一、研究的背景與問題
目前，我國(guó)熱風(fēng)爐高風(fēng)溫技術(shù)發(fā)展過程中存在以下關(guān)鍵難題：
1、我國(guó)高爐風(fēng)溫長(zhǎng)期停滯在1100～1150℃，與國(guó)外先進(jìn)相差約100℃。
2、熱風(fēng)爐燃燒過程因燃燒效率低、能量轉(zhuǎn)化效率低（熱效率＜75%），致使燃耗高、能源轉(zhuǎn)化率低，造成能源浪費(fèi)和煙氣排放總量高。
3、熱風(fēng)爐煙氣超低排放的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格。熱風(fēng)爐煙氣中污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求顆粒物、SO2、NOx排放分別低于10、50、200mg/m3。2021年唐山市頒布新標(biāo)準(zhǔn)：顆粒物、SO2、NOx分別低于5、30、100mg/m3。
4、由于高溫、高壓、高富氧等復(fù)雜操作條件，導(dǎo)致熱風(fēng)爐高溫區(qū)爐殼、高溫高壓管道和關(guān)鍵部位耐火材料，投產(chǎn)3～5年后出現(xiàn)異常破損、安全隱患和運(yùn)行故障，制約提高風(fēng)溫、熱風(fēng)爐壽命和安全運(yùn)行。
5、頂燃式熱風(fēng)爐在燃燒動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域缺乏深入理論研究，對(duì)熱風(fēng)爐燃燒-傳熱過程“三傳一反”機(jī)理研究不足，能量高效轉(zhuǎn)換、燃燒與傳熱、氣體運(yùn)動(dòng)規(guī)律尚未全面掌握；同時(shí)熱風(fēng)爐智能化精準(zhǔn)操控缺乏理論和實(shí)踐深入系統(tǒng)研究。
6、熱風(fēng)爐設(shè)計(jì)技術(shù)體系、冷-熱態(tài)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試方法、熱風(fēng)管道系統(tǒng)、高效蓄熱室、長(zhǎng)壽耐火材料、相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系等多方面仍存在缺陷與弊端，制約了頂燃式熱風(fēng)爐技術(shù)提升和推廣應(yīng)用。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
本項(xiàng)目研究以高爐熱風(fēng)爐低碳綠色、高效長(zhǎng)壽為目標(biāo)，圍繞“雙碳”發(fā)展和超低排放對(duì)高爐及熱風(fēng)爐節(jié)能減排、減污降碳的新要求、新標(biāo)準(zhǔn)，組建聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)10余年系統(tǒng)深入研究。主要研發(fā)內(nèi)容包括：
①基于三維空間渦旋燃燒技術(shù)的頂燃式熱風(fēng)爐的研發(fā)；
?、谔卮笮蜔犸L(fēng)爐超大功率陶瓷燃燒器關(guān)鍵技術(shù)研究；
③頂燃式熱風(fēng)爐關(guān)鍵耐火材料體系的研究；
?、芨郀t熱風(fēng)系統(tǒng)安全長(zhǎng)壽技術(shù)研究；
?、輧?nèi)燃式熱風(fēng)爐改造為頂燃式熱風(fēng)爐的工程化集成創(chuàng)新與應(yīng)用研究；
?、藁跓犸L(fēng)爐耗散結(jié)構(gòu)優(yōu)化的動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)控制模型開發(fā)；
?、邿犸L(fēng)爐高效清潔與超低排放研究。
圖1 主要研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線
項(xiàng)目研究總體技術(shù)思路是通過理論研究及數(shù)字化仿真研究、工程設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究開發(fā)、工程集成應(yīng)用研究多層次-多維度進(jìn)行系統(tǒng)全面的研究攻關(guān)。圖2為項(xiàng)目總體技術(shù)研發(fā)思路。
圖2 項(xiàng)目研究總體技術(shù)研發(fā)思路
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1、研究開發(fā)并應(yīng)用了新一代高效低碳高風(fēng)溫頂燃式熱風(fēng)爐及其關(guān)鍵技術(shù)
提出了基于耗散結(jié)構(gòu)優(yōu)化的新一代頂燃式熱風(fēng)爐高效清潔燃燒理論與技術(shù)；發(fā)明了頂燃式熱風(fēng)爐實(shí)現(xiàn)三維空間渦旋擴(kuò)散燃燒技術(shù)；開發(fā)超大功率高效旋流擴(kuò)散燃燒器及其綜合技術(shù)，燃燒器單體燃燒功率達(dá)到180MW；集成創(chuàng)新了高效低碳清潔燃燒與能源高效轉(zhuǎn)換耦合關(guān)鍵技術(shù)；熱風(fēng)爐燃燒效率達(dá)99.99%，系統(tǒng)熱效率≥85%，熱風(fēng)爐能效比≤1.15。
（1）現(xiàn)代熱風(fēng)爐燃燒理論研究
運(yùn)用現(xiàn)代工程研究方法，研究解析了熱風(fēng)爐燃燒的耗散過程及其規(guī)律?；诤纳⒔Y(jié)構(gòu)理論，以流體力學(xué)、傳熱學(xué)、傳質(zhì)學(xué)、燃燒學(xué)為基礎(chǔ)，建立熱風(fēng)爐內(nèi)物質(zhì)流、能量流模型。在大型工作站上仿真研究熱風(fēng)爐系統(tǒng)物質(zhì)流、能量流傳輸及變化過程，獲得溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)及流場(chǎng)分布并實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)耦合。全面應(yīng)用多種先進(jìn)設(shè)計(jì)計(jì)算方法和實(shí)驗(yàn)手段，實(shí)現(xiàn)在信息流的精準(zhǔn)調(diào)控下，物質(zhì)流、能量流動(dòng)態(tài)有序、協(xié)同高效轉(zhuǎn)換和傳輸。
圖3 燃燒器多模式耦合研究過程
圖4 三維渦旋擴(kuò)散燃燒器仿真研究
（2）超低NOx燃燒熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究
研究解析了熱風(fēng)爐燃燒過程N(yùn)Ox形成機(jī)理及規(guī)律。研究表明，在熱風(fēng)爐高溫燃燒時(shí)，氣相中的N2和O2在燃燒過程生成NOx，屬于熱力型NOx生成機(jī)制（圖5），影響NOx生成要素包括傳質(zhì)、擴(kuò)散、混合、溫度、速度、停留時(shí)間等，但主要受燃燒溫度及氣相成分的影響。其中，隨著氧濃度、助燃空氣溫度和煤氣溫度的提高，NOx生成速率和生成濃度均相應(yīng)升高。
圖5 煙氣溫度對(duì)NOx生成速率及生成量的影響
圖6 操作參數(shù)對(duì)NOx生成速率及濃度的影響
圖7 頂燃式熱風(fēng)爐煙氣中NOx隨時(shí)間和拱頂溫度變化的實(shí)測(cè)曲線
（3）燃燒耗散過程優(yōu)化研究
通過熱風(fēng)爐燃燒實(shí)測(cè)分析，對(duì)比研究燃燒效率、燃燒耗散過程及污染物排放量的關(guān)系（圖8）。研究表明，頂燃式熱風(fēng)爐燃燒效率可高達(dá)99.99%以上，因此頂燃式熱風(fēng)爐煙氣中CO含量極低，測(cè)試的3座頂燃式熱風(fēng)爐煙氣平均CO含量均＜100mg/m3，其中燃燒穩(wěn)定期煙氣CO含量均＜20mg/m3。頂燃式熱風(fēng)爐煙氣中NOx含量總體較低，3座熱風(fēng)爐煙氣NOx含量分別為117.3、95、30mg/m3，因此操作參數(shù)精準(zhǔn)調(diào)控和合理匹配是優(yōu)化燃燒耗散過程的關(guān)鍵要素。
圖8 頂燃式熱風(fēng)爐煙氣中NOx、CO和O2含量變化及關(guān)系
2、創(chuàng)新開發(fā)出頂燃式熱風(fēng)爐高效、低碳、清潔和低排放燃燒技術(shù)
運(yùn)用多場(chǎng)耦合數(shù)值仿真模擬、物理模型實(shí)驗(yàn)研究、熱態(tài)半工業(yè)化試驗(yàn)研究、熱風(fēng)爐實(shí)際運(yùn)行測(cè)試研究等多種研究模式。研究解析了三維空間渦旋擴(kuò)散燃燒型高效燃燒器的氣體擴(kuò)散、混合、傳質(zhì)和燃燒過程，發(fā)明了基于旋流高效燃燒、強(qiáng)化擴(kuò)散混合、低NOx和低空氣過剩系數(shù)的超大功率燃燒器。在風(fēng)溫1250℃條件下，噸鐵熱風(fēng)爐燃料消耗≤1.14GJ/t(折算高爐煤氣消耗370m3/t)，熱風(fēng)爐煙氣中NOx和CO排放量分別≤50mg/m3和20mg/m3。
（1）燃燒過程仿真研究與多場(chǎng)耦合優(yōu)化
針對(duì)新一代頂燃式熱風(fēng)爐技術(shù)研發(fā)，進(jìn)行了三維渦旋擴(kuò)散高效燃燒技術(shù)仿真研究及多場(chǎng)耦合優(yōu)化研究。采用CFD仿真模擬對(duì)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)及流場(chǎng)分布進(jìn)行理論研究和設(shè)計(jì)參數(shù)耦合優(yōu)化。結(jié)合熱風(fēng)爐冷態(tài)、熱態(tài)模型試驗(yàn)研究分析，指導(dǎo)燃燒器設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。
圖9 燃燒過程多場(chǎng)耦合協(xié)同優(yōu)化仿真研究
圖10 三維空間渦旋擴(kuò)散燃燒器流場(chǎng)設(shè)計(jì)與仿真研究
（2）新一代頂燃式熱風(fēng)爐及三維渦旋擴(kuò)散燃燒器研發(fā)
創(chuàng)新燃燒器采用錐-柱復(fù)合結(jié)構(gòu)，煤氣噴口設(shè)置在燃燒器的錐段，空氣噴口設(shè)置在圓柱段。煤氣流與空氣流在燃燒空間內(nèi)，形成多層交叉射流、三維渦旋混合流動(dòng)狀態(tài)，混合氣流經(jīng)過喉口段壓縮整流后，形成負(fù)壓區(qū)流動(dòng)斷面收縮后再旋流擴(kuò)張，優(yōu)化了煤氣和空氣的擴(kuò)散傳質(zhì)進(jìn)程，使得高溫?zé)煔膺M(jìn)入格子磚分布均勻。研發(fā)出三維渦旋擴(kuò)散燃燒技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤氣和空氣在垂直方向上的交叉混合、強(qiáng)化燃燒，拱頂空間流場(chǎng)分布均勻，蓄熱室格子磚表面溫度分布均勻（見圖11）?；诙鄨?chǎng)耦合仿真研究和模型研究，本項(xiàng)目所研發(fā)的三維渦旋擴(kuò)散高效燃燒器溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)分布更加合理，NOx生成大幅度降低（見圖12），在3000m3級(jí)高爐應(yīng)用獲得成功。本項(xiàng)目技術(shù)輸出海外，已推廣應(yīng)用到印度5800m3高爐。
圖11 三維渦旋擴(kuò)散高效燃燒器設(shè)計(jì)模型及其流場(chǎng)特征
圖12 新型頂燃式熱風(fēng)爐仿真計(jì)算全爐NOx分布云圖
（3）超大型熱風(fēng)爐燃燒過程耗散結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究
基于已有技術(shù)成果，針對(duì)超大型頂燃式熱風(fēng)爐燃燒器存在的技術(shù)難題進(jìn)行研究，攻克技術(shù)缺陷和關(guān)鍵技術(shù)難題（見圖13）。優(yōu)化超大型熱風(fēng)爐燃燒過程耗散結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化超大功率燃燒工況的動(dòng)力學(xué)條件，研發(fā)出新型超大功率燃燒器，實(shí)現(xiàn)了低碳、高效、低耗、低排放的目標(biāo)。圖14為超大型熱風(fēng)爐多場(chǎng)耦合仿真優(yōu)化研究，圖15為京唐熱風(fēng)爐超大功率燃燒器設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，圖16為NOx生成計(jì)算結(jié)果。研發(fā)的新型超大功率陶瓷燃燒器，成功應(yīng)用于京唐5500m3高爐熱風(fēng)爐新建及改造工程，取得顯著成效：助燃空氣過剩系數(shù)由10%降低到3%；煙氣中CO含量≤20mg/m3；拱頂溫度1350℃時(shí)，風(fēng)溫達(dá)1250℃，煙氣中NOx排放量低于30mg/Nm3，優(yōu)于唐山市超低排放標(biāo)準(zhǔn)。
圖13 超大型熱風(fēng)爐燃燒過程的技術(shù)難題及解決措施
圖14 超大功率陶瓷燃燒器開發(fā)-基于CFD多場(chǎng)耦合仿真優(yōu)化研究
圖15 超大功率燃燒器設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果
圖16 超大型熱風(fēng)爐燃燒時(shí)NOx分布云圖
（4）新一代頂燃式熱風(fēng)爐燃燒過程實(shí)驗(yàn)-試驗(yàn)聯(lián)合研究
為了驗(yàn)證仿真計(jì)算的結(jié)果，深入解析研究熱風(fēng)爐實(shí)際工況的燃燒過程特性及規(guī)律，建立了物理模型和熱態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)新一代頂燃式熱風(fēng)爐進(jìn)行了冷態(tài)+熱態(tài)耦合實(shí)驗(yàn)-試驗(yàn)聯(lián)合研究（圖17）。冷態(tài)模型主要用于測(cè)定空氣、煤氣噴口處的氣體流速，檢驗(yàn)燃燒器氣體分配均勻性，對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證（如表1所示）。熱態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)通過熱風(fēng)爐半工業(yè)化試驗(yàn)，模擬實(shí)際熱風(fēng)爐運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)試驗(yàn)熱風(fēng)爐燃燒-送風(fēng)過程進(jìn)行溫度、壓力、成分等多參數(shù)試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)仿真計(jì)算采用的數(shù)學(xué)模型及結(jié)果進(jìn)行再次驗(yàn)證。
圖17 頂燃式熱風(fēng)爐冷態(tài)-熱態(tài)聯(lián)合試驗(yàn)平臺(tái)
表1 物理模型實(shí)測(cè)速度和溫度平均值和分布指數(shù)
3、創(chuàng)建了新一代頂燃式熱風(fēng)爐工藝及耐火材料設(shè)計(jì)、制造、選用和配置技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。
建立了頂燃式熱風(fēng)爐節(jié)能、熱平衡測(cè)試方法、耐火材料配置等一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；解析研究了服役后熱風(fēng)爐耐火材料破損機(jī)理及規(guī)律，提出了熱風(fēng)爐耐火材料提高服役性能和安全可靠性的技術(shù)措施；基于物相組分優(yōu)化設(shè)計(jì)和格子磚熱工參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，開發(fā)出抗蠕變性能優(yōu)異的高效格子磚和耐高溫?zé)嵴鹦詢?yōu)異的莫來石-紅柱石-堇青石磚；研制并批量生產(chǎn)出熱風(fēng)管道用系列耐火材料和熱風(fēng)爐長(zhǎng)壽組合磚，研制出不同材質(zhì)的全系列高效高性能格子磚。
（1）創(chuàng)建頂燃式熱風(fēng)爐工藝及關(guān)鍵耐火材料技術(shù)體系
主編或參編了10項(xiàng)熱風(fēng)爐耐火材料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（5項(xiàng)）、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（3項(xiàng)）和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)（2項(xiàng)），創(chuàng)建并形成了完整的熱風(fēng)爐耐火材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范技術(shù)體系，如表2所示。牽頭制定的標(biāo)準(zhǔn)涵蓋熱風(fēng)爐節(jié)能、熱平衡測(cè)定及計(jì)算方法等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，還包括頂燃式熱風(fēng)爐用耐火材料技術(shù)規(guī)范、熱風(fēng)爐用紅柱石磚、熱風(fēng)爐陶瓷燃燒器用耐火磚等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，覆蓋了熱風(fēng)爐燃燒、傳熱、節(jié)能、減排、耐火材料配置、材料制造、技術(shù)評(píng)價(jià)等多維度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，由技術(shù)到產(chǎn)品，從關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與領(lǐng)先，發(fā)展成為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的創(chuàng)建與完善。
表2 本項(xiàng)目研究制定的熱風(fēng)爐及相關(guān)耐火材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范
（2）研發(fā)頂燃式熱風(fēng)爐陶瓷燃燒器專用關(guān)鍵耐火材料
根據(jù)頂燃式熱風(fēng)爐燃燒器復(fù)雜惡劣工況條件，研發(fā)出高荷軟、低蠕變、高抗熱震的陶瓷燃燒器專用莫來石-紅柱石-堇青石磚，顯微結(jié)構(gòu)如圖18所示。以紅柱石、堇青石為主要原料，利用堇青石低膨脹和紅柱石的富硅玻璃相特性，進(jìn)行材料成分及相結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，協(xié)同提升材料高溫性能和抗熱震性能。創(chuàng)新采用M-70燒結(jié)莫來石+紅柱石+堇青石工藝方案，通過加入堇青石使制品具有優(yōu)良的抗熱震性能，加入紅柱石以提高制品的荷重軟化溫度和抗蠕變性，從而獲得優(yōu)異的綜合高溫性能。多物相協(xié)同優(yōu)化耦合使復(fù)合相材料理化性能顯著提升，滿足了熱風(fēng)爐核心關(guān)鍵設(shè)備陶瓷燃燒器的性能要求。
圖18 莫來石-紅柱石-堇青石磚的顯微結(jié)構(gòu)
（3）開展半工業(yè)試驗(yàn)研發(fā)高效格子磚
以相似原理為理論基礎(chǔ)，首次建立1:10熱風(fēng)爐熱態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)置289個(gè)熱電偶測(cè)溫點(diǎn)，實(shí)測(cè)蓄熱室吸熱、放熱溫度變化曲線，同時(shí)測(cè)定速度、壓力分布和煙氣成分等參數(shù)，以驗(yàn)證仿真計(jì)算結(jié)果。搭建現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試裝置，首次完整實(shí)測(cè)了超大型頂燃式熱風(fēng)爐內(nèi)部速度場(chǎng)、流場(chǎng)分布，驗(yàn)證了仿真計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果（圖19）。通過熱態(tài)試驗(yàn)熱風(fēng)爐半工業(yè)試驗(yàn)，實(shí)測(cè)研究了熱風(fēng)爐燃燒-送風(fēng)期的蓄熱室溫度分布及其規(guī)律（圖20、圖21），對(duì)比實(shí)測(cè)研究了不同孔徑格子磚的熱工性能，為研發(fā)高效格子磚奠定了試驗(yàn)基礎(chǔ)。
圖19 熱風(fēng)爐熱態(tài)試驗(yàn)和實(shí)際熱風(fēng)爐實(shí)測(cè)研究
圖20 試驗(yàn)熱風(fēng)爐燃燒期蓄熱室溫度分布
圖21 試驗(yàn)熱風(fēng)爐送風(fēng)期蓄熱室溫度分布
開發(fā)了非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型計(jì)算程序，通過對(duì)熱風(fēng)爐蓄熱室進(jìn)行傳熱計(jì)算，研究了格子磚熱工參數(shù)對(duì)熱風(fēng)爐傳熱性能影響，開發(fā)出不同孔徑的熱風(fēng)爐系列高效格子磚（圖22、表3），不同格子磚傳熱參數(shù)對(duì)比見圖23。高效格子磚體系的成功研發(fā)應(yīng)用，迅速改變了我國(guó)熱風(fēng)爐用格子磚落后的研發(fā)生產(chǎn)狀況，取得了重大技術(shù)突破。
圖22 高效格子磚實(shí)物照片
表3 系列高效格子磚的熱工參數(shù)
圖23 不同格孔的格子磚加熱面積和蓄熱體積比較
4、研發(fā)了低應(yīng)力-無過熱熱風(fēng)爐爐體及管道長(zhǎng)壽技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了低應(yīng)力熱風(fēng)爐爐體及熱風(fēng)管道體系
研究解析了大型熱風(fēng)爐高溫區(qū)爐殼、耐火材料和熱風(fēng)管道等關(guān)鍵部位局部過熱、應(yīng)力腐蝕疲勞開裂及其破損的機(jī)理和規(guī)律。在5500m3高爐頂燃式熱風(fēng)爐上，首創(chuàng)采用新型耐腐蝕不銹鋼-高強(qiáng)合金鋼的復(fù)合爐殼結(jié)構(gòu)，開發(fā)了抗腐蝕-低應(yīng)力的爐殼建造技術(shù)。發(fā)明應(yīng)用了一系列熱風(fēng)爐維護(hù)修復(fù)技術(shù)，建立了用于爐殼焊后殘余應(yīng)力消除、爐體及管道智能化監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)等技術(shù)體系。
（1）熱風(fēng)爐爐殼及管道破損機(jī)理研究
針對(duì)爐殼焊縫開裂及波紋補(bǔ)償器失效進(jìn)行原位分析、宏觀觀察、化學(xué)成分檢測(cè)、微觀金相組織及掃描電鏡觀察，結(jié)合工況條件，對(duì)爐殼及波紋補(bǔ)償器破損原因進(jìn)行分析研究。研究揭示了熱風(fēng)爐爐殼焊縫開裂主要原因是由于應(yīng)力破壞（見圖24），主要包括：①焊接殘余應(yīng)力破壞。爐殼焊接過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致爐殼在服役過程中焊縫處出現(xiàn)應(yīng)力集中，造成爐殼焊縫開裂、鋼板基體受損；②晶間應(yīng)力腐蝕。由于熱風(fēng)爐拱頂溫度過高形成大量NOx，在應(yīng)力集中的焊縫處與水積聚，腐蝕晶界破壞金屬微觀結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生裂紋、開裂；③交變應(yīng)力破損。熱風(fēng)爐燃燒-送風(fēng)交替工作，產(chǎn)生交變應(yīng)力變化，對(duì)爐殼造成破壞。熱風(fēng)爐爐殼在多種破壞因素綜合作用下，更加劇了爐殼破損。
圖24 爐殼焊縫斷裂處微觀形貌
（2）熱風(fēng)爐安全長(zhǎng)壽技術(shù)研究
基于彈塑性力學(xué)理論，對(duì)熱風(fēng)爐爐殼及管道強(qiáng)度進(jìn)行了有限元仿真計(jì)算，為爐殼精準(zhǔn)設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)（圖25），京唐3號(hào)高爐熱風(fēng)爐首創(chuàng)采用耐腐蝕不銹鋼+高性能合金鋼復(fù)合爐殼結(jié)構(gòu)（904L+Q345LK）。
圖25 熱風(fēng)爐爐殼FEM計(jì)算分析研究
研究發(fā)現(xiàn)造成爐殼失效的裂紋主要是爐殼內(nèi)表面焊縫附近的疲勞裂紋，原因是焊縫附近應(yīng)力超過了材料的疲勞極限，為此開發(fā)出熱風(fēng)爐焊縫附近局部區(qū)域應(yīng)力監(jiān)測(cè)技術(shù)（圖26、圖27）。與此同時(shí)，還開發(fā)出一系列兼顧應(yīng)力控制和爐殼防腐的熱風(fēng)爐爐殼修復(fù)技術(shù)。針對(duì)拱頂整體修復(fù)、局部修復(fù)和新建熱風(fēng)爐分別從材質(zhì)、裝配、焊接工藝、應(yīng)力控制等方向?qū)Ψ桨高M(jìn)行了優(yōu)化，最大程度考慮了應(yīng)力控制和防腐問題，在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用取得顯著效果。
圖26 熱風(fēng)爐工作過程爐殼應(yīng)力測(cè)試研究
圖27 熱風(fēng)爐工作過程爐殼最大交變應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果
（3）低應(yīng)力-無過熱熱風(fēng)爐管道長(zhǎng)壽技術(shù)研發(fā)
基于彈塑性結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)理論，復(fù)雜管系采用專業(yè)管道分析軟件進(jìn)行建模分析（圖28），對(duì)管道的支吊架和補(bǔ)償器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成了以三角形剛性拉桿為代表的熱風(fēng)爐管道安全長(zhǎng)壽設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)（圖29）。開發(fā)研制出異形鎖砌結(jié)構(gòu)的組合磚，顯著提高砌筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)開發(fā)了熱風(fēng)管道新型自鎖密閉式砌筑結(jié)構(gòu)（圖30）、補(bǔ)償器內(nèi)部耐火襯砌筑結(jié)構(gòu)（圖31）。本研究包括熱風(fēng)支管結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、熱風(fēng)管系仿真計(jì)算分析、熱風(fēng)管道低應(yīng)力管系設(shè)計(jì)、熱風(fēng)支管預(yù)變位技術(shù)、熱風(fēng)管道耐火材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。
圖28 復(fù)雜管道的仿真計(jì)算分析
圖29 低應(yīng)力熱風(fēng)爐管系優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
圖30 新型熱風(fēng)管道組合磚結(jié)構(gòu)
圖31 幾種補(bǔ)償器內(nèi)部磚襯設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)
5、開發(fā)了熱風(fēng)爐燃燒動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)控制模型和智能化信息物理系統(tǒng)（CPS），開發(fā)了熱風(fēng)爐爐體及管道系統(tǒng)全天候智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
首創(chuàng)提出熱風(fēng)爐能效比的概念，為熱風(fēng)爐高效低碳、節(jié)能減排、提高能效奠定了量化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。通過數(shù)字化控制實(shí)現(xiàn)了煤氣和助燃空氣流量、熱風(fēng)爐拱頂溫度、送風(fēng)溫度、煙氣溫度及成分的精準(zhǔn)控制調(diào)節(jié)。高爐風(fēng)溫穩(wěn)定達(dá)到1250℃以上，熱風(fēng)爐能效比≤1.15，助燃空氣過剩系數(shù)≤3%，熱風(fēng)爐風(fēng)溫系數(shù)≥91.5%，熱風(fēng)爐拱頂溫度與風(fēng)溫差值≤120℃。
（1）研發(fā)大型頂燃式熱風(fēng)爐智能化控制技術(shù)
熱風(fēng)爐工作時(shí)燃燒、換爐、送風(fēng)循環(huán)交替運(yùn)行，屬于典型的耗散結(jié)構(gòu)過程。本研究通過建立準(zhǔn)確的、多變量參數(shù)的熱風(fēng)爐信息物理系統(tǒng)（CPS），基于數(shù)字模型對(duì)蓄熱和送風(fēng)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，借助機(jī)器學(xué)習(xí)構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行推演，獲得對(duì)空煤氣調(diào)節(jié)閥的智能化感知和控制決策。熱風(fēng)爐智能化燃燒控制的技術(shù)路線是利用熱風(fēng)爐拱頂溫度、煙氣溫度、煙氣中殘氧檢測(cè)值、煤氣和空氣流量等檢測(cè)儀表的參數(shù)，基于快速燒爐的方法，使計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)煤氣和空氣的流量，在達(dá)到燃燒效果的同時(shí)實(shí)現(xiàn)燃燒期的智能化控制（圖32）。熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)在京唐2號(hào)高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)應(yīng)用取得顯著成效（圖33、圖34），實(shí)現(xiàn)了由傳統(tǒng)的反饋型控制向智能預(yù)測(cè)型控制的轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)具有了自感知、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和自決策能力。
圖32 熱風(fēng)爐燃燒期各階段及優(yōu)化燒爐
圖33 首鋼京唐2號(hào)高爐熱風(fēng)爐智能化控制系統(tǒng)
圖34 智能控制系統(tǒng)投用前后熱風(fēng)爐操作參數(shù)曲線變化情況
（2）開發(fā)與應(yīng)用熱風(fēng)爐紅外在線監(jiān)控技術(shù)
開發(fā)了紅外成像、溫度檢測(cè)和圖像識(shí)別綜合技術(shù)的熱風(fēng)爐爐體及管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為熱風(fēng)爐系統(tǒng)安全長(zhǎng)壽和穩(wěn)定運(yùn)行奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。在首鋼高爐熱風(fēng)爐應(yīng)用取得顯著成效（圖35），實(shí)現(xiàn)了熱風(fēng)爐及管道系統(tǒng)全天候智能化監(jiān)控。
圖35 首鋼熱風(fēng)爐及管道智能化監(jiān)控系統(tǒng)
四、應(yīng)用情況與效果
近年來，本項(xiàng)目研究成果及相關(guān)技術(shù)，在完成單位9座高爐22座熱風(fēng)爐應(yīng)用。具體應(yīng)用情況詳見表4。
表4 本項(xiàng)目研究技術(shù)及創(chuàng)新成果應(yīng)用代表性工程業(yè)績(jī)
以首鋼京唐為例，京唐3號(hào)高爐熱風(fēng)爐集成應(yīng)用了本項(xiàng)目研究成果及關(guān)鍵技術(shù)，包括熱風(fēng)爐清潔燃燒和高效傳熱、復(fù)合鋼板爐殼、熱風(fēng)管道安全長(zhǎng)壽等技術(shù)，于2019年4月投產(chǎn)至今應(yīng)用效果優(yōu)異。京唐3號(hào)高爐頂燃式熱風(fēng)爐投產(chǎn)5年來，經(jīng)歷了多種復(fù)雜工況，燃燒量在設(shè)計(jì)范圍的30%～120%的工況條件下運(yùn)行穩(wěn)定可靠，噸鐵煤氣消耗≤380Nm3/t，煙氣中NOx≤50mg/m3，CO≤20mg/m3，在拱頂溫度1370℃條件下風(fēng)溫達(dá)到1250℃，高爐生產(chǎn)高效低碳，達(dá)到并超越設(shè)計(jì)指標(biāo)。京唐1號(hào)、2號(hào)高爐，分別于2009年5月和2010年6月投產(chǎn)，為了滿足環(huán)保和長(zhǎng)壽要求對(duì)熱風(fēng)爐進(jìn)行了全面技術(shù)升級(jí)改造。采用本項(xiàng)目研發(fā)的超大功率陶瓷燃燒器替代原有裝置，大幅度提高了燃燒效率，污染物實(shí)現(xiàn)超低排放。結(jié)合熱風(fēng)爐爐殼開裂機(jī)理研究成果，爐殼采用了復(fù)合鋼板及應(yīng)力消除技術(shù)，提高了熱風(fēng)爐爐殼安全性，現(xiàn)已完成2座高爐5座熱風(fēng)爐的改造。2號(hào)高爐熱風(fēng)爐應(yīng)用智能化控制模型，實(shí)現(xiàn)了熱風(fēng)爐動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)控制。在其他新建和改造項(xiàng)目中，頂燃熱風(fēng)爐應(yīng)用后，風(fēng)溫和能效均顯著提升，煙氣中污染物排放大幅度降低，減污降碳效果突出。
同時(shí)，研究成果已推廣應(yīng)用國(guó)內(nèi)外240余高爐、780座熱風(fēng)爐。核心技術(shù)獲得俄羅斯、日本、烏克蘭、印度等國(guó)專利授權(quán)。2021年，與俄羅斯MMK鋼鐵集團(tuán)簽訂7號(hào)1280m3高爐內(nèi)燃熱風(fēng)爐升級(jí)改造燃熱風(fēng)爐EP項(xiàng)目，印度JSW的5872m3高爐新建頂燃熱風(fēng)爐EP項(xiàng)目。突破國(guó)外技術(shù)壁壘，技術(shù)輸出國(guó)外，引領(lǐng)國(guó)際高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐技術(shù)發(fā)展。
本項(xiàng)目在首鋼京唐、遷鋼、中天、俄羅斯MMK鋼鐵等國(guó)內(nèi)外高爐熱風(fēng)爐上應(yīng)用，近3年累計(jì)經(jīng)濟(jì)效益達(dá)21億元，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益顯著，推廣應(yīng)用前景廣闊。
