王志
（鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧鞍山114021）
摘要： 介紹了鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠熱風爐送風管道的破損情況，分析了破損原因，通過采取改變熱風管道波紋補償器的安裝位置、調(diào)整組合磚的膨脹縫設(shè)計、調(diào)整輕質(zhì)磚的結(jié)構(gòu)等措施，解決了熱風爐送風管道破損的問題。
關(guān)鍵詞： 高爐；熱風爐；熱風里短管；拱頂聯(lián)絡(luò)管；破損
隨著國內(nèi)高爐冶煉技術(shù)的進步，鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠（以下簡稱煉鐵總廠）經(jīng)過技術(shù)改造、升級， 高爐已全部實現(xiàn)大型化（3 座3200 m3， 5 座2580 m3）。高爐大型化對熱風爐的長壽命和高風溫提出了更高的要求（熱風爐設(shè)計壽命要求大于25 年，年平均送風風溫要求在1 200 ℃以上）。煉鐵總廠目前共有熱風爐30 座，包括內(nèi)燃式、外燃式、頂燃式等。熱風爐送風管道壽命低（內(nèi)燃及外燃式熱風爐熱風里短管使用壽命低、外燃式熱風爐拱頂聯(lián)絡(luò)管使用壽命低等） 的問題成了制約熱風爐長壽的瓶頸問題。有的熱風里短管、拱頂聯(lián)絡(luò)管在高爐開爐送風初就出現(xiàn)管殼溫度高于200 ℃的情況，運行3～4 年即被迫停爐檢修。針對煉鐵總廠熱風爐送風管道破損情況，通過分析破損原因，提出了解決措施，且實施效果良好，解決了制約熱風爐長壽和高風溫的問題。
1 熱風爐送風管道破損情況
1.1 外燃式熱風爐
（1） 煉鐵總廠7# 高爐（2580 m3）配套建設(shè)4 座新日鐵外燃式熱風爐。7# 高爐2004 年9 月11 日投入使用后，當高爐熱風溫度達到1 180 ℃、熱風壓力330 kPa、冷風流量4 600 m3/min 時，熱風里短管波紋補償器表面溫度急劇升高，2# 熱風爐熱風里短管波紋補償器表面溫度最高達到350 ℃，4# 熱風爐熱風里短管波紋補償器表面溫度最低為285 ℃。為避免發(fā)生燒穿事故，采用生產(chǎn)壓縮空氣在波紋補償器表面進行強制冷卻降溫， 以保證正常送風生產(chǎn)。打風后經(jīng)紅外檢測，波紋補償器表面溫度降至200 ℃左右，可以維持生產(chǎn)，但造成能源的巨大浪費。壓縮空氣成本為0.085 元/m3，打風時流量為500 m3/h， 每年浪費的能源總消耗費用達37 萬元。
（2） 煉鐵總廠新3# 高爐（3200 m3）配套建設(shè)4 座新日鐵外燃式熱風爐。新3# 高爐2005 年12月投入使用，當高爐熱風溫度為1 200 ℃、熱風壓力380 kPa、冷風流量5 500 m3/min 時，4 座熱風爐的拱頂聯(lián)絡(luò)管波紋補償器管皮溫度升高， 局部達到300 ℃。為保證安全，熱風爐聯(lián)絡(luò)管采用管皮打風降溫方式維持生產(chǎn)。
1.2 內(nèi)燃式熱風爐
煉鐵總廠11# 高爐（2580 m3）配套建設(shè)4 座內(nèi)燃式熱風爐。11# 高爐2001 年投入使用，2005 年11 月開始發(fā)生熱風里短管波紋補償器表面溫度高、管皮開裂情況。為保證安全，在管殼外包補新的管殼， 同時在新的管殼內(nèi)部澆注自流澆注料維持生產(chǎn)。
鑒于以上實例，煉鐵總廠熱風爐無論外燃式、內(nèi)燃式，其送風管道破損存在相同的情況，即高爐送風一段時間后， 熱風管道波紋補償器表面溫度高（一般高于300 ℃），長期使用條件下，波紋補償器在應(yīng)力作用下開裂而破損。
2 熱風爐送風管道破損原因分析
2.1 7# 高爐和11# 高爐熱風里短管破損原因
2.1.1 波紋補償器安裝位置不合理
煉鐵總廠7# 和11# 高爐破損的熱風里短管在設(shè)計時，由于場地條件限制，熱風爐波紋補償器均安裝在熱風里短管上， 主要作用是在熱風爐燒爐和送風的不同條件下，吸收爐殼上漲產(chǎn)生的應(yīng)力。熱風爐在燒爐期，由于大墻磚及爐殼吸收熱量，產(chǎn)生膨脹， 對熱風里短管上波紋補償器產(chǎn)生向上的剪切力；熱風爐送風期，熱風壓力會對熱風里短管上波紋補償器產(chǎn)生軸線方向力， 長期反復(fù)的應(yīng)力作用導(dǎo)致波紋補償器變形開焊、破損漏風。
2.1.2 熱風里短管組合磚設(shè)計問題
煉鐵總廠7# 和11# 高爐破損的熱風里短管組合磚膨脹設(shè)計不合理。圖1 為熱風里短管組合磚膨脹縫示意圖。7# 高爐熱風里短管長度3 631 mm，11# 高爐熱風里短管長度為3 860 mm ， 管道長度很短，其組合磚膨脹縫均設(shè)計為2 道，尺寸為25 mm/道。由于膨脹縫過于集中且單個膨脹縫尺寸過大，在應(yīng)力作用下，膨脹縫被拉大造成熱風竄入，導(dǎo)致波紋補償器表面溫度過高，長期使用產(chǎn)生破損。
熱風里短管高鋁組合磚膨脹縫大小的設(shè)計依據(jù)來自于熱風里短管管殼在溫度變化條件下的變形量，在正常工作狀態(tài)，熱風里短管的變形量［1］：
ΔL=λ×L×Δt
式中，ΔL 為熱風里短管管殼的變形量，mm；λ 為線變化系數(shù)， 查得λ=12×10-6 m/m·℃；L 為熱風里短管管殼的長度，mm；Δt 為熱風里短管最高工作溫度與環(huán)境溫度之差，℃。以7# 高爐熱風里短管為例，L=3 631 mm，Δt=180 -25 =155 ℃， 其變形量為ΔL=12×10-6 ×3 631×155≈6.8 mm。該變形量需要在組合磚上預(yù)留縫隙吸收， 防止管殼變化時組合磚受壓變形造成組合磚破損、脫落等。由于該變形量遠小于設(shè)計的預(yù)留膨脹量（25 mm），且熱風里短管的受力不僅是在管道軸線方向的壓縮或拉伸，同時在軸線垂直方向產(chǎn)生剪切力， 所以組合磚的變形是不均勻的。高爐送風時的熱風壓力達到330 kPa 時，1 200 ℃高溫的熱風進入膨脹縫、透過輕質(zhì)保溫磚， 會導(dǎo)致波紋補償器管殼的溫度急劇升高，而燒爐期其溫度會降低一些，長期的溫度變化及應(yīng)力作用導(dǎo)致波紋補償器漏風或崩開。
2016 年8 月，7# 高爐2# 熱風爐停爐檢修，在熱風里短管組合磚拆除時， 對破損的波紋補償器及組合磚膨脹縫進行數(shù)據(jù)檢測， 發(fā)現(xiàn)組合磚膨脹縫上半圓最大縫隙為42 mm， 明顯大于設(shè)計膨脹量（25 mm），下半圓最小縫隙為12 mm，小于設(shè)計膨脹量， 膨脹縫發(fā)生明顯變化。通過該數(shù)據(jù)的檢測， 進一步驗證了熱風里短管波紋補償器的破損原因。圖2 為7# 高爐熱風爐里短管組合磚膨脹縫破損圖。
2.1.3 輕質(zhì)保溫磚的厚度設(shè)計不合理
7# 和11# 高爐熱風里短管的輕質(zhì)保溫磚厚度設(shè)計不合理。輕質(zhì)保溫磚較薄總厚度為194 mm，組合磚的厚度為200 mm, 輕質(zhì)磚與組合磚厚度比為0.97。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，煉鐵總廠近幾年引進的國外技術(shù)改造后的熱風里短管輕質(zhì)磚厚度明顯增大，其輕質(zhì)磚與組合磚厚度比一般大于1.5，同時取消了輕質(zhì)磚上的膨脹縫設(shè)計， 因為依據(jù)輕質(zhì)保溫材料理化性能檢測結(jié)果，其高溫線性變化率為負值，若再預(yù)留膨脹縫，必然形成熱風通道，影響其使用壽命。
2.2 新3# 高爐拱頂聯(lián)絡(luò)管破損原因
2.2.1 硅磚膨脹縫設(shè)計不合理
新3# 高爐熱風爐拱頂聯(lián)絡(luò)管硅磚的膨脹縫設(shè)計為4 道：與硅質(zhì)券口磚連接處膨脹縫2 道，尺寸為50 mm/道； 聯(lián)絡(luò)管波紋張力處膨脹縫2 道，尺寸為15mm/道。而拱頂聯(lián)絡(luò)管硅質(zhì)組合磚的砌筑長度為3 050 mm，按照硅磚的晶相變化， 1 000 ℃的最大線性體積變化為1.5%，則其膨脹量最大為3 050×1.5%=45.75 mm。新3# 高爐拱頂硅質(zhì)組合磚的預(yù)留膨脹量為50+50+15+15=130 mm。該膨脹縫預(yù)留過大，且過于集中，造成使用過程中該部位形成熱風通道， 當熱風接觸管皮后， 造成管皮紅熱。新3# 高爐熱風爐拱頂聯(lián)絡(luò)管硅磚膨脹縫如圖3 所示。停爐檢修時發(fā)現(xiàn)50 mm 的膨脹縫根本無變化，進一步說明了硅磚膨脹縫預(yù)留過大。
2.2.2 輕質(zhì)保溫磚的厚度設(shè)計不合理
新3# 高爐拱頂熱風聯(lián)絡(luò)管輕質(zhì)磚設(shè)計為兩層， 厚度分別為224 mm、154 mm， 總厚度為378 mm，組合磚的厚度為345 mm, 輕質(zhì)磚與組合磚厚度比為1.09。由于輕質(zhì)磚的厚度不夠，且在輕質(zhì)磚上留設(shè)了膨脹縫， 熱風會由硅質(zhì)組合磚的膨脹縫進入輕質(zhì)磚， 再通過輕質(zhì)磚的膨脹縫竄入爐皮表面，造成管皮紅熱。在燒爐和送風的轉(zhuǎn)換條件下，由于溫度變化，爐皮焊接部位產(chǎn)生疲勞應(yīng)力，最終導(dǎo)致開裂、破損。
2.2.3 波紋補償器設(shè)計不合理
新3# 高爐熱風爐的管皮膨脹縫由兩組波紋補償器組成，中間管皮預(yù)留100 mm 的斷縫，此斷縫為整環(huán)的通縫， 在熱風爐的實際膨脹量未達到預(yù)期時，在管皮上等于留設(shè)了熱風通道。由于硅質(zhì)組合磚、輕質(zhì)磚上已經(jīng)形成了熱風通道，高溫、高壓的熱風會通過該部位進入波紋補償器， 造成其紅熱變形，最終導(dǎo)致漏風或崩開。
3 熱風爐送風管道破損的解決措施
3.1 改變熱風爐波紋補償器的安裝位置
根據(jù)7# 和11# 高爐熱風里短管的破損情況，應(yīng)改變熱風爐波紋補償器的安裝位置， 將熱風里短管上的波紋補償器拆除，安裝在外短管上。由于外短管與熱風爐的送風管道壓力相同并長期穩(wěn)定， 其內(nèi)襯高鋁組合磚長期處于穩(wěn)定的溫度及壓力下，不會產(chǎn)生體積膨脹或收縮變化。同時合理設(shè)計高鋁組合磚的膨脹縫大小和數(shù)量（原則上膨脹縫小于10 mm/道，數(shù)量根據(jù)管道長度確定），使熱風不能竄入組合磚膨脹縫， 進而保證波紋補償器處于正常使用溫度，延長波紋補償器的使用壽命。
3.2 調(diào)整組合磚的膨脹縫設(shè)計
（1） 高爐熱風里短管組合磚一般使用低蠕變高鋁磚砌筑， 根據(jù)管道的長度合理留設(shè)組合磚膨脹縫。根據(jù)理論計算結(jié)果，高鋁材質(zhì)的組合磚膨脹縫設(shè)計原則為每3 m 左右留設(shè)一道， 單道膨脹縫不大于10 mm 即為合理。在膨脹縫設(shè)計時，組合磚采用迷宮式砌筑方式， 保證在氣流通道方向熱風不進入膨脹縫隙， 從而保證組合磚能夠長期有效工作。
（2） 硅磚在高溫下（1 000 ℃）的最大線性體積變化為1.5%，則其膨脹量最大為拱頂聯(lián)絡(luò)管砌筑長度的1.5%。同時采取在膨脹縫的里面砌筑一層鎖氣磚的方式，既滿足了硅磚的膨脹特性要求，又保證了高溫氣流不進入膨脹通道， 從而解決膨脹縫竄風的問題。
3.3 調(diào)整輕質(zhì)磚的結(jié)構(gòu)
根據(jù)輕質(zhì)磚高溫線變化為負值的特性， 首先取消輕質(zhì)磚的膨脹縫設(shè)計， 另外參照國外輕質(zhì)磚和組合磚的厚度比例， 設(shè)計要求輕質(zhì)磚與組合磚厚度比大于1.5。同時，熱風里短管保溫層宜選用高檔的輕質(zhì)低鐵高鋁磚， 管道輕質(zhì)磚應(yīng)采用0.8 kg/cm3 的保溫磚，提高其保溫能力，降低波紋補償器的表面溫度，提高其使用壽命，保證熱風管道的長壽命。
4 實施效果
（1） 新1# 高爐（3200 m3）的3 座熱風爐依據(jù)輕質(zhì)磚和組合磚厚度比大于1.5 的標準設(shè)計，于2003年4 月投入使用，目前熱風里短管使用良好。
（2） 新4# 高爐（2580 m3）熱風爐熱風里短管采用迷宮式砌筑方式， 合理留設(shè)組合磚膨脹縫，于2006 年投入使用，目前壽命超過12 年，波紋補償器表面檢測溫度小于100 ℃，效果良好。
（3） 2013 年3~11 月，新3# 高爐（3200 m3）4 座熱風爐拱頂聯(lián)絡(luò)管通過重新砌筑硅質(zhì)組合磚及輕質(zhì)磚，并在膨脹縫里砌筑一層鎖氣磚，完全解決了拱頂聯(lián)絡(luò)管溫度高的問題。目前波紋補償器表面檢測溫度均小于100 ℃，效果良好。
（4） 2014 年12 月，11# 高爐（2580 m3）熱風里、外短管檢修， 改變了熱風爐波紋補償器的安裝位置。目前高爐已在線生產(chǎn)4 年，熱風平均溫度達到1 175 ℃， 波紋補償器表面檢測溫度最高108 ℃，效果良好。
5 結(jié)語
鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠針對熱風爐送風管道破損情況， 提出了解決措施， 通過改變熱風管道波紋補償器的安裝位置、調(diào)整組合磚的膨脹縫設(shè)計、調(diào)整輕質(zhì)磚的結(jié)構(gòu)，同時選取優(yōu)質(zhì)的耐火材料內(nèi)襯，保證管道和耐火材料的施工質(zhì)量，降低了波紋補償器的表面溫度， 解決了熱風爐送風管道破損問題，提高了熱風爐送風管道的壽命。
參考文獻
［1］ 王志，李恒旭，于成忠. 熱風爐里短管破損分析及其解決方案［J］. 鞍鋼技術(shù),2008（4）:37-40.