豫兴方案何以成为内燃式热风炉改造“优选路径”？——刘世聚谈炉壳利旧改悬链线顶燃式技术的实践验证

我国炼铁高炉热风炉技术已跻身国际领先行列，为我国炼铁行业实现高效高风温、节能低排放炼铁发展作出了重大贡献。在这一领域的发展进程中，河南省豫兴热风炉工程技术有限公司（以下简称豫兴公司）可谓功不可没。

据豫兴公司董事长刘世聚介绍，2005年至今，豫兴顶燃式热风炉在国际、国内250立方米至4747立方米跨级别高炉中配套了多系列炉型，涵盖多种顶燃式技术体系，截至目前已投产739座，成为中国热风炉的主流发展方向。豫兴公司创新研发的热风炉改造技术，已成为炼铁行业走出困境、实现降本增效的优选路径。

刘世聚指出，内燃式热风炉改造为顶燃式热风炉是当前炼铁行业的趋势，主要分为3种改造技术路径：一是推倒重建为顶燃式热风炉；二是切割上部炉壳，改造为小帽子顶燃式热风炉；三是利旧炉壳，升级为悬链线顶燃式热风炉。这3种改造技术各有千秋，具体如何选择，取决于炼铁企业对自身条件和预期目标的综合权衡。

路径一：推倒重建

——高投资换高风温的“终极选项”

刘世聚介绍，推倒重建的决策考量，通常是因为热风炉耐火材料衬里已达设计服役年限，无法支撑高温工况的持续运行，且炉壳使用年限已远超设计寿命，结构安全性正面临日益严峻的考验。

目前行业内对热风炉炉壳安全服役年限尚无统一科学定论。20世纪80年代，武钢引进的内燃式热风炉、宝钢引进的外燃式热风炉，炉壳已稳定服役40余年；国外某厂1972年由霍戈文建造的内燃式热风炉，已连续服役超过54年，仅通过局部加固处理后仍在继续使用，稳定运行。

从上述3个典型案例来看，通过对传统内燃式、外燃式热风炉炉壳经精心维护与规范操作，可满足35年至40年以上的使用寿命；长期维持风温1200℃至1250℃、炉壳温度低于200℃的炉壳，其材质无晶相变化，实际使用寿命可进一步延长至50年。

因此，对于使用年限尚不足30年至40年，或核心部件状态依然良好的内燃式热风炉，其耐火材料与炉壳等主体仍保有较长使用寿命，尚未达到必须推倒重建的迫切程度。如拟推倒重建，建议组织冶金、材料、结构等多领域专家，对热风炉炉壳及耐材剩余寿命、结构完整性、改造技术可行性进行全面科学评估，这是企业科学决策确定热风炉是否应当推倒重建的重要前置环节。

选择推倒重建往往是因为原有热风炉技术架构落后，各项指标已无法满足现代高炉炼铁的生产要求，且缺乏保留主体结构、成本合理的升级方案，此时推倒重建实属无奈之举。例如，某钢铁企业的热风炉建于20世纪90年代，采用的是较为陈旧的内燃式技术体系，风温只能达到1100℃左右，远远低于现代高炉炼铁所需1200℃以上的风温要求；同时，该热风炉的炉壳和耐火材料已经出现了严重的老化和结构性损坏，维修成本极高，且即便实施维修后也难以保证风温的长期稳定性。在这种情况下，该企业经过综合评估与审慎论证，最终决定推倒重建一套全新的顶燃式热风炉。

热风炉推倒重建方案具有下列显著优势：一是在缺乏先进技术储备时，可彻底解决原有内燃式热风炉的结构性缺陷，从根源上避免原有结构频繁故障；二是可采用全新技术装备与设计理念，有效提高热效率、提升送风风温，从而提高炼铁综合效率；三是新建热风炉的选材与结构布局更为合理，使用寿命显著延长，可为企业带来长期经济效益。例如，新建的顶燃式热风炉可以采用先进的燃烧技术和高效蓄热技术，使风温稳定提高到1250℃以上，热效率提高10%以上，从而有效降低炼铁成本，提升企业的整体经济效益；同时，其设计使用寿命可以达到30年以上，超过原有内燃式热风炉的实际服役周期。

路径二：切帽改造

——频频折戟的“高风险路径”

刘世聚认为，由于上述推倒重建方案存在高投资和长工期的缺点，它往往会给企业造成重大经济效益损失。因此，如何在现有热风炉炉壳和设备基础之上进行改造，从而解决技术落后问题、实现炉型更新换代，同时满足生产技术要求、有效降低投资成本，已经成为行业关注的重点方向。国内部分企业采用拆除全部炉衬、仅切割高温部位炉壳、保留下部炉壳的方式进行改造，并取得了一定进展，但改造后实际使用效果普遍不佳，未能达到预期目标。

尤其是出现了下列热风出口标高不变的内燃式改造为顶燃式的典型失败案例：

江苏某钢铁公司高炉原配置4座内燃式热风炉，2019年为满足高风温需求实施顶燃式改造，将其中的3座内燃式热风炉在线切割炉壳改造为小帽子顶燃式热风炉。其热风出口标高17米，比其他热风炉热风出口标高高出3米，改造条件相对较好，改造过程中采用30毫米孔径格子砖，应用了小帽子顶燃式燃烧技术，但其改造投产后未达到风温1200℃的设计要求。经专家系统分析后发现，其风温不达标的核心原因在于：在热风出口标高和原有蓄热室直径的双重限制下，选择30毫米孔径格子砖不尽合理。格子砖孔径过大使得烟气和冷风气流过于顺畅，短时间燃烧后炉箅子温度迅速升高，导致燃烧提前停止，热风炉有效蓄热能力显著不足，整体换热能力效果较差。虽然其设计参数中格子砖重量和换热面积满足相应的风温和送风时间设计要求，但格孔尺寸与蓄热室高径比之间的匹配关系失当，已成为风温偏低的核心症结。在既有炉壳和标高限制条件下，过大的格孔虽减小了气流阻力，但大幅缩短了有效蓄热时间，热量无法充分储存，也难以在送风周期内稳定释放足够的热量；同时蓄热室高径比与格孔尺寸未能实现优化匹配，降低了整体热交换效率，最终表现为风温输出不足、送风周期缩短，未能达到改造的预期效果。

该案例充分说明，在炉壳利旧改造过程中，若仅仅依赖先进燃烧技术的引入，而忽视蓄热体结构参数与原始空间约束条件的匹配性，则难以取得理想的技术实施效果。

某钢铁公司高炉原配套4座内燃式热风炉，火井频繁出现结构性缺陷，严重影响风温水平与系统运行稳定性。为彻底解决该问题，该公司决定先增建一座全新小帽子顶燃式热风炉，并实施了在线改造其中的两座内燃式为小帽子顶燃式热风炉，形成3座顶燃式运行与两座未改造的内燃式热风炉暂时停止使用的特殊格局。待该公司增建的热风炉投产后，随即启动两座内燃式改造工程：保留原有14米高的热风出口标高，仅切割上部炉壳，改造为小帽子顶燃式热风炉。由于改造限制，该热风炉蓄热室直径与热风出口标高均维持不变，热风出口标高仅为14米，在如此严格的空间约束下，蓄热体格子砖被迫选用小孔径规格，导致改造后格子砖总重量明显不足，换热面积无法满足高风温要求，实际风温和送风时间均无法与新建热风炉实现有效匹配，系统运行协调性明显变差。

该案例表明，在蓄热室直径与热风出口标高均被固定的约束条件下，实施顶燃式改造的技术前提并不充分；强行推进改造不仅无法提升系统性能，反而会恶化系统整体运行状况，导致投资难以收回，属于失败的改造案例，给企业带来了巨大经济损失。

某民营钢企因火井墙频繁出现故障，极易引发烟气短路、送风风温偏低等运行问题，无法满足高炉正常生产需求。该公司决定实施热风炉专项改造工程，原计划采用“一烧一送一改造”的作业模式作业，但该方式不仅无法根治风温偏低的问题，还会造成风温进一步下降，甚至跌破1000℃，严重影响高炉冶炼的顺行状态，由此确定增建新热风炉为最稳妥的技术改造方案。

经多方论证，该公司最终确定的技改整体思路如下：两座高炉先各新增一座小帽子顶燃式热风炉，待新增炉投用运行后，再逐步对原有内燃式热风炉实施在线炉壳切割，分批改造成为小帽子顶燃式热风炉。

为确保新增热风炉能够稳定产出高温风，并与系统内其余热风炉的送风周期保持一致，该公司技术团队划定了核心运行指标：在蓄热室高度仅能达到14.5米的条件下，送风时长需达到60分钟、送风温度需稳定维持在1200℃以上。同时，为简化管路对接施工流程，该技术团队要求新增热风炉热风出口标高与原有设备保持统一。受此条件限制，新建炉格子砖换热面积、整体重量均需满足设计要求，其操作制度需与原有炉体保持协调匹配，以保障整套系统热工制度的平稳统一，经计算确定了蓄热室直径为11.094米。

该公司首座高炉新增热风炉建成投产后，实际运行效果未能达到设计预期，若刻意提高送风温度，只能将原定60分钟的送风时长压缩至40分钟左右，给现场生产调度和工况稳定管控带来了诸多难题与运行风险。

在系统总结首座高炉投运暴露出的问题与经验教训后，该公司技术团队对该高炉配置的内燃式热风炉实施切割炉壳改造为小帽子顶燃式热风炉的工程，保持原有蓄热室直径9.894米和热风出口标高14.5米，调整蓄热体高径比以优化改造设计。但优化改造后的热风炉投用后，依旧未能实现1200℃的设计风温标准，若试图将风温提升至1200℃及以上，送风时长仅能维持在40分钟左右。

实践表明，这两座热风炉蓄热体高径比分别为1.3和1.47，尽管增建的热风炉高径比达到1.47，满足了较大的蓄热体量和换热面积，但由于蓄热室截面积过大，导致的烟气流场分布极不均匀，格子砖蓄热能力受限，投入改造的工程未能收获理想的使用效果。受接连出现的技术问题与不达标的运行效果影响，该公司原定对剩余内燃式热风炉的改造计划全面搁置，不再开展后续改造施工，整体热风炉升级改造项目就此停滞。

上述案例中，热风炉风温与送风时间不足的原因在于蓄热室直径与热风出口标高的双重限制：一是为适应有限的空间高度，格子砖被迫选用小孔径规格，堆积高度受到限制，直接影响热容量与换热效率；二是蓄热室直径不足导致格子砖总重量与总换热面积未能达到设计要求，蓄热、换热能力不足。该公司后期尝试扩大蓄热室直径，但高径比设计不尽合理，流场分布不够均匀，换热性能进一步被削弱，问题未能得到根本解决。

综上所述，若一味追求热风出口标高不变，仅切割上部炉壳改造为小帽子顶燃式热风炉，尽管一次性投资略小于抬高标高的方案，但该改造方案路径存在诸多技术与经济层面的问题。实际执行中往往会增加总投资并延长工期，属于投入较大、过程烦琐且可能影响生产连续性的改造策略，其经济效益与工程风险需谨慎评估。该改造方案的最终结果往往不理想，甚至可能出现性能不达标的尴尬局面。

路径三：炉壳利旧

——豫兴悬链线方案的“最优实践”

刘世聚指出，若要在现有内燃式热风炉炉壳保持不变的基础上，实现热风出口标高、炉壳主体、炉箅子、管网系统均维持不变，从而节省投资、缩短工期，同时达成稳定长寿、高效环保，满足各项热工参数要求，改造效果可媲美推倒重建的顶燃式改造方案，10多年来，几十座内燃式热风炉改造为高风温的实践应用充分说明，采用悬链线顶燃式热风炉技术是最佳选择。

豫兴悬链线顶燃式热风炉与内燃式热风炉外形结构相同，均具有独立支撑于炉壳的悬链线拱顶结构。其具体技术是：废除了内燃式热风炉底部的燃烧器，并将其转移至悬链线拱顶基脚下方与蓄热室大墙相平行的外围低温区域，采用豫兴自主研发的煤气喷嘴与空气喷嘴环形布置交错预混上喷燃烧技术；拆除原有蓄热体格子砖，保留炉箅子与原火井结构，在原炉箅子平面增设铸铁格子砖作为过渡层，调节原炉箅子与新耐材格孔之间的尺寸匹配，使格子砖孔径满足设计换热面积要求，同时选择合适孔径、设置最佳堆积高度以达到理想高径比，确保烟气在最佳流速和涡流、旋流混合燃烧特性下实现最优工况。

这种改造方式将原火井拆除至合适位置后予以保留，在火井内隔墙端部新增有一定厚度的加固耐高温隔墙，再在新增隔墙后的火井空间内增设密封耐火材料陶瓷套管。该套管在加热送风过程中可沿高度方向上下自由胀缩，从而有效保障隔墙与套管结构的稳定与长寿，在山西建龙钢铁1380立方米、中阳钢铁1280立方米、首钢长钢1280立方米等高炉内燃式热风炉炉壳利旧顶燃式改造实践中得到充分验证。上述工程是豫兴公司在2017年的设计优化改造实践过程中，不断总结经验教训、持续完善技术细节所形成的成熟方案。该方案是目前内燃式热风炉顶燃式改造中效果最优、运行最稳定、结构最长寿、环保最高效、投资最节省、工期最短的技术路线。

前置工作：

炉壳利旧改造的“必答题”

在实施热风炉壳利旧改造之前，必须未雨绸缪，刘世聚提出值得注意的事项，需扎实完成以下前期工作：

一是前期检测评估。在改造之前对3座或4座在用的内燃式热风炉炉壳进行全面探伤检测、强度核算与腐蚀状况评估，确认炉壳主体结构保持完整，腐蚀余量满足强度要求，仅局部存在小范围的晶相结构变化或局部壳体应力开裂缺陷，经补焊处理后可满足利旧条件，据此确定整体炉壳全部利旧的可行性。

二是内部结构改造。拆除原有内燃式热风炉燃烧室拱顶内衬、上部未利用的火井及隔墙、下部燃烧器和全部旧格子砖；在炉体顶部安装新型悬链线拱顶结构，并配套设置环形陶瓷燃烧器；保留炉箅子主体，在原有火井内隔墙端部增设一层加厚隔墙，并在该隔墙内设置一环密封砌筑的陶瓷套管，预留套管胀缩的自由空间；在新孔径格子砖与原炉箅子之间增加一层铸铁格子砖，用于调节炉箅子与耐火格子砖之间的孔径；选用高效19孔25毫米新孔径格子砖替代原7孔40毫米或19孔30毫米孔径格子砖，优化蓄热换热高径比，显著增大蓄热面积与提高换热效率。

三是配套系统升级。同步改造煤气、助燃空气入口位置，将其升级为智能化燃烧控制系统，实现自动烧炉与温度闭环精准调控；确保满足最新环保排放标准要求。

该改造方案对比传统拆除重建方案，具有以下突出优点：一是总投资下降40%以上，改造周期比重建周期缩短40%以上；二是减少旧炉壳拆除、新炉壳制作安装的施工工程量与相应成本，避免大量拆除废钢的处理与新钢材的消耗，环保效益显著；三是改造后采用悬链线顶燃结构，燃烧混合均匀，蓄热换热充分，输出热风温度可从原有的1050℃~1180℃提升至1250℃左右，能够满足高炉对更高风温的生产需求；四是消除原有结构固有缺陷，设计使用寿命可达30年，远长于传统改造方案的寿命周期。

该方案保留了原有炉壳并增设内侧隔热缓冲结构，可从根源上解决传统内燃式热风炉在燃烧、送风循环过程中，因炉壳温度分布不均而产生的交变热应力问题，彻底消除炉壳应力开裂的安全隐患，从而根除企业多年来的设备运行顽疾。

此外，这种改造方案所形成的环形交错预混上喷烟气组织方式，可使全拱顶炉壳温度分布均衡，无温差导致的撕裂应力，避免热风炉锥形拱顶叠加燃烧器小拱顶结构所导致结构复杂、受力不合理、应力集中等问题。包括安钢4747立方米级别以上高炉配套的小帽子顶燃式热风炉在使用3年至10年间，即出现大面积炉壳开裂的问题，正是由于其结构受力复杂、应力集中所致。而豫兴悬链线顶燃式热风炉的悬链线炉壳，就像一个受力合理、结构简单、没有任何额外承重负担的盖子，不会出现应力集中问题，避免了炉壳开裂损坏。

综上所述，豫兴炉壳利旧悬链线顶燃式内燃热风炉改造方案兼具投资节省、风温提升、环保性能优良、使用寿命长久等综合优势，能够从根本上解决传统内燃炉因燃烧送风温度不均而导致的炉壳应力开裂问题，高度适配国内内燃式热风炉的改造需求，是传统内燃式热风炉升级改造切实可行的技术方案。

多维比较：

3条路径孰优孰劣一目了然

刘世聚对上述介绍做了高度概括，为了更好地帮助企业选择适合自身条件的热风炉炉型，豫兴公司对推倒重建、改造小帽子、炉壳利旧顶燃改造这3种改造技术的炉型结构进行了详细的比较与总结，具体如下：

投资成本：推倒重建的热风炉投资成本最高，需要投入大量资金用于拆除旧炉壳、制作安装新炉壳、炉箅子及支柱等。改造为小帽子顶燃式的投资成本次之，需要投入一定资金用于切割炉壳、更换蓄热体和燃烧器等。炉壳利旧顶燃改造的投资成本最低，只需投入相对有限的资金用于改造内部结构即可成功实施顶燃改造。例如，推倒重建一座2000立方米高炉的热风炉需要投资超过9000万元至10000万元，切割炉壳改造为小帽子顶燃式需要投资超过7000万元至8000万元，而炉壳利旧顶燃改造仅需投资5000万元至6000万元。

施工周期：推倒重建的热风炉施工周期最长，需要拆除全部炉壳、炉箅子及支柱，并制作安装新炉壳、支柱及炉箅子，施工周期一般在6个月以上。改造为小帽子顶燃式的施工周期次之，需要实施切割炉壳、更换蓄热体和燃烧器等工序，施工周期一般在5个月左右。炉壳利旧顶燃改造的施工周期最短，主要集中于内部结构的改造施工，施工周期一般在两个月以内。

风温效果：推倒重建的热风炉风温效果最好，可以采用全新的技术设备，使风温稳定提升至1250℃。无论是切割炉壳改造为小帽子的热风炉，还是炉壳利旧顶燃改造的热风炉，其风温均可以稳定实现1250℃的目标；但相较而言，炉壳利旧的悬链线顶燃式改造更为突出的亮点在于，其氮氧化物排放低于50ppm、CO排放更是低于30ppm，环保优势更加明显。例如，某钢铁企业采用炉壳利旧顶燃改造方案后，使风温从原来的1100℃提高到了1250℃以上，CO排放低于30ppm，取得了良好的炉壳利旧改造效果。

使用寿命：推倒重建的热风炉使用寿命最长，采用了全新的材料与设计，使用寿命可以达到30年以上。改造为小帽子顶燃式和炉壳利旧顶燃改造的使用寿命一般可以达到20年以上。

环保性能：炉壳利旧顶燃改造的热风炉环保性能最为优异，能够稳定实现NOx和CO的超低排放。推倒重建和切割炉壳改造的顶燃式热风炉，因其具体炉型选择存在不确定性，超低排放结果难以统一判定。

综上所述，企业在选择热风炉炉型时，应当根据自身的实际条件，综合考虑投资成本、施工周期、风温效果、使用寿命和环保性能等多重因素，选择最适合自身发展需求的炉型。如果企业资金充足、施工周期允许，可以选择推倒重建的方案；如果企业要求施工周期极短，且对风温效果和环保性能要求较高，则可以选择炉壳利旧顶燃改造的方案。而在必须推倒重建的情况下，选择优化改进的悬链线顶燃式热风炉同样是最佳方案。

通过悬链线顶燃式与炉壳利旧悬链线顶燃式或优化改进的悬链线顶燃式结构特征的对比可以发现，改进后的类似炉壳利旧的悬链线顶燃式热风炉结构，与所有类型顶燃式热风炉结构相比，具有风温高、CO排放低、NOx排放低、效率高、结构稳定、长寿等特点，是未来普及发展中极具代表性的顶燃式热风炉炉型之一。（中国冶金报）