卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢(shì)

3.1 卡盧金熱風(fēng)爐運(yùn)行穩(wěn)定可靠

3.1.1 圖8為卡盧金公司第一代熱風(fēng)爐運(yùn)行27年的照片。自1982年投產(chǎn)到2009年停爐，該熱風(fēng)爐從未大修過(guò)。長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、研究的結(jié)論表明：所有的煤氣燃燒都是在預(yù)燃室的出口處完成，沒(méi)有出現(xiàn)脈沖燃燒現(xiàn)象；熱風(fēng)爐在最高1350 度條件下成功地進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)，長(zhǎng)期在熱風(fēng)溫度最高1220 度條件下運(yùn)行。運(yùn)行了27年后，拱頂和大墻磚、格子磚都良好。

3.1.2 2002年在俄羅斯西西伯利亞鋼鐵廠為3000立方米高爐建設(shè)的1座卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐（第二代），同年在中國(guó)山東為750立方米高爐建設(shè)的頂燃式熱風(fēng)爐。2002年在中國(guó)和俄羅斯幾乎同時(shí)投產(chǎn)的卡式熱風(fēng)爐兩個(gè)卡式熱風(fēng)爐項(xiàng)目良好運(yùn)行至今近10年，自此開(kāi)始，卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐在中國(guó)和俄羅斯、烏克蘭、印度、日本、哈薩克斯坦等地加速發(fā)展。

3.1.3 自2009年開(kāi)始，為5000和5500立方米大高爐上配套的卡式熱風(fēng)爐開(kāi)始逐步投入運(yùn)行，分別在日本福山、俄羅斯切列波韋茨、中國(guó)唐山建成投產(chǎn)了5000和5500立方米大高爐配套的卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐。世界上大高爐廣泛采用卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐，這說(shuō)明卡式熱風(fēng)爐的技術(shù)已經(jīng)被大型鋼鐵公司全面認(rèn)可和接受，卡式熱風(fēng)爐正在大高爐熱風(fēng)爐上向高風(fēng)溫發(fā)起挑戰(zhàn)。在5000~5500立方米高爐熱風(fēng)爐上，已經(jīng)創(chuàng)紀(jì)錄地實(shí)現(xiàn)了1300度的運(yùn)行平均風(fēng)溫。

3.2 卡盧金熱風(fēng)爐的余熱利用技術(shù)和高風(fēng)溫

即使沒(méi)有富化燃料，僅僅使用高爐煤氣，通過(guò)對(duì)煤氣空氣雙預(yù)熱，卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐可以實(shí)現(xiàn)1300度風(fēng)溫的高指標(biāo)?？ūR金熱風(fēng)爐還可以利用小預(yù)熱爐（CAP，與熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)相似）對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)熱，助燃空氣預(yù)熱溫度可達(dá)500~600度，這保證了卡盧金熱風(fēng)爐風(fēng)溫可以到達(dá)1300度的水平。

3.3 卡盧金熱風(fēng)爐的技術(shù)發(fā)展

3.3.1 卡盧金熱風(fēng)爐是長(zhǎng)壽命熱風(fēng)爐，實(shí)踐證明，由于卡盧金熱風(fēng)爐使用了硅質(zhì)耐火磚做拱頂材料、使用了抗熱振耐火材料做預(yù)燃室內(nèi)襯，保證了熱風(fēng)爐壽命可以達(dá)到30年無(wú)大修。

3.3.2 卡盧金熱風(fēng)爐使用了獨(dú)創(chuàng)的獨(dú)立支撐無(wú)梁式爐箅子系統(tǒng)，可以允許廢氣溫度500度，因此可以降低格子磚高度、降低投資。3,3,3 卡盧金獨(dú)創(chuàng)的20毫米孔徑格子磚，將格子磚加熱面積由30毫米孔徑格子磚的48平方米/每立方米增加到64平方米/每立方米。已經(jīng)在俄羅斯切列波韋茨的5580立方米高爐熱風(fēng)爐、中國(guó)山東3200立方米高爐熱風(fēng)爐上使用。20毫米孔徑格子磚頂燃式熱風(fēng)爐正在成為現(xiàn)代熱風(fēng)爐發(fā)展趨勢(shì)，卡盧金公司的技術(shù)訣竅可以保證：在熱風(fēng)爐整個(gè)運(yùn)行期間，30毫米孔徑格子磚和20毫米孔徑格子磚都不會(huì)被粉塵堵塞。

3.4 卡盧金熱風(fēng)爐的發(fā)明專(zhuān)利

卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐2003年9月3日取得了中國(guó)專(zhuān)利局頒發(fā)的發(fā)明專(zhuān)利（專(zhuān)利號(hào)CN1439726A）。卡盧金博士不僅是卡式熱風(fēng)爐的發(fā)明人，同時(shí)也是卡式熱風(fēng)爐技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)者?？ūR金博士鄭重聲明：一些簽署了保密合同的機(jī)構(gòu)使用在項(xiàng)目執(zhí)行構(gòu)成中收到卡盧金公司發(fā)來(lái)的圖紙向用戶(hù)提供不完善的熱風(fēng)爐設(shè)計(jì)，這既是違約行為，同時(shí)在質(zhì)量上不能給用戶(hù)以完整的保障，對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)是存在極大風(fēng)險(xiǎn)的。卡盧金博士同時(shí)聲明：卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐在中國(guó)的唯一代理是北京天啟金橋冶金設(shè)備技術(shù)有限公司（總經(jīng)理王長(zhǎng)春先生，地址是北京市廣安門(mén)外大街168號(hào)朗琴?lài)?guó)際大廈B917）。

2.1 內(nèi)燃式熱風(fēng)爐

內(nèi)燃式熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)具有6大先天的缺陷（圖1），最主要原因是蓄熱室和燃燒室布置在同一個(gè)爐殼里的布局。2.1.1. 煤氣短路或直聯(lián)（短路現(xiàn)象）。由于分隔墻上的磚體之間存在裂縫，燃燒室和格子磚蓄熱室的煤氣會(huì)發(fā)生短路或直接互通，這種現(xiàn)象使熱風(fēng)溫度降低可達(dá)100度。這一缺陷導(dǎo)致的一個(gè)不良后果，是CO會(huì)溢出并進(jìn)入廢氣中 (檢測(cè)結(jié)果達(dá)到0.5-1.0%)， 對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

2.1.2. 燃燒室與蓄熱室之間的隔墻彎曲下傾(香蕉效應(yīng))。原因在于靠近爐殼的大墻磚與靠近蓄熱室的隔墻磚之間存在溫差，結(jié)果是燃燒室和蓄熱室均受到損壞。

2.1.3. 燃燒室磚體、熱風(fēng)管拱門(mén)和熱風(fēng)爐燃燒器很容易變形和受損。這是因?yàn)樵谌紵业撞康母邷睾蛪毫ο?，耐火材料?huì)發(fā)生蠕變，尺寸高的燃燒室更容易出現(xiàn)這種問(wèn)題。

2.1.4. 燃燒產(chǎn)物分布不均。燃燒產(chǎn)物沿著格子磚蓄熱室的分布不均勻，偏差達(dá)到15%。這將減小熱風(fēng)爐的實(shí)際效率，會(huì)導(dǎo)致蓄熱室的耐火材料出現(xiàn)大范圍裂縫，并損壞蓄熱室的爐箅子。這種事故在內(nèi)燃式熱風(fēng)爐中葉很常見(jiàn)。

2.1.5. 脈沖燃燒。脈沖燃燒與本身高度過(guò)高的燃燒室的高頻震動(dòng)有關(guān)，消除這種影響的困難較大。這將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，砌磚被毀壞，熱風(fēng)爐不能正常運(yùn)行。實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常在靠近熱風(fēng)爐燃燒器的位置安裝大型抗共振器，單由于其尺寸較大，也會(huì)堵塞大量空間。

2.1.6. 溫度波動(dòng)損傷。 在燃燒和送風(fēng)階段，磚砌體遭受的溫度波動(dòng)可能將達(dá)到600攝氏度。在送風(fēng)和燃燒期間，如果出現(xiàn)溫度的突然波動(dòng)，將導(dǎo)致耐火材料出現(xiàn)裂縫。在內(nèi)燃式熱風(fēng)爐的陶瓷燃燒器的上部經(jīng)常能夠觀察到大的裂縫。

因?yàn)榇嬖谏鲜鋈毕?，?nèi)燃式熱風(fēng)爐不適應(yīng)在高風(fēng)溫 (最高 1250度) 工作條件下長(zhǎng)期運(yùn)行（不可能達(dá)到30 年無(wú)大修的要求）。內(nèi)燃式熱風(fēng)爐長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作狀態(tài)是能夠保證1200 度風(fēng)溫。"para" label-module="para">

2.2外燃式熱風(fēng)爐

外燃式熱風(fēng)爐最重要的改進(jìn)是把燃燒室外置（圖2）。燃燒室自身具有外殼，改進(jìn)后的熱風(fēng)爐更加可靠。這種改進(jìn)雖然消除了“短路”和“香蕉效應(yīng)”兩個(gè)缺陷，卻使熱風(fēng)爐的構(gòu)造更加復(fù)雜。這不但使得設(shè)備的成本提高了30%，而且需要占用更多空間。實(shí)際熱風(fēng)溫度能達(dá)到1200-1250度。

2.3 無(wú)燃燒室--頂燃式熱風(fēng)爐

如果去除熱風(fēng)爐的燃燒室，使煤氣在熱風(fēng)爐頂部的燃燒系統(tǒng)內(nèi)燃燒，則燃燒室的主要缺陷也將隨之消除。為此卡盧金公司研究、設(shè)計(jì)了幾代頂燃式熱風(fēng)爐：

2.3.1 帶環(huán)形預(yù)燃室的大球頂熱風(fēng)爐（圖3）帶環(huán)形預(yù)燃室的大球頂熱風(fēng)爐是卡盧金設(shè)計(jì)的第一代無(wú)燃燒室--頂燃式熱風(fēng)爐。在拱頂?shù)幕A(chǔ)部分有一個(gè)1米高的環(huán)形預(yù)燃室，預(yù)燃室下部有幾十個(gè)小型陶瓷燃燒器噴嘴。環(huán)形的煤氣和空氣收集器以及陶瓷燃燒器噴嘴都安置在爐殼內(nèi)。

第一座這種結(jié)構(gòu)的熱風(fēng)爐（硅磚拱頂，圖）建成于1982年（用于1500 立方米高爐），于2009年停爐。研究表明，實(shí)際上所有的煤氣燃燒都是在預(yù)燃室的出口處完成的，沒(méi)有出現(xiàn)脈沖燃燒現(xiàn)象，燃燒產(chǎn)物沿著蓄熱室分布的不均勻度僅為5%；熱風(fēng)爐在最高1350 度條件下成功地進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)，在熱風(fēng)溫度最高1220 度條件下運(yùn)行可靠。該座頂燃式熱風(fēng)爐的大修期為30年，已經(jīng)運(yùn)行了27年?duì)顩r依然良好。在停爐后對(duì)熱風(fēng)爐進(jìn)行了詳細(xì)檢測(cè)，拱頂和大墻磚、格子磚都良好。

2.3.2 卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐(簡(jiǎn)稱(chēng)卡式熱風(fēng)爐，即第二代卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐，圖5).卡式熱風(fēng)爐是對(duì)第一代環(huán)形預(yù)燃室大球頂熱風(fēng)爐的進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)：

與第一代卡盧金熱風(fēng)爐比較，新結(jié)構(gòu)將原有的燃燒器噴嘴設(shè)計(jì)為帶有噴射渦流式（煤氣和空氣的）供氣系統(tǒng)，布置在預(yù)燃室內(nèi)周，預(yù)燃室位于拱頂?shù)纳喜?，預(yù)燃室在爐殼中有獨(dú)立支撐的內(nèi)襯砌體。預(yù)燃室里的煤氣和空氣（噴射式渦流）充分混合后在弧形拱頂燃燒，在進(jìn)入蓄熱室之前已充分燃燒完畢，燃燒產(chǎn)物沿著格子磚分布更加均勻。

因此，第二代卡式熱風(fēng)爐與第一代環(huán)形預(yù)燃室大球頂熱風(fēng)爐相比，預(yù)燃室結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、噴射渦流式供給的煤氣空氣混合更充分（燃燒更完全）、熱風(fēng)爐尺寸更小、投資更低，便于用戶(hù)逐一更換改造。

研究和檢測(cè)的結(jié)果證明卡式熱風(fēng)爐的主要優(yōu)點(diǎn)如下：1) 煤氣和空氣噴射渦流式混合系統(tǒng)可使煤氣充分燃燒。 經(jīng)過(guò)卡盧金公司與“EKO-Stahl” 公司（德國(guó)）協(xié)同進(jìn)行的測(cè)量表明，在0.3~5.1%的范圍內(nèi)調(diào)整氧濃度，排出廢氣中的一氧化碳濃度是恒定的（0.0016%，20 毫克/立方米)，甚至比德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)低五倍（圖7）。由此可見(jiàn)，卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐的結(jié)構(gòu)燃燒充分、更加環(huán)保。

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3) 燃燒產(chǎn)物均勻供給蓄熱室(95-97%)，提高了熱風(fēng)爐利用系數(shù)。

4) 熱風(fēng)爐阻抗小。燃燒前煤氣壓力僅為600 daPa時(shí)，就足以維持熱風(fēng)爐滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行。

5) 可承受煤氣和空氣預(yù)熱到500-600 °C。

6) 在所有的運(yùn)行模式中不會(huì)發(fā)生脈動(dòng)燃燒。

7) 氣流噴射不會(huì)直接噴至格子磚面，格子磚不會(huì)出現(xiàn)局部過(guò)熱情況，溫度在拱頂、蓄熱室、內(nèi)層和外殼上對(duì)稱(chēng)分布。降低了溫度劇變，改善了熱風(fēng)爐的穩(wěn)定性。

8) 預(yù)燃室磚體不承受高溫。燒爐和送風(fēng)周期之間磚體溫度變化與第一代卡式熱風(fēng)爐接近（該頂燃式熱風(fēng)爐運(yùn)行27年，并保持良好狀況）。因此這是一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、長(zhǎng)壽的獨(dú)立預(yù)燃室。

9) 硅磚拱頂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可長(zhǎng)期運(yùn)行。因?yàn)楣璐u拱頂可在燃燒溫度最高1550度條件下正常工作，因此卡式熱風(fēng)爐拱頂溫度可以大大提高，熱風(fēng)溫度最高可達(dá)1400度?？ㄊ綗犸L(fēng)爐的使用壽命為30年。

10) 卡盧金頂燃式新型格子磚熱風(fēng)爐。卡盧金公司首創(chuàng)并廣泛使用了加熱面積高達(dá)48.0㎡/ m的30mm孔徑 格子磚。正在推廣使用加熱面積高達(dá) 64.0m/m 的 20mm孔徑格子磚。因?yàn)榧訜崦娣e大，熱傳導(dǎo)率高，并且沒(méi)有燃燒室，所以格子磚蓄熱室的整體高度可以明顯降低。在保持熱功率條件下，與一般的熱風(fēng)爐相比，此熱風(fēng)爐尺寸更小，能夠明顯節(jié)省耐火材料。

高風(fēng)溫是現(xiàn)代高爐的重要技術(shù)特征。提高風(fēng)溫是增加噴煤量、降低焦比、降低生產(chǎn)成本的主要技術(shù)措施。隨著引進(jìn)卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐技術(shù)，國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)高爐的熱風(fēng)溫度逐年升高，特別是新建設(shè)的一批大高爐（大于2000立方米）熱風(fēng)溫度均超過(guò)1200℃，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。如曹妃甸京唐公司5500立方米高爐采用卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐，熱風(fēng)溫度達(dá)到了1300℃的世界水平。

熱風(fēng)爐基本結(jié)構(gòu)。熱風(fēng)爐是為高爐加熱鼓風(fēng)的設(shè)備，是現(xiàn)代高爐不可缺少的重要組成部分。現(xiàn)代大高爐最常用的是蓄熱式格子磚熱風(fēng)爐，蓄熱式熱風(fēng)爐按燃燒方式可以分為頂燃式，內(nèi)燃式，外燃式等幾種。其工作原理是先燃燒煤氣，用產(chǎn)生的煙氣加熱蓄熱室的格子磚，再將冷風(fēng)通過(guò)熾熱的格子磚進(jìn)行加熱，然后將熱風(fēng)爐輪流交替地進(jìn)行燃燒和送風(fēng)，使高爐連續(xù)獲得高溫?zé)犸L(fēng)。蓄熱式熱風(fēng)爐有燒爐、送風(fēng)兩種主要操作模式：將高爐煤氣燃燒對(duì)蓄熱室的格子磚進(jìn)行加熱，即為“燒爐”操作模式，用蓄熱室格子磚對(duì)冷風(fēng)進(jìn)行加熱并送風(fēng)到高爐，即為“送風(fēng)”操作模式。

先進(jìn)熱風(fēng)爐的特征。高風(fēng)溫、低投資、長(zhǎng)壽命是現(xiàn)代熱風(fēng)爐的基本特征。理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，頂燃式熱風(fēng)爐是最先進(jìn)的熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)形式，采用頂燃式熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)，可以提高熱風(fēng)爐熱效率、降低設(shè)備投資、延長(zhǎng)熱風(fēng)爐壽命。

格子磚基本特點(diǎn)

1.具有多個(gè)與側(cè)表面互相平行的通透格孔，以及位于兩個(gè)平行表面上的定位凸起和定位凹槽。

2.體積穩(wěn)定性好，高溫荷重蠕變性能優(yōu)良，高密度低氣孔率?，F(xiàn)代高爐熱風(fēng)爐通常采用格子磚蓄熱室結(jié)構(gòu)。

格子磚加熱面積

舊型高爐熱風(fēng)爐使用的是孔徑為40毫米、加熱面積為32.7平方米每立方米的標(biāo)準(zhǔn)格子磚?？ūR金頂燃式熱風(fēng)爐最初推廣的是孔徑30毫米、加熱面積為48平方米每立方米的格子磚。卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐正在全球推廣的格子磚，是卡盧金公司最早使用、并已經(jīng)取得專(zhuān)利的孔徑20毫米、加熱面積為64平方米/立方米的格子磚。

中國(guó)和俄羅斯高爐應(yīng)用的測(cè)試證明，在卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐里，30毫米孔徑格子磚和20毫米孔徑格子磚，由于其通道內(nèi)沒(méi)有形成渣化的條件，因此在熱風(fēng)爐整個(gè)使用期（30年無(wú)大修）內(nèi)，都不會(huì)被粉塵堵塞。

使用20毫米孔徑格子磚，增加了加熱面積，減少了格子磚用量，大幅度降低了熱風(fēng)爐耐材用量，因此降低了熱風(fēng)爐投資。