ISP流程中热风炉的优化设计

陈艳梅

(长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南 长沙 410011)

设备及自动化

ISP流程中热风炉的优化设计

陈艳梅

(长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南 长沙 410011)

介绍了ISP流程中热风炉的优化设计。ISP流程中配置的3台热风炉，融合了国内外炼铁厂热风炉广泛应用的多项先进技术、结构形式和砌筑特点， 通过技术改进和挖潜，提高了格子砖的利用率，使热风温度达到950 ℃以上。

ISP； 热风炉； 格子砖； 热风温度

0 前言

ISP作为一种火法炼锌工艺，具有热烧结块、热焦炭、热风的特点。热的烧结块由烧结机直接供给，入炉前保温；热焦炭是焦炭预热器利用低热值煤气预热到800 ℃；用于ISF的热风温度都高于900 ℃，八户和杜依斯堡已达1 150 ℃[1]。

目前热风炉的结构形式多样，按照热风炉燃烧分类有外燃式、内燃式、顶燃式[2]。内燃式有考贝式、霍戈文式等。在有色冶金行业，热风炉主要应用于ISP工艺流程，通常ISF配有3座内燃式热风炉，低热值煤气作燃料，仅在开炉时使用天然气、发生炉煤气、重油等辅助燃料点火。随着技术的进步，以及对热风温度影响认识的不断深化，对热风炉结构的优化已成为工程技术人员的研究课题。

1 热风炉结构的优化设计

本设计对于国内已建ISP流程中的热风炉，采用“两烧一送”的一列式布置形式，其结构如图1。

图1 热风炉结构图

该热风炉主要结构优化设计如下：

(1)采用矩形陶瓷燃烧器。煤气走中间，空气走环边，煤气与空气流交角30°；多孔空气出口，使空气、煤气混合均匀，保证煤气快速、完全燃烧；缩短了火焰长度，消除了燃烧不均匀造成的脉动现象，减小对隔墙的破坏，延长使用时间。与此同时，由于过剩空气系数小，燃烧强度高，可获得更高温度的热风。

(2)热风炉炉箅子及其支撑系统均采用新型结构形式。本设计材质为含铬耐热铸铁，能在600 ℃的温度下长期安全使用。梅花型炉箅子，提高通孔率；箱形横梁结构，提高稳定性。炉箅子及支柱的布置根据蓄热室断面形状而定，每根支柱荷载一致，横梁的布置方向与热风炉组中心线平行，增加炉箅子及支柱的整体稳定性和水平度，同时有利于安装和调整。冷风入口的正前方布置一根支柱，形成气流紊乱，利于冷风均匀地在蓄热室分布。

(3)采用复合型火墙。火墙一直是热风炉的薄弱环节，容易烧穿、开裂，特别是下部火墙产生裂缝后，燃烧室和蓄热室产生短路，即串风现象，导致热风炉休风。本设计中，火墙内外两侧砌体采用带凹凸槽结构，并设置滑动缝，形成板块结构，既增加稳定性，又能在温度变化引起膨胀和收缩不均匀时自由滑动。此外，两侧砌体之间增设隔热砖，以减小两侧温差大对火墙造成的损害；同时，在隔墙中间增设鱼鳞形的不锈钢板，以减小火墙开裂时短路的可能性。热风炉下部火墙结构见图2。

图2 热风炉下部火墙结构

(4)悬链式拱顶。热风炉投产后，拱顶处在周期性的动态变化过程中。拱顶每一层砌体的径向膨胀，送风期与燃烧期的压力变化，以及热风炉投产升温期和停炉、凉炉过程中，拱顶产生位移。悬链式拱顶设计是将拱顶和热风炉大墙完全分开(见图3)，火墙和垂直边墙能够自由膨胀，不对拱顶施加任何不均匀的作用力或运动。拱顶的重量由设在炉壳内壁的金属托架分层支撑，拱顶在其基座上做径向膨胀，避免了拱顶内衬与墙体相对位移产生阻力破坏作用。此外，悬链式拱顶还具有温度场分布合理，蓄热室断面烟气分布均匀，格子砖利用率高等优点。

图3 悬链式拱顶结构

(5)设置热管换热器。利用热风炉排烟余热，将低热值煤气和空气预热到160 ℃以上，以回收余热，提高炉子热效率，更可提高风温100 ℃以上。而鼓风温度每提高100 ℃，可提高产量约5.5%或节约焦炭约4%。以韶关冶炼厂现有的两套15万t/a生产粗锌的ISP流程为例，若将热风温度从950 ℃提高到1 150 ℃，产量提高8%，并节约焦炭1.1万t/a[2]。

2 主要设计指标

热风炉的主要设计指标见表1。

表1 热风炉的主要设计指标

3 热风炉耐火材料的选择与炉体的砌筑

3.1 热风炉耐火材料的选择

热风炉墙体的破损主要集中在高温区，如燃烧室火墙倾斜、倒塌；上部边墙变形；拱顶龟裂、掉砖；热风出口掉砖等。因此，拱顶、热风炉上部边墙、火墙的耐火材料，应具有较好的蠕变指标、较小的重烧线变化、较高的荷重软化点、较强的耐气流冲刷的性能。本设计根据热风炉各部位的温度分布状态，选用不同材质的耐火材料，在高温工作层选用高温低蠕变砖高铝质耐火砖。这种耐火砖加入了莫来石质耐火材料， 1 450 ℃时的蠕变率(0.2 MPa×50 h)仅为0.521%，其主要性能见表2。

表2 高温低蠕变高铝砖理化性能指标

3.2 热风炉的砌筑

为防止热风炉格子砖在使用过程中出现错位、倾斜、倒塌等现象，同时为提高热风炉蓄热能力，改善其热工特性，格子砖采用高效七孔格子砖，七孔格子砖上、下带有环形子母扣，采用交错砌筑，即每三层一错台，相互咬砌，以提高格子砖砌体的整体稳定性。

燃烧室大墙、隔墙和蓄热室大墙全部为独立结构。蓄热室大墙和隔墙及整个燃烧室内环采用带“凹凸槽”的砖型咬砌，并将砌体分别分为若干板块单元，板块间设有膨胀缝和滑动缝，使板块可以自由地上下移动。隔墙与燃烧室大墙、蓄热室大墙相交处设计了特殊的迷宫膨胀缝，使各板块砌体可以自由滑动吸收耐火砖的膨胀，消除两板块间的膨胀差。燃烧室内环眼角部位采用方砖互锁砌筑，并留设膨胀缝，确保该部位的密封性和结构稳定性。蓄热室大墙与隔墙相交处采用错缝砌筑，不但保证了砌体的稳定性，还有效地利用了蓄热室边角空间。由于热风炉隔墙的工作环境非常恶劣，隔墙断面方向、高度方向存在较大温度梯度，膨胀程度不同产生的应力引起隔墙倾斜、开裂。对此，本设计增加到隔墙厚度约670 mm，分三环，每环之间留膨胀滑动缝填充耐火材料，并在燃烧室下部内外环间增加一层隔热砖(轻质粘土砖)，以降低内外环砖之间的温度梯度，减小应力作用。

热风炉大墙与拱顶砌体之间，采用迷宫滑缝形式的干砌，滑缝间填塞针刺耐火纤维毡，以保证大墙和拱顶砌体自由膨胀，且保持密封，避免高温炉气直接冲击炉壳。

针对热风管道三叉口、热风出口、煤气入口、助燃空气入口、烟道口等部位容易塌陷、损坏的问题，本设计广泛应用组合砖，在管道组合砖上半部，砖与砖之间都带有子母扣互锁，使整个管道的稳定性大大增强，解决了影响热风炉寿命的薄弱环节，延长了热风炉的寿命，杜绝因管道等易损部位损坏导致无法正常生产。

4 结语

设计完成之后，经过精心制作、安装、砌筑，该热风炉在陕西宝鸡年产10万t精铅锌冶炼厂顺利投产，并且运行正常。从实际生产情况看，该热风炉具有的优势如下：

(1)设计中采用新的大墙、火墙及拱顶结构，延长了热风炉使用寿命。

(2)矩形陶瓷燃烧器和热管换热器等技术的应用，对提高热风炉送风温度具有良好的效果，热风温度≥950 ℃，从而提高了鼓风炉产量，降低了焦炭消耗。

(3)在ISP流程中使用内燃式热风炉，占地小，投资少。

[1] 张乐如.铅锌冶炼新技术[M]. 长沙: 湖南科学技术出版社,2006.

[2] 张树勋.炼铁厂设计原理[M].北京：冶金工业出版社，2009.

Design and application of hot blast stove in the ISP process

CHEN Yan-mei

This paper introduced design and application of hot blast stove in the ISP process. Three hot blast stoves configured in the ISP process absorbed a number of advanced technology, structural form and masonry characteristics applied in hot blast stove of iron-making plants at domestic and foreign. Through improving technology and potential taping, the utilization rate of the checker brick was improved and the hot blast temperature reached over 950 ℃.

ISP; hot blast stove; checker brick; hot blast temperature

陈艳梅(1985—)，女，陕西榆林人，硕士，工程师，从事有色冶金工业炉窑的设计研究工作。

2015-08-13

2015-11-27

TF813

B

1672-6103(2016)01-0056-03