1 前言

2025年，我国粗钢产量达9.61亿吨，占全球总产量的52%，稳居全球粗钢产量首位，高炉炼铁技术跻身国际领先行列。热风炉作为高炉炼铁系统的核心热工设备，其技术水平直接影响炼铁效率、能耗指标与碳排放总量。自20世纪引进多国热风炉技术以来，热风炉装备持续迭代升级，为我国钢铁行业高效节能发展作出了重大贡献。

2005年以来，豫兴顶燃式热风炉在国内外250-4747m³跨级别高炉中广泛配套应用，截至目前已投产739座，成为行业主流发展方向。然而，国内大量在役的内燃式热风炉普遍存在风温偏低、能耗较高、火井结构易损等结构性缺陷，已难以满足现代高炉高效生产要求，亟需系统性改造升级。

目前行业内主要有三种改造路径：一是推倒重建为顶燃式热风炉；二是切割上部炉壳改造为传统小帽子顶燃式热风炉；三是炉壳利旧升级为悬链线顶燃式热风炉。本文将逐一分析三种改造技术的可行性、工程应用效果与经济性，重点阐述内燃式热风炉炉壳利旧升级改造为悬链线顶燃式热风炉的优越特性与实践应用。

2 内燃式热风炉推倒重建的可行性分析

推倒重建通常发生在热风炉耐火材料衬已达设计服役年限、炉壳结构安全性面临挑战的情况下。然而，对于炉壳服役年限的判断，行业内至今尚无统一科学定论。

从典型案例来看，我国20世纪80年代武钢引进的内燃式热风炉、宝钢引进的日本制铁外燃式热风炉，炉壳均已稳定服役40余年；荷兰克鲁斯钢铁厂1972年由霍戈文建造的内燃式热风炉，服役已逾54年，仅经局部加固后仍在持续使用。研究表明，长期维持风温1200-1250℃、炉壳温度低于200℃的内燃式、外燃式热风炉，炉壳无明显晶相变化，合理维护下的使用寿命可延长至50年。

基于上述认知，使用年限不足30-40年、核心部件状态良好的在役热风炉，其耐火材料与炉壳仍具备相当的剩余寿命，并不是必然达到推倒重建的程度。若确需推倒重建，建议组织多领域专家对炉壳及耐材剩余寿命、结构完整性与改造可行性进行全面科学评估，以支撑重大决策的科学性与合理性。

推倒重建适用的场景，通常是原有热风炉技术架构全面落后、各项指标严重不达标，且缺乏在保留主体结构前提下的经济升级方案。其优势在于：可彻底解决原内燃式热风炉的结构性缺陷；采用全新燃烧技术与蓄热技术，将风温稳定提升至1250℃以上，热效率提高10%以上；新建炉型材料与设计更先进，使用寿命可达30年以上。但其劣势同样突出——投资规模大（2000m³高炉配套热风炉推倒重建投资超9000万元）、工期长（一般在6个月以上），对企业的资金实力和生产连续性均构成较大压力。

3 切割上部炉壳改造为传统小帽子顶燃式热风炉的局限性

为避免推倒重建带来的高投资与长工期损失，国内部分单位探索了拆除炉衬、仅切割高温部位炉壳、保留下部炉壳与炉基的改造路线，改造为传统小帽子顶燃式热风炉。然而，实践表明此类方案普遍存在较大局限性，尤其是在保持热风出口标高不变的条件下，改造效果多不理想。以下三个典型案例可作说明。

江苏省某国有公司2000m³高炉改造案例：2019年，该钢厂将4座内燃式热风炉中的3座在线切割炉壳改造为传统小帽子顶燃式热风炉。该套热风炉热风出口标高17m，改造条件在同类案例中相对较好，格子砖孔径采用30mm。然而投产后未能达到1200℃的设计要求。根本原因在于：热风出口标高固定的前提下，蓄热室总高度受限，格孔尺寸与蓄热室高径比匹配不合理，整体有效蓄热能力不足，换热能力较差。

河南省某钢厂2200m³高炉改造案例：该钢厂先增建一座全新小帽子顶燃式热风炉，而后对两座内燃式热风炉在保持14m热风出口标高不变的条件下，仅切割上部炉壳，改造为小帽子顶燃式热风炉。受空间条件限制，蓄热体格子砖不得不采用小孔径规格，导致改造后格子砖总重量不足，换热面积无法满足高风温需求，使得风温、送风时间均无法与新建热风炉匹配，系统运行协调性较差。

江苏省某民营企业3座内燃式热风炉，因火井墙频繁故障导致烟气短路、送风风温偏低，严重影响高炉正常生产。技改整体思路为：两座高炉先各新增1座传统小帽子顶燃式热风炉，并计划后续逐步改造原有炉体。新增的第一座热风炉投产后，常规运行风温不能达到预期；若强制抬高风温，送风时长仅能维持33-35min。第二座新建的小帽子顶燃式热风炉，优化加大蓄热室直径后，依靠增加格子砖装填量、扩大换热面积来弥补供热性能短板，仍无法实现1200℃设计风温，即使风温达到1200℃，送风时间仅能维持约40min。此后一座内燃式炉壳切割改造为小帽子顶燃式热风炉，实际投用后工况依旧达不到生产使用标准。

上述案例中，改造失败的核心原因在于热风出口标高与蓄热室直径的双重约束，导致格子砖孔径被迫选用小孔径、堆积高度受限，热容量与换热效率均难以保障；蓄热室直径不足则直接造成格子砖总重量与总换热面积不达标，蓄热换热能力严重不足。部分企业后期尝试扩大蓄热室直径，但若高径比设计不合理，流场分布不均，换热性能反而被进一步削弱。综合评估，在热风出口标高不变前提下仅切割上部炉壳改造为小帽子顶燃式，投入较大、过程繁琐，且存在较高的性能不达标风险，经济效益与工程收益均难以保证。

4 炉壳利旧的悬链线顶燃式热风炉改造的技术路径与优越特性

4.1 技术原理与结构特点

悬链线顶燃式热风炉是在充分保留原内燃式热风炉炉壳、炉篦子、管网等主体结构的基础上，通过系统性内部改造，实现整体性能的跨越式提升。其核心技术路径如下：

燃烧系统重构：废除内燃式热风炉底部燃烧器，将燃烧器转移至悬链线基脚下、蓄热室大墙平行的外围低温区域，采用豫兴煤气与空气环形布置交错预混上喷燃烧器技术，实现煤气与空气的充分预混与均匀燃烧，从根本上消除内燃式热风炉燃烧不均的固有缺陷。

蓄热体系升级：拆除原有格子砖，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过渡层，调节孔径匹配关系，选用高效十九孔25mm新孔径格子砖替代原七孔40mm或十九孔30mm孔径旧格子砖，大幅提升换热面积与蓄热容量；综合优化格子砖孔径与堆积高度，实现理想高径比，确保流场均匀分布与换热效率最大化。

火井结构处理：将原火井高度拆除至合适位置后保留，在火井内隔墙端新增一定厚度隔墙，并在新增隔墙后的火井空间内增设密封耐火材料陶瓷套管——该套管在加热与送风过程中可以自由胀缩，有效保障隔墙与套管结构的长期稳定性，从根本上消除了内燃式热风炉火井结构易损这一顽疾。

配套系统同步升级：改造煤气、助燃空气入口位置，升级智能化燃烧控制系统，实现自动烧炉与温度闭环调控；新增烟气脱硫除尘装置，确保NOx排放低于50ppm、CO排放低于30ppm，达到相关环保标准要求。

4.2 与传统小帽子顶燃式的结构安全性对比

悬链线拱顶结构通过环形交错预混上喷燃烧，使拱顶温度分布均匀，炉壳受力合理，不存在温差撕裂应力。相比之下，传统小帽子热风炉采用锥型拱顶叠加燃烧器小拱顶的结构形式，受力复杂、应力集中问题突出。我国4747m³级别以上高炉配套的小帽子顶燃式热风炉使用不足十年便出现大面积炉壳开裂，均与其复杂的大小拱顶结构的应力叠加集中特性直接相关。

悬链线顶燃式热风炉的炉壳受力状态均匀，如同一个受力合理的壳体盖，无应力集中点，燃烧期间高温对拱顶温度分布均匀，结构长期稳定可靠，设计使用寿命可达30年以上，综合结构安全性显著优于传统小帽子顶燃式热风炉。

5 实践案例与效益分析

5.1 典型工程案例

炉壳利旧悬链线顶燃式热风炉改造技术已在国内多个重点钢铁项目中得到系统验证，包括广东省某国有公司3200m³、江苏省某国有公司2000m³、东北省某国有公司2580m³、山西省某民营企业1280m³，以及2009-2017年间完成的山西省某民营企业2×420m³、某国有企业兰州公司2×420m³、某国有企业翼城公司420m³等内燃式热风炉炉壳利旧顶燃式改造项目。

上述多个案例的工程实践充分证明，炉壳利旧悬链线顶燃式改造方案具有广泛的工程适用性与可靠的技术性能。

山西建龙1380m³高炉内燃式热风炉不动炉壳改造为豫兴悬链线顶燃式热风炉

中南钢铁股份公司3200m³高炉1#、3#内燃式切割炉壳改造工程，其2#、4#炉壳不动改造为豫兴悬链线顶燃式热风炉前后照片

5.2 综合效益对比

与拆除重建、传统小帽子顶燃式改造方案相比，炉壳利旧悬链线顶燃式改造方案在综合效益方面具有全面优势：

经济效益：以2000m³高炉为例，推倒重建投资超9000万-10000万元，切割炉壳实施小帽子改造的投资约7000万-8000万元，而炉壳利旧顶燃改造仅需5000万-6000万元。炉壳利旧顶燃改造施工周期仅需2个月以内，相较推倒重建（6个月以上）和小帽子顶燃式改造（5个月左右），该方案工期大幅缩短，可有效降低停产损失。

技术性能：输出热风温度从原有1050-1180℃稳定提升至1250℃以上，满足高炉更高风温生产需求；格子砖换热面积与蓄热量大幅提升，烧炉与送风效率显著改善。

环保性能：NOx排放稳定低于50ppm、CO排放低于30ppm，达到行业超低排放标准，优于推倒重建和切割炉壳改造方案中因炉型不确定性所带来的排放不可控问题。

结构长寿：消除原内燃式热风炉燃烧、送风循环中炉壳温度分布不均产生的交变热应力问题，从根源解决炉壳应力开裂隐患；设计使用寿命达30年，远超传统改造方案。

6 结语

综合技术性能、工程经济性、结构安全性与环保达标性四个维度综合评价，炉壳利旧悬链线顶燃式热风炉改造方案兼具投资省、风温高、超低排放、长寿稳定的全面优势，从根本上解决了传统内燃式热风炉燃烧不均导致的炉壳应力开裂顽疾，适配国内存量内燃式热风炉的批量化改造需求。

随着我国钢铁行业绿色低碳转型进程的深入推进，内燃式热风炉的升级改造需求将持续释放。悬链线顶燃式热风炉以其独特的技术优势和工程可行性，有望成为行业内存量内燃式热风炉改造升级的主流选择，并在更广泛的新建项目中推广应用，为推动钢铁行业高质量发展、实现“双碳”目标贡献重要技术支撑。

（刘世聚）