我们能不能干得比外国人更好一些
——中冶京城吴启常大师于2015年4月，做客于山东慧敏科技公司，讲授热风炉的相关知识，同时对目前钢铁行业热风炉的情况进行讲解，受益匪浅，仅此上传吴大师的讲授资料，大家共同学习，向吴大师致敬！
1. 格子砖热工特性：
对于没有影响热交换过程横向凸台和水平通道的格子砖，都可以通过两个基本参数——格子砖的水力学直径dЭ和相应的活面积f——来表述，即：
单位加热面积（m2/m3） H?4f d1m3格子砖中砖的容积（m3/m3） Vk?1－f 烟气辐射的厚度（cm） SЭФ?3.d4Э100 4砖的半当量厚度（mm） RЭ?(1?fd)Э
4f格孔间最小壁厚（mm） δ?dЭ?min
2.高炉风温有没有上限?
?A??1? ?f?上一世纪70年代，西方国家的高炉设计纷纷高喊要使用1350℃以上的高风温，试图获得提高风温给高炉带来的最大好处。但实际的结果是热风炉拱顶钢壳出现了大量裂纹，给高炉生产带来了极大的困难。欧洲人深入研究了此问题之后认为：这是高炉采用高风温高压操作之后，燃烧产物中出现了大量的NOX和SOX造成钢壳出现晶间应力腐蚀的缘故。 尤其是炉壳在高应力状态下
工作时，晶粒之间的腐蚀更为严重。此外，NOX和SOX对于环境污染也是极大的
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挑战。它们是PM2.5指标的重要组成部分。 NOX生成量与拱
顶温度之间关系
欧洲人从防止热风炉炉壳出现晶间应力腐蚀以及保护大气环境的角度出发，他们以热风炉的拱顶温度水平来对热风炉进行分类（详见图2）。按欧洲人的观念，拱顶温度范围：＞1420℃属超高风温热风炉；1350～1420℃属高温热风炉；1250～1350℃属中温热风炉；1100～1250℃属低温热风炉。 晶间应力腐蚀是怎么回事？
晶间应力腐蚀的定义：在腐蚀介质和应力的双重作用下，没有产生变形而出现沿晶间方向的开裂，最终导致材料的破坏。热风炉出现晶间应力腐蚀开裂破坏的主要部位在拱顶的焊缝附近，并且工地焊缝比工厂焊缝出现开裂的频率要高。可见焊接产生的残余应力对于腐蚀开裂有很大的影响。
晶间应力腐蚀产生的原因：在高温条件下，N2和O2分解成单体的N和O并生成NOx。NOx产生的化学反应式如下：
N2 + xO2 = 2NOx
111NO+O=NO 2 x2x2xx如果热风炉炉壳没有特殊的隔热层，炉壳的温度会低于100℃，其内表面会形成冷凝水。氧化氮与这些冷凝水接触便会生成硝酸根离子水溶液，这样，腐蚀介质就形成了。其反应式如下：
2NO2 + H2O = HNO2 + HNO3 2NO2 + H2O + 0.5O2 = 2HNO3
硝酸对钢板产生化学侵蚀破坏，反应式如下： 2Fe + 6HNO3 =Fe2O3 + 3N2O4 + 3H2O
研究还表明，在有SO2介质的存在条件下，应力腐蚀的速度将加快。 为了防止热风炉高温区炉壳出现晶间应力腐蚀，人们曾经采用过一些技术措施：
1）拱顶温度控制在1420℃的水平上；
2）拱顶外壳内表面喷砂除锈后涂刷耐酸高温漆并喷涂耐酸耐火材料； 3）适当加厚拱顶外壳钢板，采用‘低应力设计’，并选用细晶粒耐龟裂钢板作为炉壳材料；
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4）拱顶外壳转折点采用曲线连接，並用电加热的方法进行局部退火以消除焊接应力。
5）炉壳外部设置保温材料并用铝薄包裹等等。
实践证明，在腐蚀介质和应力的双重作用下出现的晶间应力腐蚀是防不胜防的，为了远离晶间应力腐蚀，关键在于控制拱顶温度,抑制NOx生成量的过度发展。
在热工设备中，NOx的含量取决于N2和O2的浓度，温度以及反应时间。当热风炉拱顶温度超过1360℃时，NOx的的生成率开始增加，当温度超过1420℃时，NOx的的生成量将急剧增加。如果N2和O2在高温条件下反应时间越长，也将造成NOx的的生成量的急剧增加。欧洲人和日本人在热风炉上测定的结果都证明了这一结论。德国人在进行工业研究[4]时发现，当拱顶温度1440℃时，在热风炉燃烧期转送风期时，由于氮和氧气具有足够的接触时间，NOX浓度值达到最大值1000mg/m3（0.05%）。在送风期和燃烧期内，由于接触时间短，NOX的浓度约为40～70 mg/m3，并且送风期要高于燃烧期。当燃烧脉动现象频繁出现时，炉壳附近NOX浓度值可以达到1200～1800mg/m3（0.06～0.08%）。
前苏联人的测定结果：下塔吉尔钢厂——拱顶温度1300℃时，拱顶NOX浓度值15mg/m3；亚速钢厂——拱顶温度1420℃时，拱顶NOX浓度值60mg/m3。
我国学者认为，从防止热风炉自身出现晶间应力腐蚀出发，应该将热风炉的拱顶温度限制在≤1400℃。
这里需要说明以下几个问题：
问题1. 近年来，由于严重的雾霾天气威胁着我国广大的重工业发达地区。当今，气象部门监测的PM2.5指标值中，有相当大的一部分是由于排放SOx，NOx等转变成PM2.5的气体污染物（硫酸盐，硝酸盐等）造成的。因此，人们也都在关注热风炉排放SOx，NOx量的问题。在我国炼铁工业大气污染物排放标准（GB28663—2012）中仅考核热风炉SO2的排放浓度＜100mg/m3和NOx（以NO2计）的排放浓度＜300mg/m3，而未考核排放速率（kg/h）或单位产品的排放量， 这样，只要将拱顶温度控制在1400℃以下，SO2和NOx的排放浓度将不会出现超标。
世界卫生组织（WHO）认为，年平均PM2.5＜10（即空气中＜2.5?m的颗粒含量＜10?g/m）是安全的，但是，目前地球上只有少数地区才能达到这一指标，因此WHO公布了PM2.5过度目标值（见表1）。
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3PM2.5准则值和过度目标值 表1
WHO准则值 WHO过渡期目标--1 WHO过渡期目标--2 WHO过渡期目标--3 澳大利亚 美国 日本 欧盟 中国 年平均10 35 25 15 8 15 15 25 35 ?g/m3 24小时平均25 75 50 37.5 25 35 35 —— 75 ?g/m3 我国现在实行的是WHO最低要求的过渡期目标—1值。随着时间的推移，由于环境保护的需要，要求SO2和NOx的排放浓度将不断降低，这是完全可能的。但是，就目前而论，我国绝大部分热风炉的拱顶温度与1400℃还有一段距离。因此，提高拱顶温度仍然是当前提高风温的重要手段之一。
问题2，热风炉只要解决了低氮氧化物燃烧技术问题，提高热风炉风温就不会出现晶间应力腐蚀的问题，提高风温可以不受限制。这一提法误把热风炉当作连续作业的热工设备来理解了，实际上热风炉的工作制度是一种燃烧——闷（换）炉——送风循环交错的过程。低氮氧化物燃烧技术只能控制燃烧期的NOX浓度值，而解决不了闷（换）炉期和送风期的NOX浓度值控制问题。更何况直至目前并没有事实证明热风炉低氮氧化物燃烧技术已经获得解决。
问题3，顶燃式热风炉由于其燃烧状态好，不会出现燃烧脉动，因此不存在NOX的威胁。任何型式的热风炉都回避不了闷（换）炉期和送风期的NOX浓度值控制问题，因此，顶燃式热风炉不存在NOX的威胁的说法也是没有根据的。
综上所述，为了避免热风炉拱顶炉壳出现晶间应力腐蚀，抑制NOx生成量的过度发展，关键在于控制热风炉的拱顶温度。 高炉风温有没有上限值？
近年来，我国重点企业的高炉平均风温逐年提高，目前重点企业的平均风温
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已经达到了1180℃的水平。这是多年来生产、设计和建设单位共同努力的结果。风温有没有上限? 回答应该是肯定的。作者认为，从环保、节能的角度出发，提高风温不能逾越以下两条红线：
红线之一：大量产生NOx的拱顶温度界限。
为了获得高风温，确保向热风炉提供足够高的拱顶温度是完全必要的。但是，提高拱顶温度首先必须受到出现晶间应力腐蚀条件的制约，其次还要受到环保法规的制约。
关于热风炉本身出现晶间应力腐蚀的问题，在析疑4中已经作了详细的说明，此处不再重复叙述。
根据这些结果，我国专家认为，为了控制热风炉整个工作周期内NOX的排放量达到防止晶间应力腐蚀和保护大气环境的要求，我们的基本立足点应将高风温热风炉的拱顶温度控制在1400℃以下。既然拱顶温度作了限定，热风温度的上限值也就被限定了。在这一拱顶温度下操作，对于传统的老热风炉，由于温度效率较低，拱顶温度与送风温度之间的差值达到160～200℃，其上限风温只能维持在1200～1240℃范围内。当今，一些结构良好的热风炉，拱顶温度与送风温度之间的差值达到120～130℃，这样，其上限风温可以维持在1270～1280℃。如果想获得1300℃的风温，还必须进一步提高温度效率，努力将拱顶温度与送风温度之间的差值缩小到100℃。由此可见，我国热风炉的上限风温值应该是1250±50℃。
红线之二：高炉所获得的能源节约应大于加热鼓风所付出的能源消耗。 提高风温给高炉带来的节能效果是与所处的风温水平有关的。所处的风温水平越高，提高风温带来的好处将越小。一般当风温低于900℃时，可以节约燃料比20kg/100℃，而风温达到1100～1200℃时，只有10kg/100℃。再进一步提高风温，高炉的节能效果将进一步下降。
首钢京唐1号高炉是我国唯一在1250～1300℃风温条件下稳定操作时间较长的高炉。它所获得的指标如下：
京唐1号高炉实际操作结果[2] 表1
时间 2009-09 2009-10 风温，℃ 1212 1260 利用系数，t/m3·d 2.12 2.22 燃料比，kg/t 483 488 5