热风炉是炼铁生产过程重要设备之一，供给高炉热风热量约占炼铁生产耗热的四分之一，消耗的高炉煤气占高炉产生煤气量的40%，因此提高热风炉的热效率对降低能耗具有巨大的现实意义。

高炉炼铁由热风炉提供高风温是当今世界炼铁技术发展方向。高风温是强化高炉冶炼、降低焦比、增加产量的有效措施。每提高100℃风温，可以节约焦炭15——20kg/tFe，同时增产3%-5%，并且为高炉的大喷煤比操作创造条件。在全球炼焦煤资源日益紧张的今天，最大限度的提高喷煤比、降低燃料比是现代化大高炉能够与非高炉炼铁工艺抗衡的关键。

北京首钢国际工程技术有限公司（以下简称“首钢国际工程公司”）在首秦1号高炉（炉容1200立方米）成功应用了顶燃式热风炉，首次设计应用了2座小型顶燃式热风炉用于预热助燃空气至600℃，从而在全烧高炉煤气的情况下得到稳定的1250℃的风温。

首钢国际工程公司在5500立方米特大型高炉上首次应用拥有自主知识产权的BSK新型顶燃式热风炉，这是顶燃式热风炉首次应用于4000立方米以上的大型高炉，是世界炼铁设计史的一个里程碑。

1.BSK新型顶燃式热风炉研发背景

高炉采用热风炉操作经历了近100年的历史，最早的热风炉是管式热交换器，热风温度只有315℃。1959年和1965年先后出现了地得式（Didier）外燃热风炉和马琴（Martin或Pagenstecher）外燃热风炉；20世纪60年代末由新日本钢铁公司设计应用了新日铁外燃式热风炉；1972年出现了霍戈文（Hoogovens）改进型内燃式热风炉。

首钢20世纪80年代初在1327立方米的大型高炉上设计应用了拥有完全自主知识产权的顶燃式热风炉，这是世界上首次将顶燃式热风炉应用在1000m³以上的大型高炉上，在国内引起强烈反响，同时受到了世界各国的重视。

顶燃式热风炉与外燃式和内燃式相比，其主要优势有：1）炉内无蓄热死角，在相同炉内容量时，蓄热面积可增加25%-30%；2）炉内结构对称，流场分布均匀，消除了因结构导致的格子砖蓄热不均现象；3）由于是稳定对称结构，因此炉型简单，结构强度好，受力均匀；4）燃烧器布置在热风炉顶部，减少了热损失，有利于提高拱顶温度；5）热风炉布置紧凑，占地小，节约钢材和耐火材料。

顶燃式热风炉虽然优势明显，但也有若干需要解决的难题：1）需要性能良好的高效燃烧器，要求在拱顶的有限空间内完全燃烧，同时形成均匀的流场，无偏流存在；2）拱顶要经受强烈的温度波动，对耐火材料的性能和砌筑方式都有严格要求；3）受热风炉膨胀的影响，管系受力和膨胀较复杂，对管系设计和受力计算要求高。

首钢国际工程公司设计拥有自主知识产权的BSK新型顶燃式热风炉，经过艰苦的技术攻关，成功应用于5500立方米特大型高炉，BSK新型顶燃式热风炉运行良好，首钢京唐1号高炉投产以后，月平均热风温稳定在1280℃，完全达到了设计要求，赢得了业主、国内外冶金专家的一致好评。

首钢京唐钢铁厂BSK顶燃式热风炉实景

2.BSK新型顶燃式热风炉主要技术特点

首钢国际工程公司自主知识产权的BSK新型顶燃式热风炉采用了多项创新技术，包括热风炉布置，管系布置和受力，助燃空气和煤气预热方式，热风炉燃烧器结构，热风炉炉壳防高温晶界应力腐蚀等，确保热风炉在全烧高炉煤气的情况下实现1300℃风温，真正达到高风温，高效，长寿的目标。

2.1热风炉布置

首钢国际工程公司总结以往的矩形布置经验，提出了一种新型顶燃式热风炉矩形布置结构，其特点是四座热风炉采用非对称矩形布置；将热风竖管设置在四座热风炉形成的矩形区域之外；设置单独的热风炉框架，用以支撑工艺管道和阀门等；设置一台普通桥吊即可满足热风炉区的设备检修需要；由于竖管在矩形区域之外，因此可将主烟道布置在地上。

首钢京唐钢铁厂热风炉布置三维图

2.2管系布置和“无应力”设计优化

如何才能将各种管道错落有致的布置好，以便在满足工艺要求的同时，尽量减少管道和框架的钢材用量，还要方便各种阀门的正常检修和维护？另外，由于管系较为复杂，各种管道很容易出现“碰撞”，如果在设计时没有注意，会造成大量返工、施工进度滞后等后果。为了提高设计质量，保证工程进度，首钢国际工程公司采用三维设计，提高了管系设计的工作效率，同时有效避免了管道碰撞。

由于热风炉的各种主管道都是在高温和（或）高压的工况下工作，管道受到热膨胀力、压力、摩擦力和弹力等，受力情况十分复杂，只有认真研究每条管道的受力状况，经济而合理的设置管道支架和补偿器，才能有效保证管系的正常使用寿命。首钢国际工程公司设计人员经过反复计算，反复修改，反复论证，多方案比较，最终设计出了首钢京唐5500立方米大高炉BSK新型顶燃式热风炉的所有管系，形成了一整套先进的“无应力”管系设计理念。

2.3助燃空气和煤气预热方式

该工艺流程与国内外现有的热风炉预热技术相比，具有明显的优越性：

1）提高了热风炉的拱顶温度和换热效率，有效减小热风炉炉容，节约投资。

2）提高烟气温度，可以提高煤气的预热温度，通过对助燃空气也进行低温预热，最大限度的回收烟气热量，有效提高了热风炉系统总的热效率。

3）通过全烧高炉煤气实现1300℃风温，利用了低热值煤气。京唐热风炉系统通过将高炉煤气燃烧，直接将热量传给助燃空气，提高助燃空气温度，从而显著提高热风温度。

4）空气预热系统寿命长，工作稳定。BSC预热炉的设计寿命与BSK新型顶燃式热风炉的设计寿命相同，且换热能力稳定，不会出现日久失效的问题。

首钢京唐钢铁厂BSK新型顶燃式热风炉模型

2.4热风炉燃烧器

京唐5500立方米高炉的BSK新型顶燃式热风炉燃烧器是陶瓷燃烧器，适应助燃空气预热至600℃高温工况。该燃烧器采用扩散式燃烧方式，空煤气流量的适应范围宽，混合充分均匀，在进入格子砖之前已燃烧完全。燃烧生成的高温烟气流场均匀有序，经过首钢国际工程公司的FCD仿真计算和冷态测试，证实炉内流场分布符合设计要求。

首钢京唐钢铁厂BSK新型顶燃式热风炉炉内流场分布示意图

2.5热风炉炉壳防高温晶界应力腐蚀

晶界应力腐蚀问题普遍存在于高风温热风炉系统。其主要原因是拱顶温度达到1400℃以上时，氮氧化物迅速增加，与炉壳上的冷凝水作用生成腐蚀性酸液，腐蚀液从炉壳存在应力的地方沿着晶格深部侵入、扩展而至破裂。热风炉工作时产生的脉冲应力和疲劳应力又促进了腐蚀破裂进程。

在京唐BSK新型顶燃式热风炉的设计过程中，设计者积极吸收国内外的先进经验，对不同方法进行比较论证，实地考察各钢厂的使用效果，决定在热风炉炉壳里侧刷YJ-250防腐涂料，在防腐涂料上再喷涂一层耐酸喷涂料。

另一方面，将热风炉拱顶最大设计温度控制1450℃以内，正常操作温度控制在1420℃以内，保证热风炉始终在安全温度内运行。控制氮氧化物生成，从源头防止晶界应力腐蚀。

3. BSK新型顶燃式热风炉经济效益和应用前景

BSK新型顶燃式热风炉以其布置紧凑，占地面积小，节约钢材和耐火材料，对各种工况适应性强等优点，被越来越多的业主所认可。经统计比较，在相同高炉容积条件下，顶燃式热风炉比外燃式热风炉节约钢材20%-30%，节约耐火材料约15%，节约投资约20%。

采用煤气一级低温预热，空气两级高温预热的专利技术，在单烧高炉煤气的情况下，不仅可满足目前国内普遍追求的1250℃风温，更可以提供1300℃高风温。结合热风炉高温防晶界应力腐蚀技术，可以保证热风炉在提供高风温的同时，有效防止炉壳开裂，保证热风炉实现长寿，高效，高风温。

高效新型顶燃式热风炉燃烧器可实现空煤气充分混合，燃烧完全，烟气中CO含量仅为0.0016%（20mg/立方米），低于德国环保标准要求，是标准值的1/5。高温烟气均匀进入蓄热室，有效提高了格子砖的利用率，强化换热过程，热效率提高约5%。

BSK新型顶燃式热风炉以占地小，投资省，风温高，工艺流程简单，节能环保等多项优势，引领热风炉技术发展的前进方向，不断开拓新的市场，不仅满足新建钢厂的高要求，也完全适用于现有高炉原地扩容大修改造。

4. BSK新型顶燃式热风炉研发团队

在首钢国际工程公司副总经理、教授级高级工程师张福明的带领下，形成了以炼铁室主任、教授级高级工程师毛庆武，炼铁室主任助理、教授级高级工程师钱世崇，主管设计师、高级工程师梅丛华和倪苹等专家为核心，高级工程师范燕，工程师许云，青年设计师银光宇、李欣等为骨干设计力量的热风炉设计团队。

继首秦1号高炉成功使用顶燃式热风炉和空气高温预热技术后，顶燃式热风炉技术先后在首秦2号高炉，重钢4号高炉，印度BIL高炉等工程设计应用。通过首钢京唐5500立方米特大型高炉BSK新型顶燃式热风炉的设计投产，首钢国际工程公司拥有了新型顶燃式热风炉的自主知识产权，已完全有能力独立承揽设计、总包新建或大修改造的热风炉项目。提升钢铁企业品质，推动冶金技术进步是首钢国际工程公司的使命，以高效、优质、低耗、长寿、清洁为目标的首钢BSK新型顶燃式热风炉技术正大步走向世界。（首钢国际工程公司：梅丛华）