高爐本體修補(bǔ)及附屬設(shè)備的改進(jìn)方案研究

楊 姝，張 慧

黨的十八大以來，我國在重點(diǎn)行業(yè)內(nèi)開始多方位布局，供給側(cè)結(jié)構(gòu)調(diào)整全面深入進(jìn)行。作為國家基礎(chǔ)命脈的金屬冶煉行業(yè)也隨之邁入了調(diào)整期。環(huán)保監(jiān)管力度的加強(qiáng)，以及企業(yè)和個人的生態(tài)和環(huán)保意識的不斷提升也讓該行業(yè)步入了新的發(fā)展階段。高爐冶煉是當(dāng)前主要依賴的金屬冶煉方法之一，也是生產(chǎn)環(huán)節(jié)中重要的組成部分。利用高爐進(jìn)行金屬冶煉技術(shù)成熟，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，產(chǎn)量可以滿足要求，且生產(chǎn)效率高。因此，世界各地都在推廣使用。

對于一個企業(yè)來講，高爐的使用壽命是十分重要的一項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)。高爐本體的維護(hù)工作就是重中之重。為了延長高爐的使用壽命并降低使用成本，我們就需要對企業(yè)的高爐狀態(tài)進(jìn)行定期的跟蹤，并分析出高爐本體及附屬設(shè)備的異常狀態(tài)出現(xiàn)的原因，并進(jìn)一步地改進(jìn)。

本文針對高爐本體和附屬設(shè)備的異常狀態(tài)，分析原因，探究新方法新技術(shù)。根據(jù)高爐實(shí)際情況，對市面常見的高爐本體修補(bǔ)用料進(jìn)行了試用試驗(yàn)并將試用后的效果進(jìn)行了全方位的比較，創(chuàng)新性研發(fā)了一種適用于高爐本體修補(bǔ)的新型材料，并將該材料與高爐本體結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部耐熱材料相結(jié)合進(jìn)行研究，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，利用不同形式結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)封罩完善修補(bǔ)方案，提出了新的高爐本體修補(bǔ)方法和附屬設(shè)備的改進(jìn)方案來確保使用效果和生產(chǎn)穩(wěn)定，減少修補(bǔ)時間，實(shí)現(xiàn)高爐效益的最大化。

1 高爐本體以及附屬設(shè)備

1.1 高爐現(xiàn)狀

世界工業(yè)經(jīng)過多個時期的科技發(fā)展和生產(chǎn)變革，金屬的高爐冶煉成為了生產(chǎn)中的中心環(huán)節(jié)。目前，隨著全球科技的發(fā)展以及各國間的競爭日趨激烈，各國都在淘汰落后產(chǎn)能。高爐因其能耗低，工藝簡單，技術(shù)成熟，因此易于使用和推廣。在現(xiàn)代工藝中，高爐需要不斷提升冶煉效率，同時向自動化智能化前行。當(dāng)前，企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的還是資源循環(huán)利用以及如何減少維護(hù)成本和時間進(jìn)一步延長高爐的使用壽命等方面。

1.2 高爐本體

高爐設(shè)備主要包括：高爐本體，高爐裝料設(shè)備，高爐煤氣清洗設(shè)備、高爐熱風(fēng)爐，高爐除塵器，水渣處理設(shè)備，高爐冷卻設(shè)備等。而高爐本體是高爐冶煉設(shè)備的核心組成部分。

1.2.1 高爐本體的基本結(jié)構(gòu)

高爐通常的體積是十分巨大的。其本體是橫斷面為圓形的豎爐，而其外部絕大部分是鋼材質(zhì)，通常都是采用自立式結(jié)構(gòu)通過焊接將鋼結(jié)構(gòu)連接在一起，框架支撐各層平臺的重量。爐體的截面為正圓形，爐體的內(nèi)部需要堆砌耐火磚和澆筑的耐火材料（總厚度需要達(dá)到55cm以上），爐底鋪設(shè)碳磚和粘土磚。爐缸承受高爐冶煉過程中的重量和熱量。爐頂封罩主要用于收集煤氣流。金屬熔化后呈液態(tài)匯聚在高爐本體內(nèi)，助劑輔料按照設(shè)計(jì)比例由輸送皮帶分批次運(yùn)送到上部料罐。高爐本體下部有高熱助燃劑。高爐本體上部有煤氣上升管進(jìn)行煤氣輸送。煤氣可以不斷地進(jìn)入到清洗設(shè)備中，這樣做可以循環(huán)利用能源而不會大量浪費(fèi)。為延長高爐的使用壽命，冷卻系統(tǒng)的冷卻壁與冷卻板需要間隔進(jìn)行放置。

常見的高爐內(nèi)部主要是五段式的結(jié)構(gòu)。但是，我們要通過設(shè)計(jì)與計(jì)算，將各條件、制度、規(guī)律進(jìn)行精密計(jì)算，充分結(jié)合高爐內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行合理布局分配和改進(jìn)設(shè)計(jì)，這樣才能確保效率。高爐本體內(nèi)外部結(jié)構(gòu)中主要包含了爐底、爐缸、爐腹、爐腰、爐身、爐喉、爐頂、炭塊、莫來石磚、襯鑲磚冷卻壁以及鋼磚。

其中，耐火磚圍砌成了的高爐本體的內(nèi)部空間。

1.2.2 高爐本體的常見故障

目前，常見的高爐本體受到的主要侵害包括：①煤氣流沖刷以及機(jī)械磨損；②積碳滲入導(dǎo)致爐體膨脹；③活潑金屬的氧化膨脹；④易熔化合物侵蝕。

綜合多方面調(diào)查研究，當(dāng)前高爐的內(nèi)部防護(hù)破壞造成爐身發(fā)紅以及焊縫開裂造成大量煤氣泄漏是非常常見的故障，不得已的情況下，生產(chǎn)過程中只能采用外部灑水的粗暴方法來冷卻爐體防止爆炸。對于有的爐體，我們在現(xiàn)場可以看到，其爐身泄漏密集嚴(yán)重，這就可以看出高爐本體內(nèi)部的耐熱材料缺失嚴(yán)重。由于長期采用外部灑水降溫，水蒸汽較大，只能通過在其外部架設(shè)保護(hù)殼的方式進(jìn)行維護(hù)。但是這種方式也不能堅(jiān)持很久，焊縫泄漏點(diǎn)還是會越來越多，泄漏量也會越來越大。因此，我們需要從各方面去確認(rèn)焊縫開裂程度、泄漏量、蒸汽量，然后進(jìn)行系統(tǒng)性判斷，對現(xiàn)有修補(bǔ)工藝加以分析并對具體情況具體分析，區(qū)別處理。詳細(xì)故障危害主要包括五個方面，其一，爐身或者爐皮的發(fā)紅會導(dǎo)致故障頻發(fā)，且相對集中，高爐本體就無法維持穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)；其二，爐身溫度異常升高，如果過高，甚至超過一千攝氏度，高爐的安全可能就會出問題，可能有爆炸的危險；其三，爐殼開裂會導(dǎo)致爐體耐熱材料熱疲勞，加速爐體損壞程度。爐體的本體材料損耗速度也會加??；其四，爐身的煤氣泄露會導(dǎo)致煤氣串流，造成高爐區(qū)域環(huán)境惡化，影響人身安全；其五，高爐冷卻設(shè)備腐蝕結(jié)垢也會影響高爐的運(yùn)行壽命。

1.3 附屬設(shè)備

相對來講，高爐的附屬設(shè)備的建設(shè)投資成本比高爐本體還高。在冶煉的過程中，高爐的各個系統(tǒng)之間是相互聯(lián)系又互相制約的。在這個穩(wěn)定的高溫生產(chǎn)環(huán)境中，除了計(jì)劃維護(hù)和不可預(yù)知的重大事故，高爐本體及其附屬設(shè)備必須連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)不能停機(jī)直到達(dá)到使用壽命。

1.4 故障原因

綜合來看，目前出現(xiàn)的幾類故障主要的原因是以下四點(diǎn)。

1.4.1 高爐本體的爐襯損壞導(dǎo)致爐體腐蝕

爐襯位于高爐本體下部。爐料和煤氣的摩擦和沖刷，以及堿金屬、鋅和二氧化碳?xì)怏w的長期侵入會引起爐襯破裂，損壞。一般爐襯的侵蝕都會很嚴(yán)重。當(dāng)爐襯受侵蝕膨脹會導(dǎo)致砌體上漲，反復(fù)加劇后，嚴(yán)重時，高爐本體的外殼就會因?yàn)槭軡q而出現(xiàn)破裂的現(xiàn)象。此外，煤氣流的波動以及爐料的脫落會引起爐襯內(nèi)溫度突然升高，進(jìn)而導(dǎo)致爐襯被破壞。

1.4.2 溫差導(dǎo)致高爐本體外殼開裂

當(dāng)高爐內(nèi)襯減薄時，高爐爐體外殼的內(nèi)外溫差會隨之增加，此時應(yīng)力也會隨之增大，爐殼承受的負(fù)荷急劇地增加，這就導(dǎo)致殼體的剛度減弱小，失去保護(hù)能力。此外，高爐本體的外皮的變形和退火疲勞也同時是爐殼開裂的催化劑。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)受熱溫度高于280℃時，爐殼是極為容易開裂的。

1.4.3 高爐冷卻板泄漏導(dǎo)致高爐本體開裂

相關(guān)調(diào)查顯示,高爐冷卻板一旦破損，爐殼的開裂現(xiàn)象也會隨之發(fā)生，而且呈現(xiàn)日益嚴(yán)重的趨勢。高爐使用的年頭越長，爐內(nèi)襯越薄，冷卻板的冷卻強(qiáng)度也會下降得很明顯，達(dá)到極限后破損會非常嚴(yán)重。當(dāng)其無法發(fā)揮冷卻作用時，熱量散發(fā)，就會把高爐本體的外皮燒紅，導(dǎo)致焊縫開裂，泄漏點(diǎn)越來越多。

1.4.4 附屬設(shè)備腐蝕原因

高爐在運(yùn)行過程中，水中大量溶解氧以及腐蝕性粒子和微生物，均會粘附在金屬表面對爐體和附屬設(shè)施上面的金屬部位產(chǎn)生腐蝕。其次，高爐中的水污染較大，渾濁，純凈度低，懸浮物顆粒物非常多，過濾系統(tǒng)沒法完全過濾掉這些東西，導(dǎo)致附屬設(shè)施也被腐蝕，引起系統(tǒng)故障。

2 高爐本體的修補(bǔ)方法和技術(shù)

2.1 高爐本體的修補(bǔ)法

當(dāng)前，對于高爐本體的爐缸、爐身部位出現(xiàn)的開裂進(jìn)行的修補(bǔ)，主要就是采用修復(fù)壓漿法。這種壓漿法可以封堵住氣體泄漏。此外，在高爐冷卻區(qū)域也可以利用這種方法進(jìn)行修補(bǔ)。高爐的長期運(yùn)行不可避免的老化、磨損與腐蝕，高爐本體肯定會越來越薄，冷卻設(shè)備也是在隨之常年的磨損。利用這種方法，我們就可以把高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性、附著性和耐磨性的耐火材料，以液態(tài)的方式輸入管道，然后利用高壓壓入高爐本體內(nèi)，形成新的保護(hù)膜。而且這種方法成型快，恢復(fù)快，用時極短。

對于材料的選擇，我們提出采用性能優(yōu)良的硅溶膠作為耐火材料的結(jié)合劑，并用于爐底筑料。同時，我們選用纖維素和高鋁礬土混合成灌漿料，這種新配方的灌漿料在常溫下就能固化，都溫度要求不高，而且固化的時間很短，大大節(jié)省了維修時間。基于大量的研究，我們從市面上找到了多種壓入料，并通過試用對比，找出每種壓入料的優(yōu)勢性能，從而創(chuàng)新性地添加了改性復(fù)合樹脂與碳化硅成分。這樣做可以把壓入料的粘結(jié)性和固化速率提高百分之五十以上。

2.2 修補(bǔ)流程

操作前準(zhǔn)備工作：

將新混合的壓入料放置在10℃～25℃的環(huán)境中。檢查液壓油油位線，校驗(yàn)壓力表，檢查電氣箱和電源線，檢查風(fēng)動系統(tǒng)，檢查水冷卻器裝置。立管用細(xì)鋼絲繩吊管捆扎，用手拉葫蘆掛鉤作保險。

采用壓入法的具體操作流程如下所述：

（1）首先潤滑設(shè)備與管道，隨即壓料。

（2）壓入量計(jì)算。

（3）控制壓力。

（4）按順序壓入相鄰及上下的孔洞。

（5）只保持唯一的一個孔壓入，周圍的孔洞全部關(guān)閉。

（6）結(jié)束壓入，封閉。

（7）循環(huán)作業(yè)，直至全部孔洞壓入完畢。進(jìn)行設(shè)備清洗、保養(yǎng)。

在操作中，需要注意的是，我們要根據(jù)爐體溫度的變化、高爐本體的發(fā)紅狀態(tài)、以及壓入孔的實(shí)際測量數(shù)據(jù)實(shí)時跟蹤確認(rèn)壓入量，這樣才能確保壓入效果。

2.3 修補(bǔ)技術(shù)

2.3.1 傳統(tǒng)修補(bǔ)技術(shù)

隨著爐齡的增加，高爐本體焊縫泄漏會越來越嚴(yán)重，處于薄弱環(huán)節(jié)的冷卻板焊縫也會出現(xiàn)開裂泄漏，并且由量變演變?yōu)橘|(zhì)變。通過資料的研究和分析，傳統(tǒng)上比較實(shí)用的修補(bǔ)技術(shù)包括全密封封罩、二次全密封封罩、帶波紋管式封罩、點(diǎn)焊式通水封罩、十字通水封罩等技術(shù)。一般在高爐本體開裂的初期，為避免安全事故，通常都是采用全密封罩密封的修補(bǔ)技術(shù)，其設(shè)計(jì)簡單，密封效果好，實(shí)用性更強(qiáng)。但是，隨著使用全密封封罩已無法維持高爐正常運(yùn)轉(zhuǎn)，就需要重新設(shè)計(jì)安裝二次的全密封封罩，保持高爐的運(yùn)行穩(wěn)定性。對于單純的開裂，帶膨脹節(jié)的封罩具有自補(bǔ)償作用可以進(jìn)行修補(bǔ)。當(dāng)溫度變化過快時，通水的密封罩技術(shù)使用效果較好。

2.3.2 創(chuàng)新性修補(bǔ)技術(shù)

全密封罩密封的修補(bǔ)技術(shù)設(shè)計(jì)簡單，密封效果好，但壽命不長。帶波紋管的封罩可以有效降低開裂，但受溫度影響大。通水式的封罩溫度控制效果好，但安裝要求較高，能耗大。通過對傳統(tǒng)高爐本體修復(fù)封罩結(jié)構(gòu)的研究，以及對傳統(tǒng)技術(shù)的問題的分析后，在多方協(xié)作下，提出了新的封罩技術(shù)，采用封罩下部水平段滿焊，且有螺絲固定拆卸方便，均勻出水，節(jié)約修補(bǔ)時間，還可以反復(fù)利用。新的技術(shù)避免傳統(tǒng)技術(shù)的弊端，有效控制住高爐本體開裂，避免了升溫過高、氣體泄漏等問題的產(chǎn)生。此外，當(dāng)高爐本體泄漏加劇時，新的技術(shù)仍可以控制住，不會導(dǎo)致高爐休風(fēng)。

3 附屬設(shè)備的改進(jìn)

在研究了高爐附屬設(shè)備上的拉桿之后，我們作了深入分析，找出當(dāng)前的問題，然后原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，對其強(qiáng)度進(jìn)行重新校核，之后再試驗(yàn)、改進(jìn)并提出了新的方案，更便于實(shí)際操作。并分析了對拉桿中關(guān)鍵彈簧的受力情況，確定彈簧參數(shù)后，對彈簧進(jìn)行了更換，確保附屬設(shè)備更加安全可靠。改進(jìn)后的附屬設(shè)備中，主要改進(jìn)方面包括長度可調(diào)節(jié)的螺絲，彈力可調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)器，設(shè)備的保護(hù)罩，強(qiáng)度加強(qiáng)型彈簧，以及調(diào)節(jié)手等。

改進(jìn)技術(shù)中關(guān)鍵是要采用雙向兩端固定法并配置預(yù)壓縮型彈簧。彈性力的方向需要反向于波紋管的方向。在位移沒發(fā)生時，雙方的自重的斜向分力必須大小相同，這樣就不會出現(xiàn)自重下垂的情況，并能準(zhǔn)確定位。

我們采用正反螺紋將波紋管與彈簧之間的連桿聯(lián)接，并采用十字手柄調(diào)整拉桿的長度。彈性拉桿要安裝在送風(fēng)系統(tǒng)中的送風(fēng)支管的上部，這樣才能防止外力作用，使波紋管正常變形，并同時延長波紋管的使用年限。根據(jù)拉桿的受力大小來決定彈簧的材質(zhì)、強(qiáng)度和長度。按Ⅲ類彈簧標(biāo)準(zhǔn)來選擇彈簧，而且彈簧要能承受載荷作用110次以下，并且結(jié)構(gòu)緊湊，這樣才能便于更換。

4 結(jié)論

高爐本體的使用壽命是至關(guān)重要的。要想用的更穩(wěn)定長久，就必須要注重高爐本體以及附屬設(shè)備的維護(hù)工作。本文通過分析發(fā)現(xiàn)了高爐本體存在的主要問題：高爐本體發(fā)紅、高爐本體開裂、高爐本體泄漏和附屬冷卻設(shè)備的腐蝕。針對這些問題，從實(shí)際出發(fā)，研究出了不同材質(zhì)、不同形式的封罩，并創(chuàng)新設(shè)計(jì)了新的封罩，即點(diǎn)焊式通水封罩和十字通水封罩。通過分析高爐主體裂縫泄露情況，對比不同材料的特性和試用情況，提出了新的高爐本體灌漿技術(shù)。分析了目前高爐上部拉桿存在的問題并改進(jìn)了高爐附屬設(shè)備，設(shè)計(jì)了便于操作的新式帶彈簧的拉桿，保證了高爐主體的安全穩(wěn)定。

此外，我們還要做好對高爐主體以及附屬設(shè)備的長期跟蹤和監(jiān)控，建立運(yùn)行大數(shù)據(jù)庫。制定定期維護(hù)計(jì)劃，掌握維護(hù)時機(jī)合理安排作業(yè)。與此同時，我們也要積極地去研發(fā)新型的壓入料來延長高爐壽命。充分利用當(dāng)今智能化自動化趨勢，利用相關(guān)數(shù)據(jù)和設(shè)備對出現(xiàn)問題或異常狀況的區(qū)域進(jìn)行及時檢測和修補(bǔ)，并不斷地改進(jìn)方案。在運(yùn)行中，我們還要采取安全管控措施，提早準(zhǔn)備，及時處理復(fù)雜問題確保人身安全，優(yōu)化結(jié)構(gòu)配比，確保正常運(yùn)行。

綜上所述，上述研究為高爐主體以及附屬設(shè)備的運(yùn)行、維護(hù)提供了參考方法和依據(jù)。我們可以得出結(jié)論：高效的維護(hù)保養(yǎng)減少了修理的次數(shù)，降低了經(jīng)濟(jì)成本，進(jìn)一步延長了高爐本體以及附屬設(shè)備的使用壽命，確保生產(chǎn)的穩(wěn)定性。