熱風(fēng)爐送風(fēng)管道破損分析及解決措施

王志

（鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧 鞍山114021）

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(fēng)爐的長壽命和高風(fēng)溫提出了更高的要求 （熱風(fēng)爐設(shè)計壽命要求大于25年，年平均送風(fēng)風(fēng)溫要求在1 200℃以上）。煉鐵總廠目前共有熱風(fēng)爐30座，包括內(nèi)燃式、外燃式、頂燃式等。熱風(fēng)爐送風(fēng)管道壽命低（內(nèi)燃及外燃式熱風(fēng)爐熱風(fēng)里短管使用壽命低、外燃式熱風(fēng)爐拱頂聯(lián)絡(luò)管使用壽命低等）的問題成了制約熱風(fēng)爐長壽的瓶頸問題。有的熱風(fēng)里短管、拱頂聯(lián)絡(luò)管在高爐開爐送風(fēng)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(fēng)爐送風(fēng)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(fēng)爐長壽和高風(fēng)溫的問題。

1 熱風(fēng)爐送風(fēng)管道破損情況

1.1 外燃式熱風(fēng)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(fēng)爐。7#高爐2004年9月11日投入使用后，當(dāng)高爐熱風(fēng)溫度達到1 180℃、熱風(fēng)壓力330 kPa、冷風(fēng)流量4 600 m3/min時，熱風(fēng)里短管波紋補償器表面溫度急劇升高，2#熱風(fēng)爐熱風(fēng)里短管波紋補償器表面溫度最高達到350℃，4#熱風(fēng)爐熱風(fēng)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(fēng)生產(chǎn)。打風(fēng)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(fēng)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(fēng)爐。新3#高爐2005年12月投入使用，當(dāng)高爐熱風(fēng)溫度為1 200℃、熱風(fēng)壓力380 kPa、冷風(fēng)流量5 500 m3/min時，4座熱風(fēng)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(fēng)爐聯(lián)絡(luò)管采用管皮打風(fēng)降溫方式維持生產(chǎn)。

1.2 內(nèi)燃式熱風(fēng)爐

煉鐵總廠11#高爐（2580 m3）配套建設(shè)4座內(nèi)燃式熱風(fēng)爐。11#高爐2001年投入使用，2005年11月開始發(fā)生熱風(fēng)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(fēng)爐無論外燃式、內(nèi)燃式，其送風(fēng)管道破損存在相同的情況，即高爐送風(fēng)一段時間后，熱風(fēng)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(fēng)爐送風(fēng)管道破損原因分析

2.1 7#高爐和11#高爐熱風(fēng)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(fēng)里短管在設(shè)計時，由于場地條件限制，熱風(fēng)爐波紋補償器均安裝在熱風(fēng)里短管上，主要作用是在熱風(fēng)爐燒爐和送風(fēng)的不同條件下，吸收爐殼上漲產(chǎn)生的應(yīng)力。熱風(fēng)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(fēng)里短管上波紋補償器產(chǎn)生向上的剪切力；熱風(fēng)爐送風(fēng)期，熱風(fēng)壓力會對熱風(fēng)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(fēng)。

2.1.2 熱風(fēng)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(fēng)里短管組合磚膨脹設(shè)計不合理。圖1為熱風(fēng)里短管組合磚膨脹縫示意圖。7#高爐熱風(fēng)里短管長度3 631 mm，11#高爐熱風(fēng)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(fēng)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。

圖1 熱風(fēng)里短管組合磚膨脹縫示意圖

熱風(fēng)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(fēng)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(fēng)里短管的變形量[1]：

式中，ΔL為熱風(fēng)里短管管殼的變形量，mm；λ為線變化系數(shù)，查得λ=12×10-6m/m·℃；L為熱風(fēng)里短管管殼的長度，mm；Δt為熱風(fēng)里短管最高工作溫度與環(huán)境溫度之差，℃。以7#高爐熱風(fēng)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(yuǎn)小于設(shè)計的預(yù)留膨脹量（25 mm），且熱風(fēng)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(fēng)時的熱風(fēng)壓力達到330 kPa時，1 200℃高溫的熱風(fēng)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(fēng)或崩開。

2016年8 月，7#高爐2#熱風(fēng)爐停爐檢修，在熱風(fēng)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(fēng)里短管波紋補償器的破損原因。圖2為7#高爐熱風(fēng)爐里短管組合磚膨脹縫破損圖。

圖2 7#高爐熱風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fù)值，若再預(yù)留膨脹縫，必然形成熱風(fēng)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(fēng)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(fēng)通道，當(dāng)熱風(fēng)接觸管皮后，造成管皮紅熱。新3#高爐熱風(fēng)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。

圖3 新3#高爐熱風(fēng)爐拱頂聯(lián)絡(luò)管硅磚膨脹縫圖

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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)通道。由于硅質(zhì)組合磚、輕質(zhì)磚上已經(jīng)形成了熱風(fēng)通道，高溫、高壓的熱風(fēng)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(fēng)或崩開。

3 熱風(fēng)爐送風(fēng)管道破損的解決措施

3.1 改變熱風(fēng)爐波紋補償器的安裝位置

根據(jù)7#和11#高爐熱風(fēng)里短管的破損情況，應(yīng)改變熱風(fēng)爐波紋補償器的安裝位置，將熱風(fēng)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(fēng)爐的送風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fù)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(fēng)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(fēng)管道的長壽命。

4 實施效果

（1） 新 1#高爐（3200 m3）的 3座熱風(fēng)爐依據(jù)輕質(zhì)磚和組合磚厚度比大于1.5的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，于2003年4月投入使用，目前熱風(fēng)里短管使用良好。

（2） 新 4#高爐（2580 m3）熱風(fēng)爐熱風(fēng)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(fēng)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(fēng)里、外短管檢修，改變了熱風(fēng)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(fēng)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(fēng)爐送風(fēng)管道破損情況，提出了解決措施，通過改變熱風(fēng)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(fēng)爐送風(fēng)管道破損問題，提高了熱風(fēng)爐送風(fēng)管道的壽命。