高爐熱風(fēng)管道系統(tǒng)膨脹縫設(shè)置

李東生，田立明，佟敏英，李曉春，趙德勝

（鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧 鞍山 114021）

高爐的熱風(fēng)管道內(nèi)襯由耐火材料構(gòu)成。耐火材料在使用過程中受熱風(fēng)溫度變化的影響，將產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象，并由此產(chǎn)生熱應(yīng)力。在熱風(fēng)管道砌筑過程中，為了避免管道砌體受熱膨脹變形，提高熱風(fēng)管道的使用壽命和生產(chǎn)安全性，減少或消除熱應(yīng)力，通常在設(shè)計熱風(fēng)管道時留設(shè)膨脹縫，既要保證砌體的嚴(yán)密性，又要保證在砌體之間不存在導(dǎo)致砌體損壞的應(yīng)力。當(dāng)膨脹縫留設(shè)位置不當(dāng)或?qū)挾炔粔驎r，會導(dǎo)致砌磚被擠壓損壞或產(chǎn)生裂紋；當(dāng)膨脹縫留得太大時，砌體會不嚴(yán)密，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也被削弱。

鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠高爐熱風(fēng)管道多采用傳統(tǒng)膨脹縫留設(shè)方法砌筑，投入使用后，經(jīng)常出現(xiàn)砌體串風(fēng)、管皮溫度升高甚至發(fā)紅的現(xiàn)象。為解決此問題，對傳統(tǒng)膨脹縫留設(shè)存在的問題進(jìn)行了分析，并提出了合理的熱風(fēng)管道膨脹縫設(shè)置方法。

1 傳統(tǒng)膨脹縫留設(shè)存在的問題

傳統(tǒng)的膨脹縫留設(shè)方法，是按照線膨脹系數(shù)計算熱風(fēng)管道膨脹縫尺寸，主要由使用材料的性質(zhì)和所承受的溫度來決定。一般情況下，取加熱面最高溫度時的理論膨脹量的50%～100%作為基準(zhǔn)。國內(nèi)外資料顯示，各類耐火砌體的線膨脹數(shù)值差不多。多數(shù)熱風(fēng)爐設(shè)計中工作層砌體膨脹縫值［1］見表1。

表1 多數(shù)熱風(fēng)爐設(shè)計中工作層砌體膨脹縫值 mm/m

熱風(fēng)管道工作層磚通常為重質(zhì)高鋁磚，即每米長熱風(fēng)管道工作層磚的膨脹縫值為7～8 mm，傳統(tǒng)膨脹縫依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中，經(jīng)常出現(xiàn)砌體串風(fēng)、管皮溫度升高甚至發(fā)紅的現(xiàn)象，說明膨脹縫尺寸過大、不合理。只有綜合考慮砌體的熱膨脹性、重?zé)€變化及耐火泥漿產(chǎn)生的收縮等因素，才能使留設(shè)的膨脹縫尺寸更加合理，從而保證熱風(fēng)管道系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 熱風(fēng)管道系統(tǒng)膨脹縫合理設(shè)置方法

2.1 工作層磚膨脹縫設(shè)置方法分析

膨脹縫的留設(shè)不僅要考慮耐火材料的熱膨脹性，還要綜合考慮耐火材料的重?zé)€變化、砌磚之間的耐火泥漿帶來的收縮等因素，以使膨脹縫尺寸的大小更加合理。

2.1.1 熱膨脹性

耐火材料受熱時體積膨脹，冷卻后又恢復(fù)到原來的體積，這種隨溫度變化而發(fā)生可逆體積變化的物理性質(zhì)，稱為熱膨脹性。熱膨脹性不僅是重要的使用性質(zhì)，也是工業(yè)爐窯和高溫設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要參數(shù)，一直受到耐火材料使用者的高度關(guān)注。

基于耐火材料熱膨脹性這一熱學(xué)性能，在設(shè)計爐子砌體或制訂烘爐、運(yùn)行制度時，著重考慮它的膨脹量，并以此作為砌體中留設(shè)膨脹縫尺寸的依據(jù)之一。若不考慮耐火材料的熱膨脹性，在爐子砌筑后的烘爐階段，會因?yàn)槠鲶w受熱膨脹而發(fā)生開裂甚至崩塌現(xiàn)象。熱風(fēng)管道系統(tǒng)工作層的軸向膨脹尺寸大小，根據(jù)耐火材料的線膨脹系數(shù)和管道內(nèi)的熱風(fēng)溫度來確定，通?？砂聪率接嬎悖?］：

式中，F(xiàn)為膨脹尺寸，mm；α為線膨脹系數(shù)，10-6℃-1；L為砌體尺寸，mm；t為砌體最高溫度，℃；t0為砌體原始溫度，℃。

在20～1 200℃條件下，取高鋁磚的平均線膨脹系數(shù)為6.5×10-6℃-1，則每米長熱風(fēng)管道的軸向膨脹尺寸為F=6.5×10-6×1 000×(1 200-20)=7.67 mm。由此，10 m長的熱風(fēng)管道將產(chǎn)生7.67×10=76.7 mm的膨脹。

2.1.2 重?zé)€變化

絕大多數(shù)的耐火制品在高溫下長期使用時，體積可能產(chǎn)生不可逆的收縮或膨脹，這種體積的變化稱為殘余收縮或膨脹，也稱重?zé)湛s或膨脹。耐火砌體過大的殘余收縮會導(dǎo)致砌體磚縫增大，不利于砌體的氣密性、整體性、抗渣性和熱穩(wěn)定性，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致砌體下沉以致倒塌；而過大的殘余膨脹會造成砌體內(nèi)部應(yīng)力分布不均，從而破壞原來的幾何形狀，甚至?xí)範(fàn)t子倒塌。因此，無論是殘余收縮或殘余膨脹都會使砌體壽命縮短。

耐火材料在燒成過程中，期間的物理化學(xué)變化一般都未達(dá)到燒成溫度下的平衡狀態(tài)，當(dāng)制品在長期使用過程中，受高溫作用時，一些物理化學(xué)變化仍然會繼續(xù)進(jìn)行，結(jié)果使制品的體積發(fā)生變化——收縮或膨脹。制品產(chǎn)生殘余收縮的過程是制品繼續(xù)致密的過程，由于在高溫時產(chǎn)生液相，在表面張力的作用下，晶相重新分布，使顆粒互相靠緊，產(chǎn)生收縮，如鎂質(zhì)制品、高鋁制品、粘土制品都會產(chǎn)生此種現(xiàn)象。殘余膨脹是由于一些高密度的反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)而形成低密度產(chǎn)物或高密度的晶型向低密度晶型轉(zhuǎn)化未充分完成造成的，如以石英為原料制成的硅磚燒成不充分時，由于鱗石英化和方石英化不足就會產(chǎn)生重?zé)蛎洝?/p>

耐火制品的重?zé)冃瘟渴且豁?xiàng)重要的使用性質(zhì)，對判別制品的高溫體積穩(wěn)定性，從而保證砌體的穩(wěn)定性，減少砌體的縫隙，提高其密封性和耐侵蝕性，避免砌體整體結(jié)構(gòu)的破壞，都具有重要意義。高鋁質(zhì)耐火材料的重?zé)€變化指標(biāo)［3］見表2。

表2 高鋁質(zhì)耐火材料的重?zé)€變化指標(biāo)

熱風(fēng)管道的工作層磚大多為高鋁材質(zhì)，其重?zé)€變化在生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)為收縮，取-0.2%，則每米長度熱風(fēng)管道的重?zé)€變化為-0.2%×1 000=-2 mm，由此，10 m長的熱風(fēng)管道將在軸向產(chǎn)生-2×10=-20 mm的收縮。

2.1.3 耐火泥漿

耐火泥是由粉狀物料和結(jié)合劑組成的供調(diào)制成泥漿用的不定形耐火材料，主要用作砌筑耐火磚的接縫。耐火泥作為接縫材料，其質(zhì)量優(yōu)劣對砌體的質(zhì)量有相當(dāng)大的影響，通過它可以調(diào)整耐火磚的尺寸誤差和不規(guī)整的外形，以使砌體整齊和負(fù)荷均衡，并可使砌體構(gòu)成堅(jiān)固和嚴(yán)密的整體，以抵抗外力的破壞和防止氣體、熔融液的侵入。同時，耐火泥漿也用來消除膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力。有數(shù)據(jù)表明，在800℃條件下，構(gòu)成爐窯內(nèi)襯的單體磚抑制自由膨脹所產(chǎn)生的最大應(yīng)力（計算值）均在100 MPa以上，如此大的應(yīng)力，如果產(chǎn)生在管道或爐墻內(nèi)，會破壞砌磚，發(fā)生管道或爐墻變形等事故。但在生產(chǎn)實(shí)際中，砌磚之間都有泥漿，所以這個應(yīng)力被緩下來和或消除［4］。由此，砌磚之間的耐火泥漿可以認(rèn)為它是單塊磚之間設(shè)置的一個個小膨脹縫。

筑爐時，耐火泥需添加約30%的水分調(diào)制成泥漿，以獲得良好的使用性能。水分一部分被磚吸收，大部分仍留在泥漿中。在自身干燥和烘爐的作用下，泥漿中含有的水分將被蒸發(fā)掉，泥漿粒子間隙中水分的減少，使粒子相互吸引而密集，發(fā)生收縮現(xiàn)象。在水分蒸發(fā)及應(yīng)力的作用下，將產(chǎn)生15%～20%的收縮［5］。若采用長度為300 mm的單磚砌筑10 m長的熱風(fēng)管道工作層時，沿?zé)犸L(fēng)管道軸向?qū)a(chǎn)生33個磚縫，每個磚縫按3 mm計算時，磚縫總長度為：33×3=99 mm，泥漿收縮按15%計，則產(chǎn)生99×15%≈15 mm的收縮。

綜上所述，當(dāng)熱風(fēng)管道工作層磚采用高鋁材質(zhì)砌筑時，10 m長熱風(fēng)管道沿軸向留設(shè)的膨脹縫應(yīng)為：76.7-20-15=41.7 mm，也就是說，每米長度熱風(fēng)管道留設(shè)約4 mm的膨脹縫即可，相比于傳統(tǒng)的每米長度熱風(fēng)管道沿軸向留設(shè)7～8 mm的膨脹縫，縮短了約一半。

2.2 輕質(zhì)隔熱磚膨脹縫設(shè)置方法分析

通常熱風(fēng)管道的砌體沿徑向由內(nèi)而外分別為重質(zhì)高鋁磚、輕質(zhì)高鋁磚、輕質(zhì)粘土磚、耐火纖維氈和噴涂料。熱風(fēng)管道沿軸向砌筑的輕質(zhì)高鋁和輕質(zhì)粘土磚的長度通常為230 mm，所以，在10 m長的熱風(fēng)管道上沿軸向砌筑的輕質(zhì)磚之間產(chǎn)生的磚縫總長度，將比長度為300 mm的重質(zhì)高鋁磚之間的磚縫總長度多43%。輕質(zhì)耐火磚的重?zé)€變化指標(biāo)見表3，可以看出輕質(zhì)耐火磚的重?zé)€變化表現(xiàn)為收縮，由于輕質(zhì)隔熱磚的平均磚體溫度不高，產(chǎn)生的膨脹相對小，靠輕質(zhì)磚自身的重?zé)€變化和泥漿的收縮便可吸收其產(chǎn)生的膨脹，因此，沿?zé)犸L(fēng)管道輕質(zhì)磚的軸向和徑向的膨脹縫全部取消。同時，沿徑向取消耐火纖維氈，防止管道砌體受熱風(fēng)壓力沿徑向產(chǎn)生位移，形成串風(fēng)。

表3 輕質(zhì)耐火材料的重?zé)€變化指標(biāo)

3 熱風(fēng)管道膨脹縫設(shè)置實(shí)際應(yīng)用

2014年鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠11號高爐大修時，熱風(fēng)爐管道重新進(jìn)行了砌筑，工作層材質(zhì)為高鋁質(zhì)，另敷兩層隔熱磚，分別是輕質(zhì)高鋁磚和輕質(zhì)粘土磚。在實(shí)際砌筑過程中，高鋁質(zhì)的工作層沿軸向按每米4 mm留設(shè)膨脹縫，輕質(zhì)隔熱磚在軸向和徑向都不留設(shè)膨脹縫。2016年2月29日，在11號高爐生產(chǎn)正常，熱風(fēng)流量3 790 m3/min，熱風(fēng)壓力350 kPa，熱風(fēng)溫度1 195℃時進(jìn)行了熱風(fēng)管道管皮表面溫度測試，測試結(jié)果見表4。

表4 熱風(fēng)管道管皮表面溫度測試結(jié)果 ℃

熱風(fēng)管道管皮溫度設(shè)計范圍為80～150℃。由表4可以看出，熱風(fēng)管道各部分的管皮溫度都低于設(shè)計上限，有的甚至低于下限，說明熱風(fēng)管道膨脹縫設(shè)置合理，應(yīng)用效果良好，達(dá)到了預(yù)期目的。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)高爐熱風(fēng)管道系統(tǒng)膨脹縫設(shè)置存在問題，膨脹縫留設(shè)過大、不合理。綜合考慮砌體的熱膨脹性和重?zé)€變化及耐火泥漿產(chǎn)生的收縮等因素，提 出合理的熱風(fēng)管道系統(tǒng)膨脹縫設(shè)置方法，即熱風(fēng)管道工作層采用高鋁重質(zhì)磚砌筑時，膨脹縫沿軸向按每米4 mm留設(shè)；熱風(fēng)管道的輕質(zhì)隔熱磚沿軸向和徑向均不設(shè)膨脹縫，同時沿徑向取消耐火纖維氈。此方法應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中，效果良好，對生產(chǎn)實(shí)際中熱風(fēng)管道的砌筑具有指導(dǎo)意義。