南鋼新7號熱風(fēng)爐混風(fēng)腔垮塌整體澆注修復(fù)

馬驍一，薛海濤，叢培源

（中冶武漢冶金建筑研究院有限公司，湖北 武漢430081）

南鋼新7號高爐爐容2 000 m3，投產(chǎn)使用超過5年，熱風(fēng)爐一直運(yùn)行良好，但混風(fēng)室部位爐殼溫度一直偏高。本次工程前按照既定計(jì)劃，7號高爐休風(fēng)三天進(jìn)行年休。高爐復(fù)風(fēng)24 h后，發(fā)現(xiàn)混風(fēng)腔上方500 mm×500 mm的區(qū)域溫度到達(dá)500℃，南鋼鐵廠進(jìn)行了臨時(shí)打抱箍處理，但隨后發(fā)現(xiàn)抱箍側(cè)壁溫度仍然上升，使用高壓空氣強(qiáng)冷后溫度仍然超過400℃，安全隱患重大，有吹開爐殼的危險(xiǎn)。

1 混風(fēng)腔溫度超標(biāo)原因分析

混風(fēng)腔結(jié)構(gòu)如圖1所示。此區(qū)域?yàn)槔滹L(fēng)與熱風(fēng)進(jìn)行混合的混風(fēng)腔體，冷風(fēng)沿著內(nèi)膽與外膽之間的空隙進(jìn)入熱風(fēng)主管后沿預(yù)留在內(nèi)膽上的進(jìn)風(fēng)口與熱風(fēng)進(jìn)行混合，此區(qū)域混風(fēng)腔內(nèi)部全部采用澆注料進(jìn)行澆注。

圖1 混風(fēng)腔結(jié)構(gòu)示意圖

針對此溫度超標(biāo)情況，經(jīng)過現(xiàn)場分析，內(nèi)襯破損情況有兩種可能：

（1）僅混風(fēng)腔外膽300 mm厚度的澆注料垮塌

混風(fēng)腔頂部500 mm×500 mm區(qū)域溫度超過500℃，已經(jīng)確定此區(qū)域澆注料垮塌，但內(nèi)膽完好。

原因：年休前只存在局部點(diǎn)位溫度超標(biāo)現(xiàn)象，主要區(qū)域溫度一直不高，年休過程中管道溫度下降，送風(fēng)后由于澆注料的熱脹冷縮等原因，導(dǎo)致外腔頂部300 mm厚的澆注料層垮塌了500 mm×500 mm的區(qū)域。

（2）混風(fēng)腔內(nèi)膽垮塌，外腔澆注料層垮塌

如此情況發(fā)生，情況較惡劣，內(nèi)膽澆注料垮塌，熱風(fēng)在此區(qū)域形成旋渦，沖刷只有300 mm厚度的外腔澆注料層，澆注料層逐漸變薄，最后導(dǎo)致外腔整個(gè)上部垮塌。

針對此情況，確定了如下修復(fù)思路：

高爐休風(fēng)，按照48 h的休風(fēng)計(jì)劃做準(zhǔn)備；

拆除上部抱箍；

切割開溫度超標(biāo)區(qū)域500 mm×500 mm作為觀察孔，確定內(nèi)部掉磚情況。

如發(fā)生情況（1），僅外腔局部區(qū)域澆注料垮塌，直接吊鋼模，進(jìn)行熱態(tài)澆注。

如發(fā)生情況（2），混風(fēng)腔的內(nèi)膽與外腔體全部垮塌，則不再恢復(fù)腔體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行整體澆注，熱風(fēng)與冷風(fēng)直接混合。

在如上施工思路的指導(dǎo)下，開始做各項(xiàng)施工準(zhǔn)備工作，如在施工區(qū)域搭建施工平臺，模板預(yù)先卷制，材料生產(chǎn)與發(fā)貨，施工人員的分工安排等，準(zhǔn)備工作結(jié)束后，按照計(jì)劃高爐開始休風(fēng)。

2 現(xiàn)場施工情況詳述

2.1 切割頂部抱箍

切割掉頂部抱箍（見圖2），清理掉抱箍內(nèi)部灌漿料后發(fā)現(xiàn)，溫度超標(biāo)區(qū)域Φ500 mm里面澆筑的澆注料已經(jīng)被吹開，熱風(fēng)直接沖刷外部抱箍，為安全生產(chǎn)留下了極大的隱患，南鋼新鐵廠確定此次休風(fēng)施工的及時(shí)與高效避免了一次嚴(yán)重惡性事故的發(fā)生。

圖2 切割混風(fēng)腔頂部抱箍作業(yè)現(xiàn)場圖

2.2 切割觀察孔

切割出Φ500 mm的觀察孔（見圖3），打開觀察孔后發(fā)現(xiàn)，外腔頂部厚度為300 mm的澆注料層全部垮塌，并且混風(fēng)腔內(nèi)膽上部澆注料也全部垮塌，垮塌的澆注料已經(jīng)將內(nèi)膽下部進(jìn)風(fēng)口封死。混風(fēng)腔已經(jīng)失去原有設(shè)計(jì)上的冷熱風(fēng)混合充分的結(jié)構(gòu)。

圖3 混風(fēng)腔觀察孔實(shí)物圖

2.3 切割施工天窗

根據(jù)觀察孔觀察得到垮塌情況，切割出2 m×2.4 m的施工天窗（見圖4），方便殘料的清理、模板的放入以及澆注施工。

圖4 澆注天窗實(shí)物圖

2.4 纖維氈做擋墻，封堵管道降溫

垮塌進(jìn)入管道內(nèi)材料較多，需要人工進(jìn)入清理垮塌的耐火材料，故管道要降溫（見圖5），降溫方法如下：

（1）使用耐火纖維氈封搭建擋墻，堵住管道兩側(cè)熱量，降低施工區(qū)域管道內(nèi)溫度；

（2）打開倒流閥，使管道內(nèi)形成負(fù)壓，防止熱量沿施工口上竄；

（3）開啟混風(fēng)閥，利用冷風(fēng)直吹降溫；

（4）上部放置多臺風(fēng)機(jī)，直吹降溫。

2.5 垮塌澆注料清理

清理出垮塌的耐材內(nèi)襯，并且使用風(fēng)鎬拆除內(nèi)膽下部的澆注料，去除整個(gè)混風(fēng)腔體，并使用高壓空氣吹干凈表面，為整體澆注做準(zhǔn)備（見圖6）。

圖5 纖維氈封堵降溫施工現(xiàn)場圖

圖6 混風(fēng)腔拆除施工現(xiàn)場圖

2.6 支底模板

模板采用6 mm厚的鋼板，鋼板根據(jù)管道內(nèi)徑尺寸預(yù)先卷制好，切割成三塊放入管道底部；使用6 mm厚鋼板按照冷風(fēng)管道內(nèi)徑尺寸做成圓筒塞入冷風(fēng)管道，并且與主管道底模板對接；混風(fēng)進(jìn)口呈現(xiàn)喇叭形，為了防止?jié)沧⒘狭魅牖祜L(fēng)管道內(nèi)，使用纖維氈將喇叭口塞死；模板安裝完成后，使用角鋼把底模與管道上部爐殼固定住，既懸掛底模，又防止在澆注施工過程中澆注料將底模頂起（見圖7）。

圖7 安裝底部模板施工現(xiàn)場圖

2.7 底模區(qū)域澆注

攪拌機(jī)安放在施工平臺，澆注料采用強(qiáng)制攪拌機(jī)攪拌好，采用振動棒振動澆注，振動時(shí)應(yīng)做到有序振動，一般以表面無豆大氣泡翻出為宜，攪拌好的物料應(yīng)在30 min內(nèi)施工完畢；振動時(shí)振動棒應(yīng)緩慢插入料層，連續(xù)移動至各部位緩慢拔出，以防止留下孔洞，直到最后表面返漿，排氣較少和不沉降為止，材料密實(shí)填充模板與原磚襯之間的縫隙，澆注出底部的半圓形管道（見圖8）。

2.8 支頂模板

圖8 底部管道澆注施工現(xiàn)場圖

頂模板分三塊安裝，使用纖維氈塞死模板與原有磚襯之間縫隙，防止?jié)沧⒘狭魅牍艿?；最后一塊頂模板安裝前，拆除纖維氈擋墻；兩邊兩塊模板使用角鋼與底模焊接，支撐上部澆注料；在頂模板使用不銹鋼圓鋼焊接在上部爐殼，吊裝頂摸，支撐上部澆注料（見圖 9）。

圖9 安裝頂部模板施工現(xiàn)場圖

2.9 頂模區(qū)域澆注

頂模安裝結(jié)束后，開始澆注，澆注過程中邊澆注邊使用振動棒振動；澆注料與施工口側(cè)面平齊后，安裝原蓋板，在原蓋板上的觀察孔繼續(xù)澆注；澆注滿后，養(yǎng)護(hù)40 min，澆注料固化后，拆除原蓋板（見圖10）。

圖10 澆注管道上部施工現(xiàn)場圖

2.10 新殼體的鋪設(shè)與焊接

澆注料突起部分鏟平，放置新殼體蓋板。澆注料頂部鋪設(shè)20 mm厚的耐火纖維氈；對新蓋板焊接，并且在焊縫處焊接筋板；蓋板上預(yù)留出3個(gè)排氣孔并安裝上不銹鋼球閥，送風(fēng)過程中球閥打開，排氣結(jié)束后關(guān)閉球閥，此排氣孔可作為下次休風(fēng)灌漿用灌漿孔（見圖 11）。

2.11 送風(fēng)后，溫度檢測

本次修復(fù)休風(fēng)時(shí)間合計(jì)為30 h，復(fù)風(fēng)后，送風(fēng)溫度控制在850℃以內(nèi)，先送風(fēng)12 h，然后送風(fēng)溫度1 080℃，送風(fēng)8 h后熱風(fēng)爐開始正常使用溫度。

圖11 安裝新爐殼施工現(xiàn)場圖

正常使用2 d后，對澆注區(qū)域進(jìn)行溫度檢測，澆注部分溫度100℃以內(nèi)，澆注料與原有磚襯之間縫隙最高點(diǎn)位溫度為112℃，效果理想。

筋板焊接及表面測溫情況見圖12、圖13。

圖12 焊接筋板施工現(xiàn)場圖

圖13 表面測溫現(xiàn)場圖

3 澆注用材料的選擇

熱風(fēng)爐系統(tǒng)內(nèi)襯耐材可籠統(tǒng)概述為由保溫層和工作襯組成，本次修復(fù)為恢復(fù)熱風(fēng)爐管道的工作襯體。工作襯修復(fù)用材料，應(yīng)根據(jù)熱風(fēng)爐不同部位采用與其設(shè)計(jì)相對應(yīng)的材料，但熱態(tài)修復(fù)條件下，考慮到使用量少、采購方便、簡化施工等原因，可選擇溶膠結(jié)合剛玉莫來石質(zhì)澆注料[1-2]作為工作襯使用。

以溶膠作為結(jié)合劑的剛玉莫來石澆注料，經(jīng)固化后實(shí)際含水量為5%左右，屬游離的自由水存在于襯體中，當(dāng)熱面溫度升到300℃時(shí)通過一定時(shí)間的烘烤可排除襯體內(nèi)的自由水分。膠粒間經(jīng)縮合反應(yīng)和與粉體間的吸附作用使基質(zhì)內(nèi)形成了有效的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，使排出水蒸汽的有效通道均勻暢通，同時(shí)具有理想的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度作為保證，至使水分能快速排出襯體。這一特性是目前常用的同類型不定形耐火材料無法比擬的，比如：當(dāng)采用低水泥澆注料作為襯體時(shí)，基質(zhì)部分在未形成莫來石前狀似散狀堆積顆粒，在低溫段因水泥水化作用晶粒增長導(dǎo)致體積密度增加，排水通道不暢，而無水泥結(jié)合澆注料則低溫強(qiáng)度偏小，這些襯體均需要在較小的蒸汽壓力下趨之平衡，唯一的途徑是延長烘烤時(shí)間，降低升溫速度，減少因此產(chǎn)生的蒸汽量，達(dá)到襯體內(nèi)的蒸汽壓力小于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。工業(yè)窯爐高溫?fù)屝薏课徊牧现苯咏佑|高溫（通常施工部位溫度＞400℃），不具備烘烤條件，溶膠結(jié)合剛玉莫來石澆注料可以足夠滿足現(xiàn)場搶修用的條件。

而且其具有耐熱風(fēng)沖刷、良好的中高溫強(qiáng)度及熱振穩(wěn)定性，并且在高溫?zé)Y(jié)后與原有耐火磚襯能夠良好結(jié)合等特點(diǎn)。筆者所在公司使用此類型材料對多座熱風(fēng)爐工作襯進(jìn)行了澆筑修復(fù)，效果較理想。本次修復(fù)施工共計(jì)使用溶膠結(jié)合剛玉莫來石質(zhì)澆注料18 t，其材料性能指標(biāo)見表1。

表1 修復(fù)用澆注料性能指標(biāo)

4 結(jié)語

熱風(fēng)爐作為高爐附屬設(shè)備，要求服役1～2代高爐爐齡，而熱風(fēng)爐實(shí)際使用壽命常由熱風(fēng)爐系統(tǒng)耐材內(nèi)襯決定。熱風(fēng)爐耐材內(nèi)襯在使用過程中會發(fā)生不同程度的破損，時(shí)常有渣化、變形、破裂、掉磚、甚至垮塌等現(xiàn)象，造成熱風(fēng)爐本體及其管網(wǎng)產(chǎn)生竄風(fēng)漏氣、局部過熱、發(fā)紅變形等危險(xiǎn)隱患，甚至發(fā)生燒穿、爆裂等惡性事故。利用高爐短休風(fēng)時(shí)間，對爐內(nèi)耐材內(nèi)襯熱態(tài)下進(jìn)行維護(hù)與修復(fù)，延長熱風(fēng)爐內(nèi)耐材內(nèi)襯的使用壽命，一直是各鋼鐵廠家所追求的。本次利用30 h高爐短休風(fēng)，恢復(fù)了熱風(fēng)爐混風(fēng)腔，達(dá)到了預(yù)期效果。

目前，很多熱風(fēng)爐使用廠家發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)爐系統(tǒng)溫度超標(biāo)后常采用外抱箍、風(fēng)冷、水冷等方式直接外部冷卻鋼殼。此方式對爐殼鋼結(jié)構(gòu)有極大的影響，故我們建議盡量修復(fù)破損耐材，從源頭上恢復(fù)耐材結(jié)構(gòu)，不建議采用外抱箍、風(fēng)冷、水冷方式作為長期維護(hù)溫度超標(biāo)區(qū)域爐殼的安全手段。各類工業(yè)窯爐耐材破損后，由于工期及實(shí)際安裝情況所限制，部分區(qū)域無法采用定型磚制品進(jìn)行恢復(fù)，我單位采用溶膠結(jié)合剛玉莫來石質(zhì)澆注料代替爐內(nèi)重質(zhì)磚作為工作襯使用取得了良好的效果，已經(jīng)多次多處用于了熱風(fēng)爐拱頂、熱風(fēng)爐本體、熱風(fēng)爐管道系統(tǒng)、高爐爐襯等高溫部位，足夠滿足現(xiàn)場使用要求。此類型澆注料具有耐熱風(fēng)沖刷、良好的中高溫強(qiáng)度及熱振穩(wěn)定性，并且在高溫?zé)Y(jié)后與原有耐火磚襯能夠良好地結(jié)合，澆筑施工后無需烘烤等特點(diǎn)，極其方便工業(yè)窯爐高溫部位的搶修施工，能夠達(dá)到甚至超過同類定型制品的使用效果。