉在炉壳内表面喷涂耐酸漆及耐酸不定形耐火材料，并在炉壳外表面用铝板覆盖，铝板与炉壳之间留有30mm间隙，其间填以保温材料，使炉壳内表面温度保持在150～250oC之间，防止水汽或酸凝结。
热风炉工作时由于内压和耐火砖的膨胀，使热风炉底板受一定的拉力，严重时拉断地脚螺栓，底板向上翘曲，基板与基础的连接应认真处理。图7—33为地脚螺栓固定的一种方法，地脚螺栓1与基础钢圈2焊成一个整体，理置于基础混凝土内，由钢筋3加固。基础钢圈再通过螺栓8与炉壳4相连，底板5周边制成圆弧形与炉壳焊成一个整体，加固底板的钢梁6上面浇注钢筋混凝土9。
7.6燃烧器及阀门
7.6.1燃烧器
燃烧器是将混合煤气与空气，送入燃烧室燃烧的装置。
套筒式燃烧器（见图7－34）是内燃式热风炉最早使用的一种燃烧装置，其主要特点是：
1）结构简单，压力损失小；
2）对煤气含尘量要求不甚严格；
3）煤气与空气混合比例的调节范围大，不易产生回火现象；
4）混合效果不佳，燃烧效果差，燃烧室热负荷低，一般为（6～10）105kJ／h·m3，烟气标态流速为3.0～3.5m／s，燃烧室体积大；
5）火焰对燃烧室隔墙冲击较厉害，隔墙寿命低；
6）燃烧不稳定，火焰跳动振动大。
陶瓷燃烧器的结构有多种，格栅式陶瓷燃烧器见图7－35，套筒式陶瓷燃烧器见图7一36。
陶瓷燃烧器的特点如下：
1）煤气和空气混合效果好，燃烧完全而稳定，无燃烧振动现象；燃烧室热负荷高，可达
（12～20）105kJ／h·m3，标态烟气流速6～7m／s。
2）燃烧器置于燃烧室内，气流直接向上运动，无火焰冲击隔墙现象，减少了隔墙被烧穿的可能性。
3）空气过剩系数小，燃烧温度可提高40～80oC。
4）陶瓷燃烧器对助燃空气和煤气有一定预热作用（130～150oC），一般可提高拱顶温度50～150oC）。
套筒式陶瓷燃烧器结构简单，砖型制造方便，但火焰较长，燃烧能力小，适用于低架的外燃式热风炉和内燃式热风炉。而栅格式陶瓷燃烧器结构复杂，砖型制造困难，但煤气、空气混合均匀，火焰较短，燃烧能力大。一般大型外燃式热风炉几乎都采用柳格式陶瓷燃烧器。
7.6.2热风炉阀门
热风炉是高温、高压装置，其燃料易燃易爆并且有毒。因此，热风炉设有复杂的阀门系统，用以控制燃烧和送风过程。其中，燃烧系统阀门有：空气燃烧阀，高炉煤气燃烧阀，高炉煤气阀、高炉煤气放散阀，焦炉煤气燃烧阀，焦炉煤气阀，吹扫阀，焦炉煤气放散阀，助燃空气流量调节阀，高炉煤气流量调节阀，焦炉煤气流量调节阀及烟道阀等。送风系统的阀门有：热风阀，冷风阀，混风阀，混风流量调节阀，充风阀，废风阀及冷风流量调节阀等，见图7－37。为了提高操作效率，缩短换炉时间，大、中型高炉热风炉阀门系统多采用自动联销操作。
热风阀门直径的选择一般以热风实际流速不大于 75m／s为准则。其他阀门的总面积与热风阀的面积之比为：
热风阀 1.0
冷风阀 0.8～1.0
放风阀 1.0～1.2
煤气切断阀 0.7～1.0
空气燃烧阀 0.7～1.0
燃烧阀 0.7～1.0
烟道阀 2.0～2.8
混风阀 0.3～0.4
废风阀 0.05～0.12
充风阀 0.05～0.12
各调节阀与切断阀直径相适应。
（1）热风阀。热风阀在900～1300oC和0．5MPa左右压力的条件下工作，是阀门系统中工作条件最恶劣的设备。一般采用铸钢和锻钢、钢板焊接结构。热风阀的阀板、阀座和阀外壳都通水冷却，在连接法兰的根部也设置有水冷圈。为了防止阀体与阀板的金属表面被侵蚀，在非工作表面喷涂不定形耐火材料，这样也降低热损失。
图7－38所示热风阀是国内最新采用的全焊接式41800mm热风阀，用于4000m3高炉，最高风温1300oC，最大压力0.5MPa。它的特点是：
1）冷却强度大，冷却水流速 105～2.0m／s；
2）采用薄壁结构，导热性好，寿命长；
3）阀板阀座非接触表面喷涂耐火材料；
4）采用纯水冷却，阀的通水管路内不产生结垢。
（2）切断阀。切断阀用来切断煤气、助燃空气、冷风及烟气。切断阀结构有多种，例如闸板阀、曲柄盘式阀、盘式烟道阀等。
l）闸板阀：闸板阀见图7－39。闸板阀起快速切断管道的作用，要求闸板与阀座贴合严密，不泄漏气体，关闭时一例接触受压，装置有方向性，可在不超过250oC温度下工作。
2）曲柄盘式阀：曲柄盘式阀亦称大头阀，也做为快速切断管路用，其结构见图7－40。该种阀门常做为冷风阀、混风阀、煤气切断阀、烟道阀等。它的特点是结构比较笨重，用做燃烧阀时因一侧受热，可能发生变形而降低密封性。
3）盘式烟道阀：盘式烟道阀装在热风炉与烟道之间，曾普遍用于内燃式热风炉。为了使格子砖内烟气分布均匀，每座热风炉装有两个烟道阅。其结构见图7－41。
（3）调节阀。一般采用螺形阀作为调节阀。它用来调节煤气流量、助燃空气流量、冷风流量以及混风的冷风流量等。调节阀只起流量调节作用，不起切断作用。蝶形阀结构见图7－42
4）放风阀。放风阀安装在热风炉的冷风管道上。由放风阀放风可以在不停止鼓风机的情况下，减少或完全停止向高炉供风。
放风阀结构见图7－43，它是由蝶形阀和柱塞阀通过一拉杆连接组成。正常操作时蝶形阀与冷风流向平行，此时柱塞堵住放风孔。放风时蝶阀翻转，柱塞打开放风孔，此时风机正常运行，但入炉风量则由蝶阀翻转角度，给予控制，多余风量通过柱塞上装置的消音器放入大气。
7．7提高风温的途径
近代高炉冶炼，由于原料条件的改善和喷吹技术的发展，具备了接受高风湿的可能性。为求提高鼓风温度是国内外高炉工作者奋斗方向之一。目前大型高炉设计风温多在1200～1350oC。国内外某些大型高炉热风炉设计特点见表7－14。获得高风温的主要途径是改进热风炉的结构和操作。
7.7.1增加蓄热面积
高炉每1m3有效容积所具有的热风炉蓄热面积，是获得高温的重要条件，近代大型高炉多采用四座热风炉，蓄热面积增加到80～90m2／m3有效容积，或更高相当于每分钟鼓入高炉标态风量的蓄热面积为30～33m2／m3风，设计风温为 1250～1300oC。前苏联Vu5000m3高炉蓄热面积为104 m2／m3有效容积，设计风温达到1440 oC，为目前最高设计风温水平。
7.7.2预热助燃空气和煤气以提高拱顶温度
拱顶温度是决定热风炉风温水平的重要参数之一。为了获得高的拱顶温度，一般采用二种方法，其一是在低热值高炉煤气中混入部分高热值焦炉煤气或天然气；其二是预热助燃空气和煤气。
采用焦炉煤气或天然气富化低热值高炉煤气简单易行，国内外许多高风温热风炉曾采用这种方法，但由于焦炉煤气和天然气价格昂贵，不是提高风温的良好途径。利用热风炉烟道废气预热空气和煤气是经济而可行的办法，目前国内许多工厂采用效果良好。
利用烟道废气预热助燃空气和煤气形式有多种，诸如回转式换热器、板式换热器等，而热管式换热器是效果较好的一种。
热管式换热器的工作原理是在带有翅片的金属管内填有热媒体，热管受热例热交换器置于烟道管路系统内，加热侧热交换器置于助燃空气或煤气管路系统内，热媒体在受热侧热交换器内蒸发吸热，在加热侧热交换器内冷凝放热加热助燃空气或煤气，由此循环达到换热目的。热管式热交换器在结构上可分为整体式热管换热器和分离式热管换热器，其工艺流程见图7－44和图7－45。
日本君津4号高炉和本钢1号高炉使用热管式换热器效果显著，见表7－15。
鞍钢利用热管式换热器回收荒煤气显热，预热热风炉用净煤气，当荒煤气入口温度达到300oC时，精美其可从50oC预热到250oC，热风炉拱顶温度可从1280 oC提高到1350oC，平均风温从1070 oC提高到1150oC.某钢铁厂号高炉采用热管式换热器，分别将助燃空气和煤气预热至160oC和140oC，拱顶温度提高50~100oC。
7.7.3交错并联送风
大型高风湿热风炉几乎都采用交错并联送风，即两座热风炉同时送风，其中一座热风炉送风温度高于指定风温（后行炉），另一座送风温度低于指定风湿（先行炉）。进入两座热风炉的风量由设在冷风阀前的冷风调节阀控制调此，是理想状态下的交错送风，混风调节阀只是调节换炉时的风温波动。交错并联送风趣序见图7一46.
交错并联送风时，由于先行炉可在低于指定风温条件下送风，故蓄热室格子砖的周期温差大，故而蓄热室的有效蓄热能力增加，燃烧期热交换效率亦提高，废气温度也表所降低。据日本君津四号高炉经验，热效率可提高10％。这样，在相同的热负荷条件下，可以降低拱顶温度，如果维持相同拱顶温度，则可以提高风温。
7.7.4采用高效率格子跨
蓄热定格子砖的热工参数主要取决于煤气净化程度，蓄热室的允许压力损失，以及预定的燃烧制度和送风制度。格子砖的主要参数包括：单位体积的蓄热面积，单位体积格子砖的质量，孔道流体直径，当量厚度和有效通道面积。缩小流体直径的同时，减小当量厚度能得到较大的单位体积的蓄热面积。国外某些新型格子砖流体直径为30～45mm，当量厚度为25～40mm。
德国设计的地德式高效格子砖的热工特性见表7－16，该种格子砖在西欧各国被广泛采用，效果良好。
日本和英国新建的热风炉基本上都采用六角形状的格子砖，平均厚度20～25mm，流体直径 35～45mm，单位体积蓄热面积一般在 35m2／m3；英国雷德卡厂高达 61.2m2／m3。
7.7.5热风护自动控制
热风炉自动控制的目的是为了充分发挥热风炉的设备能力，提高其热工效率，包括燃烧的控制，风湿的制度，换炉的控制等。
（1）燃烧自动控制。燃烧自动控制所控制的变量包括煤气热值、压力、流量和助燃空气过剩系数，以及拱顶温度，废气温度等，使燃烧处于最佳状态。有三种控制方法：
1）定时燃烧方式：用比例一极值调节器控制燃料燃烧的热值，控制一定时间的燃烧量。这种控制方法较为简单，但是热风炉的热效率随时间而变化，是一种木甚完善的办法；
2）定温燃烧方式：由拱顶温度、废气温度和蓄热室下部温度判定蓄热状态，控制其燃烧方式，是目前较为普遍的控制方式；
3）热量控制燃烧方式：控制加火炉内的热量，即在控制燃烧热值的同时，监视拱顶温度、废气温度，这是一种较好的控制方式。
（2）换炉自动控制。换炉自动控制是按预定的程序，控制热风炉各阀门和助燃风机动作。换炉操作可分为手动、半自动和自动三种。现代大型热风炉换炉大多已实现全自动操作。根据人工设定的时间或者由计算机根据热风炉状态计算发出换炉指令，热风炉各阀门及助燃风机以给定的程序进行动作。当自动控制系统发生故障时，为使热风炉仍能正常工作，系统中还设有半自动和手动操作设施。图7－47示出热风炉程序控制自动换炉原理。
（3）风温自动控制。由于送风和混风方式不同，风温自动控制方式也有不同。在交错并联操作中，可以由风温调节器来控制每座热风炉的冷风调节阀的开度，调整两座热风炉的风量比例控制风温。也有考虑到冷风调节阀直径太大，调节风量比较困难；因而有些热风炉不控制冷风调节阀，而是在两座热风炉送风量相等的情况下，通过控制混风阀调节风温。
（4）热风炉计算机控制。热风炉操作需要严密控制操作参数，诸如煤气热值、空气和煤气的比例、拱顶温度、火焰温度、废气温度及成分等，用计算机迅速计算热风炉的热状态，然后向各控制系统发出操作给定值，以期获得最高热效率和最经济的指标，这些即是用计算机控制热风炉所要解决的问题。目前世界各国在热风炉控制的数学模型研究中做了大量工作，燃烧控制大多已实现了计算机控制，但是由于热工计算的复杂性，用电子计算机控制换炉还有待进一步研究。
提高风温是热风炉综合技术发展的体现。当前的主要任务是开发无燃烧嘴的研制工作。
更高的风温要求进一步提高耐火材料的性能，研制高纯度的氧化镁砖和镁铝砖可能成为今后的主攻对象。
思考题
1．综述高炉冶炼用鼓风机应具备的性能。
2．怎样选择高炉冶炼用鼓风机。
3．内燃式、外燃式、顶燃式热风炉的基本特点。
4．从热风炉发展过程讨论热风炉发展方向。