我国热风炉及耐火材料的技术发展与建议

李庭寿 张颐 魏新民 姚朝胜

随着现代炼铁技术的进步，高炉向大型化、长寿化和高效低能耗方向发展。据统计，在我国现有1370余座高炉中，大于1000m3容积的高炉约有227座，比2009年增加了36座。4000m3容积以上特大型高炉约20座，占世界4000m3容积以上高炉的约40%。沙钢5800m3高炉于2009年10月21日投产，首钢京唐钢铁公司曹妃甸1#、2#5500m3高炉分别于2009年5月21日和2010年6月26日顺利投产。首钢京唐钢铁公司曹妃甸5500m3高炉应用了高炉煤气布袋式全干法除尘、TRT发电、无料钟炉顶、先进的煤粉喷吹系统、BSK顶燃式热风炉等68项自主创新和集成创新的先进技术，打破了国外公司对特大型高炉及炉顶设备的技术垄断，投产以来，高炉利用系数、送风温度、燃料比、焦比等主要技术经济指标为我国特大型高炉最好水平，达到国际领先水平。

高炉炼铁技术的飞速发展，与高风温、长寿化、高效低能耗的热风炉的技术进步密切相关。本文概括总结了热风炉与耐火材料的技术发展历程，分析讨论了热风炉用耐火材料的损毁机理和性能要求，探讨了热风炉技术的发展方向和热风炉用耐火材料的品种配置。对顶燃式热风炉用耐火材料的品种配置、质量要求和硅砖热风炉的烘炉、凉炉技术等进行了介绍。

1.热风炉向高风温、长寿命、低能耗、高效化方向发展

1.1 热风炉的结构特点及类型

热风炉是为高炉加热鼓风的设备，是一种蓄热式的热交换器，用于预热向高炉鼓的风，为高炉的高效操作提供稳定的高温度的热风。热风炉的风量、风温应满足高炉炼铁的需要。风温是高炉炼铁的廉价能源，高风温是实现高炉炼铁高效化和低能耗的重要手段之一。提高凤温可显著增加高炉喷煤量，降低焦比，降低燃料比，减少CO2排放量，降低生铁生产成本。目前，国内外普遍采用了高风温热风炉技术，平均风温在1100～1250℃，个别达1350℃。我国重点企业的风温平均为1158℃（2009年）、1152℃（2010年上半年）。

根据热风炉的燃烧室和蓄热室的布置结构不同，热风炉一般可分为内燃式、外燃式和顶燃式3种类型。目前，3种类型热风炉在我国并存（包括特大型、大型、中型及1000m3以下的高炉）。内燃式热风炉分为普通内燃式和DANIELI CORUS（原荷兰霍戈文公司）改进型内燃式热风炉；外燃式热风炉分为地得式（Dider）、考柏式（Koppers）和马琴式（M&P，Matia and Pagenstecher）；顶燃式热风炉分为卡卢金（Kalugin）顶燃式（包括首钢与卡卢金联合开发的5000m3级高炉顶燃式热风炉的专利技术BSK）和山东省冶金设计院股份有限公司（简称SDM）改进式顶燃式（发明专利）。

1.2 我国热风炉的发展

1) 1950年以来，热风炉主要是传统的普通内燃式热风炉，至今许多中小型高炉还在使用普通内燃式热风炉。该炉型比较适应拱顶温度＜1320℃、风温＜1100℃的生产要求，但不能适应和满足高风温、高风压等技术发展要求。

2) 1969年，DANIELI CORUS开发出改进型内燃式热风炉，在欧美等国家得到成功应用。改进型内燃式热风炉是对传统内燃式热风炉的重大优化和改进，也称之为高风温长寿热风炉。1980年后，引入我国。

改进型内燃式热风炉，其关键技术是使砌体结构有可靠的高温稳定性。热风炉拱顶砌砖形状设计为悬链线形，改善砌体受力条件，提高结构稳定性，同时，有利于高温烟气流在蓄热室端面上的均匀分布；拱顶与大墙砖结构脱开，其载荷由炉壳承受，使两者的膨胀互不影响，改善拱顶砌体的受力状态；采用矩形陶瓷燃烧器确保煤气与空气充分混合均匀，消除燃烧的脉动并提高蓄热室的有效面积。

通过合理设置的膨胀缝和滑动节点，使墙体成为独立的板块结构，既保持砌体结构的独立性和密封性，又不产生破坏性应力。在隔墙砌体的中下部设置高性能的隔热砖，以提高隔墙两侧的温度梯度，并在隔墙冷面设置特殊结构的不锈钢板，提高隔墙的结构稳定性与气密性；另外，在砌体和开孔部位广泛采用组合砖，以提高易破损部位砌体结构的稳定性、气密性。蓄热室采用带凹凸槽的高效格子砖。

我国炼铁科技工作者于1970年代，开始研发高温改造内燃式热风炉。受当时技术水平和耐火材料制造技术与成本等限制，燃烧器、隔墙和送风系统等问题没能很好解决，最终还是引进了改进型内燃式热风炉。实际上，我国引进建设的改进型内燃式热风炉，所用的耐火材料都是我国耐火材料企业生产的。

本钢 3#2600m3、新 1#4747m3、8#4350m3、邯郸2座 3200m3、武钢 4#2200m3、5#6#7#3座 3200m3、鞍钢1#2580m3、鞍钢9#3200m3、新1#3200m3、唐钢2000m3、2560m3等高炉均采用了改进型内燃热风炉，平均风温为1150-1200℃。

3) 国外于1960年代推广外燃式热风炉。日本、德国等通过使用陶瓷燃烧器，外燃式热风炉的风温可达1300-1350℃。1980年以来，我国开始应用外燃式热风炉，风温和寿命均得到明显提高。

外燃式热风炉是内燃式热风炉的进化与发展，外燃式热风炉将燃烧室移至炉外，燃烧室和蓄热室纵向平行设置在两个筒体内，拱顶用联络管连接；拱顶和燃烧室顶部联接方式的变化（即燃烧室顶部与蓄热室顶部间的连接结构不同），形成了不同类型的外燃式热风炉。起初，炉型分为地得式、马琴式和考柏式三种类型。后来，新日铁在马琴式和考柏式基础上开发了新日铁式（NSC）。其主要特点是：蓄热室拱顶与燃烧室拱顶的直径大小相同，减小了拱顶下部砌体的荷重；拱顶结构对称，烟气在蓄热室中分布均匀，传热效率提高。发展演变到现在，外燃式热风炉主要有地得式和新日铁式两种类型。

宝钢 1#4966m3、2#4706m3、3#4350m3、4#4747m3等高炉的热风炉均为新日铁式外燃式热风炉。近年来新建的天钢2200m3、太钢4350m3、鞍钢10#2580m3、马钢新区2座4000m3等高炉也都采用了新日铁式外燃式热风炉。鞍钢鲅鱼圈2座4038m3、沙钢5800m3等高炉采用PW-DME外燃式热风炉。外燃式热风炉的送风风温可达1200～1350℃。

4) 2000年以后，顶燃式热风炉得到高度重视，并迅速在我国推广。迄今，全世界共有近100座不同容积的高炉采用了顶燃式热风炉，得到了业内的高度认可。SDM和北京钢协冶金科技发展有限公司完成的“大型高炉顶燃式热风炉的研究与应用”成果，获2007年度冶金科学技术进步三等奖。从2004年开始，顶燃式热风炉作为行业的共性关键技术，中国钢铁工业协会在全国进行推广。

近2年来，我国在1000、2000、3000m3级高炉成功采用顶燃式热风炉基础上，又在4000m3级及以上的特大型高炉上成功开发和应用了顶燃式热风炉，达到国际领先水平，成为迄今为止掌握特大型高炉顶燃式热风炉技术的唯一国家，也是首次成功将顶燃式热风炉应用于4000m3级和5000m3级特大型高炉的国家。SDM给莱钢设计的1座4000m3高炉于2010年3月18日投产，配置了4座顶燃式热风炉，纯烧高炉干法煤气，利用烟气余热对煤气和助燃空气进行预热，送风风温为1230～1250℃。首钢与卡卢金联合开发的曹妃甸2座5500m3高炉的BSK顶燃式热风炉，投产至今，运行效果很好。1座5500m3高炉配置4座顶燃式热风炉，纯烧高炉干法煤气，预热煤气和助燃空气，送风风温稳定达到1300℃。

顶燃式热风炉可理解为外燃式热风炉的一种特殊形式，即把燃烧室缩短到极点后把燃烧器倒置的结构。

1979年，首钢开发出了顶燃式热风炉，并在国际上首次成功将顶燃式热风炉应用于1000m3以上的高炉（1979年，首钢2#1327m3高炉配置了4座顶燃式热风炉），最高风温曾达1200～1250℃。但由于将热风出口、燃烧器、高温燃烧区都集中在拱顶，其结构较大且复杂、薄弱环节多；热风炉的主要设备也都布置在拱顶周围，使热风炉拱顶周边结构更加复杂化并给操作带来困难，导致顶部结构强度差，炉壳温度高，拱顶温度只有约1200℃，长期稳定运行的风温较低，一般约1100℃，因而首钢的顶燃热风炉没有得到进一步发展。后来的卡卢金小拱顶顶燃式热风炉很好的解决了上述问题。卡卢金顶燃式热风炉于1990年代中后期在俄罗斯和乌克兰的1386～3200m3的高炉上得到应用，2000年初开始引入我国。2002年，SDM结合我国国情和耐火材料特点，在卡卢金基础上开发出了具有自主产权的改进式顶燃热风炉（2004年获批发明专利200410071143.8—预燃室带隔热层的顶燃热风炉）。卡卢金或SDM的顶燃式热风炉，自上到下主要由预燃（混）室、燃烧室（拱顶）、蓄热室3部分组成，具有结构简单、稳定性好、气流分布均匀、布置紧凑、占地面积小、投资省、寿命长等优点。煤气、空气经预燃室混匀后直接在拱顶内燃烧，高温热量集中，热损少，热效率高，较低的拱顶温度便可获得高的风温。耐火材料的工作条件得到大大改善，上部温度高，荷重小；下部温度低，荷重大，配置的耐火材料品种明显减少，组合砖数量及复杂程度显著降低，硅砖得到大量应用。

2008年发布的国家标准《高炉炼铁工艺设计规范》(GB50427-2008)要求:新建或改造的热风炉要能够提供1200℃以上的风温，其寿命要达到20-25年；3000m3级高炉采用内燃或外燃式热风炉，4000m3级及以上高炉采用外燃式热风炉。实际上，近年来新建的3000 m3级及以上的高炉中很多都采用了顶燃式热风炉，并取得了良好效果。

采用SDM技术建设投产的顶燃热风炉有： 莱钢3座 1080m3、2座 2240m3、4000m3，通钢 7#2680m3，攀钢1280m3，杭钢1280m3，凌钢1080m3，重钢750m3、2座2500m3、1座2500m3在建，印度电钢公司2座1080m3等高炉（SDM设计或总包）。采用卡卢金技术建设投产的顶燃热风炉有：莱钢750m3高炉（SDM设计总包），济钢3座1750m3（济钢设计院设计）；天钢3200m3，湘钢2200m3，唐钢3200m3，兴澄3200m3、济钢3600m3等高炉（北京钢铁设计院设计）；安钢2800m3高炉（武汉钢铁设计院设计）；首秦1160m3、2200m3、国丰1800m3等高炉（首钢设计院设计）。首钢设计院与卡卢金合作以首钢设计院为主开发设计投产的曹妃甸2座5500m3高炉BSK顶燃式热风炉。顶燃式热风炉的送风风温可以达到1200～1300℃。

1.3 3种热风炉炉型的简单比较

相比内燃式（包括改进型）和外燃式热风炉，顶燃式热风炉结构对称、最为简约合理，工程量小、占地少，投资和维护费最低。壳体内面积有效利用最高，大墙内断面积可100%用于蓄热。较低的拱顶温度便可实现高风温，耐火材料工作条件明显改善，可同时做到高风温和长寿命。近年来，我国新建高炉中已有相当的比例选择了顶燃式热风炉，为了提高风温，内燃式热风炉改造为顶燃式已成为首选。顶燃式热风炉已经成为热风炉技术发展的主要方向。

改进型内燃式热风炉的燃烧室与蓄热室纵向平行设置在一个壳体内，大墙内用于蓄热的断面积仅为约67%；耐火材料工作条件较差，质量要求苛刻。

外燃式热风炉燃烧室外置，占地面积大，耐火材料和钢材消耗量大，基建工程量大，投资高。采用联络管与蓄热室相连接，结构复杂，耐火材料尤其拱顶联络管、联络管端口、陶瓷燃烧器等制造困难、复杂、造价高。炉体结构受力不均匀，长寿命较困难。

有关的研究表明，当拱顶温度≥1420℃时，煤气燃烧后会生成大量的NOx、SOx等酸性气体。与大气中的水分或炉壳内的冷凝水反应生成强酸腐蚀剂，不仅污染环境，还腐蚀耐火材料和炉壳，尤其是炉壳一直处于高应力工作状态，导致严重的炉壳的晶间应力腐蚀。解决的办法是，或控制拱顶温度不超过1420℃，或炉壳内壁使用耐酸涂料或不锈钢薄板隔层，并对焊缝进行退火处理，但难度大且增加投资。外燃式和改进型内燃式热风炉，拱顶温度与送风风温间的温差一般为200℃左右，为获得高风温，拱顶温度一般＞1450℃，必须考虑解决NOx、SOx等酸性气体对环境的污染问题，炉壳的晶间应力腐蚀问题，以及耐火材料的侵蚀问题等。顶燃式热风炉的拱顶温度与送风风温间的温差一般≤100℃，较低的拱顶温度便可实现高的风温。例如，曹妃甸5500m3高炉，其顶燃式热风炉的拱顶温度≤1420℃，送风风温为1300℃，拱顶温度与送风风温间的温差≤120℃。莱钢4000m3高炉，其顶燃式热风炉的拱顶温度≤1350℃，送风风温为1230～1250℃，拱顶温度与送风风温间的温差≤100℃。因此，顶燃式热风炉的拱顶温度较低，产生的NOx、SOx等酸性气体量较少，可明显降低NOx、SOx等酸性气体对环境的污染、炉壳腐蚀以及侵蚀耐火材料的程度。

1.4 高炉配置热风炉的座数

高炉一般配置3～4座热风炉。 配置4座热风炉，交错并联送风，炉役中后期，一座热风炉出现故障检修情况下，采用3座热风炉工作，使高炉热风温度不致出现过大的波动，但配置4座热风炉将明显增加投资，增加占地面积。

随着热风炉技术与配套设备、耐火材料发展，热风炉设计日趋完善，控制系统日益成熟可靠，耐火材料不断优化质量更高，施工安装大直径热风炉的技术与手段不断完善，高风温和长寿热风炉的技术日趋完善，热风炉操作也更加平稳可靠，热风炉不再是影响高炉稳定操作的限制性环节。一座高炉配置3座热风炉应成为发展的方向。

我国目前已投产的高炉，小于4000m3的高炉大多采用了3座热风炉的配置，大于4000m3的特大型高炉多数配置4座热风炉。近2年投产的特大型高炉中，例如，曹妃甸5500m3、莱钢4000m3等高炉配置了4座顶燃式热风炉，济钢3600m3高炉配置了3座顶燃式热风炉，沙钢5800m3高炉配置了三座PW-DME外燃式热风炉。高炉配置三座热风炉，采用二烧一送的送风制度，风温调节控制依靠混风实现。

2.热风炉用耐火材料的发展

2.1 耐火材料的损毁机理

1) 热应力

热风炉是交换器，反复加热和送风，耐火材料长期处于冷热交替的工作状态，受到热应力的反复作用，造成砌体容易开裂、裂纹扩展、剥落。对应措施是要求耐火材料的抗热震性能要好。

2) 化学侵蚀

高炉煤气燃烧后，一方面生成的低熔点的灰分附着于砌体的表面，高温下形成低熔点的玻璃液相，或与砌体内低熔点杂质相反应；另一方面产生的NOx、SOx等酸性气体，高温下与耐火材料组分发生化学反应。二者均能导致耐火材料的侵蚀，耐火材料组织结构的破坏，损坏炉子砌体。对应措施是选用纯度高、杂质含量少尤其是碱性氧化物如K2O、Na2O、CaO等杂质含量少的酸性或偏酸性耐火材料。

3) 高温下的机械载荷作用 。

热风炉是一种较高的建筑物，燃烧室下部砌体承受着很大的整体载荷，在机械载荷、高温、温变和化学侵蚀等的同时作用下，砌体发生收缩变形、开裂、剥落，影响使用寿命。对应措施是高温区的耐火材料的抗蠕变性能、抗热震性能等性能要好，中低温区的耐火材料的强度要高。

2.2 热风炉用耐火材料品种的演变

根据耐火原料资源特点和使用要求，我国耐火材料工作者，持续研发，成功开发出并应用了许多耐火材料新品种，适应并满足了我国热风炉技术的不断发展要求，并成为世界上最大耐火材料出口国家。

1）1980年以前，热风炉的高温区主要使用普通高铝砖，中低温区使用普通黏土砖。

2）1980年到1990年代末，我国成功开发出1250～1550℃系列低蠕变高铝砖和1200～1450℃系列低蠕变黏土砖，替代高铝砖和黏土砖得到广泛应用。热风炉高温区的部分区域开始采用硅砖和硅砖格子砖。

3）2000年后，硅砖取代低蠕变高铝砖用于拱顶和上部高温区的蓄热室等高温区的部位，热风管道采用低蠕变高铝砖或红柱石砖。顶燃式热风炉的高温区（约＞900℃以上区域）全部采用了硅砖和硅砖格子砖。有的设计院在顶燃式热风炉蓄热室的中部区域的高温和低温过渡区，也设计采用了一定高度的低蠕变高铝砖作为过渡带。顶燃式热风炉成功采用19孔或37孔格子砖取代传统的7孔或9孔格子砖后，在内燃式和外燃式热风炉中也开始推广采用。

2.3 耐火材料设计选材的原则建议

优化设计、合理配置，依据我国耐火资源特点和耐火材料的各项性能综合选材。

1）将高温区上移，并选择配置质量相对较轻、高温性能合理的耐火材料，尽量减轻中上部高温区耐火材料的质量。

2）以满足高风温、长寿命为目的，根据热风炉不同部位的使用要求和损毁机理，依据耐火材料的高温体积稳定性、高温荷重蠕变性、热膨胀性、换热效率和化学侵蚀性能等，以及不同材质品种的高温热学性能、高温力学性能等性能的相互匹配性和相容性，综合选材、合理配置。设计者应该熟悉了解耐火材料的主要生产工艺和产品性能，做到选材科学合理，“量体裁衣”，避免为了设计“安全”而盲目追求过高（余）的性能指标或选材配置不当，使热风炉的投资“人为”加大或因配置不当而降低寿命。

3）选用酸性或偏酸性耐火材料。中高温区应全部设计为优质硅砖，取代高温区用低蠕变高铝砖的传统设计；中低温区全部为高强度优质黏土砖。

硅砖属酸性耐火材料，其荷软温度、抗蠕变性能、高温抗热震性能和高温体积稳定性等各项高温性能指标均比低蠕变高铝砖好的多，在中高温区完全可以全部取代低蠕变高铝砖。硅砖价格约为低蠕变高铝砖的30%；硅砖的体积密度约为低蠕变高铝砖的67%（1500℃低蠕变高铝砖墙砖体积密度为2.75g.cm-3，硅砖为1.85g.cm-3）。同样体积的硅砖取代同样体积的低蠕变高铝砖后，将减少单座热风炉约33%的自身质量，降低单座热风炉耐火材料投资约70%。显著减轻中下部耐火材料的荷重，大幅度降低热风炉的投资。

我国优质硅石原料和优质黏土（包括焦宝石）原料丰富、质量好。近年来，由于我国炼铝行业的快速膨胀发展，优质铝钒土矿多已被炼铝行业或地方政府“征用、占用”，耐火材料用优质高铝钒土资源已近“枯竭”，不多的高铝钒土熟料（包括均化料）价高货紧，低蠕变高铝砖的生产已近“无米下锅”，在目前价格被“招标”压得很低情况下，难以采购到“真品”。合格的低蠕变高铝砖价格，目前应不低于10000元/吨。

有的设计单位或企业，在顶燃式热风炉的蓄热室的中部一定高度区域内，即硅砖与黏土砖之间，设计采用了一定高度的低蠕变高铝砖（包括大墙和格子砖），名曰过渡层，并宣传为“技术亮点”，实际上有害无益。所谓过渡层的最高温度一般＜1100℃，配置高牌号的1450℃以上的低蠕变高铝砖，不仅增加投资，还因为低蠕变高铝砖的抗热震性能＜黏土砖＜硅砖，抗NOx、SOx等酸性气体的侵蚀能力＜黏土砖＜硅砖，低蠕变高铝砖的体积密度＞黏土砖＞硅砖，导致自上到下，硅砖、低蠕变高铝转、黏土砖的高温热学、化学和高温力学等性能上的不匹配，并额外增加了下部黏土砖的荷重。所以，所谓的配置低蠕变高铝砖过渡层的做法，对提高热风炉的寿命和降低热风炉的投资等均无益处。

3.热风炉的发展建议

3.1 采用顶燃式热风炉，强化燃烧能力，提高燃烧效率，加大单位风量换热面积，强化换热效率，缩短送风时间（30～45min），有效回收废气热量，提高总的热效率。

3.2 采用单一高炉干法除尘煤气作为燃料，充分利用废气的余热对煤气、助燃空气进行预热。在确保送风温度≥1250℃的前提条件下，控制顶燃式热风炉的拱顶温度≤1400℃，缩小拱顶温度与送风凤温间的温差为≤100℃。

3.3 选择酸性或偏酸性耐火材料。中高温区采用优质硅砖，中低温区采用高强度优质黏土砖。蓄热体采用19孔或37孔格子砖。热风炉耐火材料的寿命≥25年。

3.4 一座高炉配置3座热风炉。特大型高炉也应向配置3座热风炉的方向发展。

4.顶燃式热风炉用耐火材料

4.1 顶燃式热风炉结构特点

综合卡卢金和SDM的专利技术，顶燃式热风炉的结构如图1所示。可见， 顶燃式热风炉的结构简约合理，自上到下，由预燃室、燃烧室（拱顶）、蓄热室3部分组成。

预燃室（空气－煤气的预混室，不在此处燃烧），设置在燃烧室（拱顶）上部，独立支撑在炉壳上；煤气与助燃空气以最佳角度、最佳速度、涡流喷射方式进入预燃室、均匀混合，然后通过烧嘴进入拱顶燃烧室内完全燃烧，燃烧后的高温热量，在蓄热室内形成均匀的横向温度分布和纵向温度场，蓄热换热效率高。热风出口位于拱顶内的下部，格子砖砌体以上的位置，与热风管道相连接。较低的拱顶温度与送风温度间的温差（＜ 100℃），便可实现高的送风温度。冷风入口与废气出口位于热风炉的底部。

图1 顶燃热风炉结构示意图

预燃室分内腔、环腔和内衬3部分，环腔分为上部环腔（供应煤气的煤气环腔）和下部环腔（供应空气的空气环腔）；内衬包括第一内衬（设置于内腔与环腔之间）和第二内衬（上部环腔与下部环腔之间）。预燃室内墙为锥型结构，在预燃室与拱顶（燃烧室）之间设置可移动的隔热层，降低对预燃室的热辐射。

顶燃式热风炉的上部，属于高温区，耐火材料承受的载荷较小；下部属于低温区，耐火材料承受的载荷较大。

4.2 顶燃式热风炉各部位耐火材料的品种配置的建议

我国现有的热风炉用耐火材料的标准，都是针对内燃式热风炉（包括改进型）和外燃式热风炉制定的，没有单独的顶燃式热风炉用耐火材料的标准，基本是参照或直接采用卡卢金和我国现有标准进行顶燃式热风炉耐火材料的选材设计。顶燃式热风炉与内燃式（包括改进型）和外燃式在设计结构上有很大不同，各部位用耐火材料的工作条件得到很大改善，卡卢金的前苏联标准也不适合我国国情。因此，需要在现有热风炉用耐火材料的标准基础上，进行完善修订，形成具有我国耐火资源特点的，适合顶燃式热风炉使用要求的耐火材料规范或标准。

根据多年来对顶燃式热风炉的设计及所用耐火材料的研究和生产供货经验，从满足高风温、长寿命和降低投资并结合我国耐火原料资源、产品特点等综合考虑，顶燃式热风炉各部位用耐火材料的品种配置、主要性能指标建议如下：

1）设计要求

纯烧高炉干法煤气，利用废烟气余热进行双预热。正常生产时，拱顶工作温度≤1400℃，送风温度≥1250℃，拱顶温度与送风温度间的温差≤100℃。耐火材料一代寿命＞25年。

2）预燃（混）室

工作温度＜1000℃，工作层耐火材料主要受煤气、空气高速冲刷的作用，以及拱顶燃烧室内煤气燃烧后产生的高温热辐射作用等。

环腔、管道和外环等部位的材质，建议采用优质黏土砖HRN-42，主要性能指标为：Al2O3≥42%，Fe2O3≤1.5%，体密≥2.15g.cm-3，荷软≥1450℃，热震≥25次（1100℃水冷），1200℃蠕变≤0.2%，1200℃2h的重烧线变化为±0.2%，常温耐压强度≥50MPa。优质黏土砖的生产应以优质焦宝石（特级和一级）和结合黏土为主原料进行生产。

烧嘴采用抗热震的莫来石--堇青石复合砖MG-60，主要性能指标为：Al2O3≥60%，K2O+Na2O≤0.5%，体积密度≥2.35g.cm-3，荷软≥1500℃，热震≥50次（1100℃水冷），1450℃2h的重烧线变化为±0.1%，常温耐压强度≥50MPa。

外保温砖选择轻质黏土砖NG-0.8。

环腔、外环和烧嘴等必须加工、组合、预砌筑，单独编号包装。

3）拱顶燃烧室和中上部蓄热室

拱顶燃烧室燃烧时的最高温度≤1400℃，送风时温度降至最低约1250℃，拱顶耐火材料长期受到燃烧、送风、燃烧的温度周期波动变化的温变热应力作用。中上部蓄热室是指约900～1000℃以上区域。拱顶和蓄热室的中上部的温度范围内，适合使用硅砖，因此，拱顶砖和中上部蓄热室的大墙砖和格子砖（19孔或37孔），全部采用优质硅砖。外墙保温砖为轻质硅砖GGR-1.2。拱顶支撑选择高强度黏土砖HRN-48。

硅砖在约900～1000℃至1670℃荷软温度之间的高温区域，几乎没有收缩变形，始终保持高的强度，高温体积稳定。但当温度降到一定温度以下过程中（理论上约＜700℃），由于硅砖内的高温晶型与低温晶型间的转化伴随着较大的体积变化，将导致硅砖剥落或崩裂。对硅砖性能的主要要求是：SiO2≥95%，K2O+Na2O≤0.5%，Fe2O3≤1.0%，残余石英＜1%，真密度为2.29～2.34g.cm-3, 体积密度≥1.85g.cm-3（格子砖≥1.8g.cm-3），荷软≥1670℃，对高温蠕变性能、抗热震性能、线变化率等可以不作要求。洛阳新安县铁门硅石原料属结晶型硅石，杂质少、荷软高，建议首选以洛阳铁门产的硅石为原料生产的硅砖。

拱顶要求分解设计、预砌筑。热风出口采用硅砖组合砖组装。格子砖要求预砌3～5层进行验收。

拱顶支撑部位不接触高温，主要起对拱顶的支撑作用，因此选择高强度黏土砖HRN-48，要求荷软≥1450℃，常温耐压强度≥60MPa。

4）中下部蓄热室

温度＜900～1000℃以下的区域。大墙和格子砖采用与预燃室相同的优质黏土砖HRN-42。

外保温砖为轻质黏土砖NG-0.8。

炉底以及废气口、冷风口等荷载高的低温区采用优质黏土砖RN-42，主要性能要求：Al2O3≥42%，荷软≥1200℃，热震≥5次（1100℃水冷），常温耐压强度≥50MPa；或着为了减少品种数量，保持与蓄热室中下部用砖在性能上的均匀一致性，直接设计采用与中下部蓄热室相同的优质黏土砖HRN-42。

5）热风管道

热风管道的位置较高，因受到长期的周期性间歇性送风的温度变化作用，是易损部位，常常发生管道烧红、漏风甚至变形破坏，严重影响向高炉输送的热风的风温和稳定性。因此，应高度重视热风管道。进一步优化热风管道的设计；进一步优选抗热震性能好、体积稳定、体积密度较小的耐火材料，优化砖型结构和砌筑方式；强化热风管道尤其弯管的隔热保温。

目前，热风管道砖多采用1500℃低蠕变高铝砖RDL-75（例如RH22）进行加工组合。低蠕变高铝砖的抗热震性能较差，体积密度大（体积密度≥2.75g.cm-3），质量重，价格高。建议选用抗热震性能好的红柱石砖HA-55替代低蠕变高铝砖。红柱石砖的主要性能要求：Al2O3≥55%，体积密度≥2.35g.cm-3，常温耐压强度≥50MPa，荷软≥1550℃，热震≥50次（1100℃水冷），1200℃2h的重烧线变化率为±0.1%。红柱石砖的生产应以优质红柱石并配一定比例的莫来石等为原料进行生产。

6）热风炉砌筑耐火材料的配套火泥，热风炉用的耐火材料喷涂料，热风炉各部位保温隔热用的耐火纤维和纤维喷涂等，对热风炉炉体的寿命、气密性和隔热保温等也非常重要。有关品种配置、性能要求等内容，本文不再赘述。

5.热风炉采用硅砖的基本要求

5.1 硅砖的最低使用温度范围要在＞600℃～800℃以上。根据石英在加热或冷却过程中的晶型转化特点，硅砖在600℃以下时，易发生晶型转化，耐热崩裂性能较差。600℃以上，硅砖的热膨胀率几乎与温度的变化无关。因此，规定硅砖的最低使用温度范围要在＞600～800℃以上，实际上一般按＞900℃进行设计。

5.2 硅砖中的残余石英必须＜1%，以消除在炉役过程中，硅砖中的残余石英和鳞石英、方石英在低温下发生晶型转化。

5.3 硅砖的杂质含量要低，以避免高温使用过程中，硅砖中产生玻璃液相，影响高温性能。洛阳铁门结晶硅石原料杂质少、荷软高，较适合生产热风炉用硅砖。

5.4 热风炉的烘炉制度和休风检修时的降温制度，要严格参照硅砖的烧成、冷却曲线进行。操作过程中，800℃以下要缓慢加热或冷却，以免炉体坍塌。制定温度制度时要有耐火材料供货企业技术人员参加。大型隧道窑有较严格科学的硅砖烧成和降温制度，热风炉选择硅砖时，应选用隧道窑烧成的产品，避免同座热风炉采用多家企业生产的产品。

6.硅砖热风炉的烘炉、保温与凉炉技术

6.1 严格按烘炉曲线进行烘炉

硅砖热风炉烘炉的总要求是严格按烘炉曲线进行烘炉，前期升温速度要慢、平稳，防止升温过程中温度波动，禁止突升突降。如果实际温度超过升温计划，不准降温，只能保温等待。

2000年，攀钢1260m3高炉外燃式热风炉第一次大修时第一次采用硅砖，根据硅砖烧成曲线等综合制定的烘炉制度，烘炉总时间为17.5d，至今为国内最短，此后，攀钢陆续大修的5座高炉的硅砖热风炉的烘炉时间均为20d左右。

2007年9月28日顺利投产的通钢7#2680m3高炉3座顶燃式热风炉，根据工期等计划要求，烘炉时间分别为28d（2#热风炉）和32d（1#、3#热风炉）。

6.2 采用专业烘炉器烘炉，使用油或燃气为燃料，经配风、调节温度后喷入炉内，不允许火焰直接接触耐火砌体，确保烘炉曲线的完整性。

6.3 硅砖热风炉的长周期保温技术

高炉停炉或热风炉检修时，根据停炉时间长短与检修的部位和设备，要采用一定的保温技术，以保持硅砖砌体温度不低于600℃，废气温度不高于400℃。例如，鞍钢采用了燃烧加热保持炉顶温度，送风冷却，控制废气温度的方法，称之为“燃烧加热、送风冷却”保温法。该法是硅砖热风炉保温的一项有效措施。不管高炉停炉时间多长，这种方法都适用。鞍钢10#高炉（1994年）新旧高炉转换，停炉期间，采用该法保温138d，效果好。宝钢1#高炉热风炉也成功地进行了硅砖热风炉的长周期保温。

6.4 硅砖热风炉凉炉再生产技术

硅砖具有良好的高温性能和低温（600℃以下）下的体积不稳定性。过去，硅砖热风炉一旦投入生产，就不能再降温到600℃以下，否则会因突然收缩，造成硅砖砌体的坍塌。经大量试验研究，硅砖热风炉的凉炉和再生产有两种方法：自然缓慢凉炉和快速凉炉。自然缓冷凉炉方法可行，但耗用时间较长，影响施工工期。1985年鞍钢在6#高炉硅砖热风炉上进行了快速凉炉试验，用14d便将炉子成功地凉了下来，并成功地实现了反复再生产。说明硅砖热风炉快速凉炉是可行的，硅砖热风炉可以跨代使用。

7.结语

⑴ 随着热风炉向高风温、长寿命、低投资和高效低能耗方向的发展，热风炉的炉型结构不断优化进步。顶燃式热风炉是重要的发展方向，已得到了广泛重视和应用。我国已成为迄今为止掌握并成功的在特大型高炉（4000m3级和5000m3级）上应用顶燃式热风炉技术的唯一国家，居国际领先地位。

⑵ 顶燃式热风炉结构简约合理，较低的拱顶温度便可获得较高温度的风温。耐火材料的工作条件明显改善，使用的耐火材料品种数量明显减少。酸性或偏酸性的硅砖和黏土砖是两个主要使用的品种。

中上部高温区（＞900～1000℃的区域）全部采用硅砖，中下部中低温区全部采用黏土砖，配置合理。不仅有利于顶燃式热风炉的高风温、长寿命，还可大幅度降低投资，符合我国耐火材料资源特点。

应高度重视热风管道，确保高温度的热风向高炉的稳定输送。进一步研究优化热风管道的设计，优化耐火材料的选材以及砖型结构和砌筑方式，强化热风管道尤其是弯管的隔热保温。

⑶ 热风炉设计工作者应该主动与耐火材料工作者结合，依据我国耐火材料资源特点和产品性能，共同研究选择制定合理的耐火材料品种与配置方案。除对耐火材料的物理化学指标和高温性能指标提出合理要求外，对耐火材料生产用的主要原料和主要工艺装备也应作出合理的限定。

应避免为了所谓的“设计安全”，额外的甚至不合理的提高或增加对耐火材料性能的要求，而不是根据实际热风炉工况，实事求是的去“量体裁衣”，合理配置选材。否则，不仅对热风炉的高风温、长寿命和降低投资不利，还由于当前流行的“最低价中标”的不科学的招标做法，使“中标的价格与设计的产品质量要求不符”，而引发耐火材料供货企业进行“造假、掺假”。“价不实，货必不真”，造成热风炉存在较大的隐患，常常达不到设计要求而提前检修或大修。