頂燃式熱風(fēng)爐熱風(fēng)管道長(zhǎng)壽設(shè)計(jì)淺談

滕樹滿，馮飛，鄢明，黃培真

（廣西華銳鋼鐵工程設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，廣西柳州545002）

頂燃式熱風(fēng)爐熱風(fēng)管道長(zhǎng)壽設(shè)計(jì)淺談

滕樹滿，馮飛，鄢明，黃培真

（廣西華銳鋼鐵工程設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，廣西柳州545002）

對(duì)頂燃式熱風(fēng)爐熱風(fēng)管道的破損機(jī)理進(jìn)行了分析，就熱風(fēng)管道補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)，管道磚襯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和耐材種類的選擇提出了一些看法，并對(duì)熱風(fēng)管道砌筑和烘烤提出了一些建議，以確保熱風(fēng)管道安全使用及長(zhǎng)壽。

頂燃式熱風(fēng)爐;熱風(fēng)管道;長(zhǎng)壽;設(shè)計(jì)

1 引言

近年來(lái)，隨著煉鐵熱風(fēng)爐技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是空、煤氣雙預(yù)熱系統(tǒng)的普遍采用，基本實(shí)現(xiàn)了在單燒高爐煤氣的條件下熱風(fēng)溫度達(dá)1250±50℃的目標(biāo)。但隨著風(fēng)溫的不斷提高，不少熱風(fēng)爐熱風(fēng)管道出現(xiàn)了管殼溫度超高、發(fā)紅、變形掉磚、甚至開裂漏風(fēng)等問題[1～2]。一旦出現(xiàn)問題，一般采用臨時(shí)風(fēng)冷或水冷，較嚴(yán)重的采用灌漿補(bǔ)救或快速澆注修復(fù)，都不能徹底有效的解決問題，且存在較大的安全隱患。這些問題的出現(xiàn)嚴(yán)重影響了高爐的正常生產(chǎn)，也制約了風(fēng)溫水平的進(jìn)一步提高。

常用的三種結(jié)構(gòu)形式的熱風(fēng)爐中，頂燃式熱風(fēng)爐的熱風(fēng)出口與熱風(fēng)圍管高度相差最大，熱風(fēng)總管與熱風(fēng)主管需采用熱風(fēng)豎管過度，熱風(fēng)管系最復(fù)雜。本文以頂燃式熱風(fēng)爐熱風(fēng)管道設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析探討。

2 熱風(fēng)管道破損分析

熱風(fēng)管道破損主要集中在熱風(fēng)出口、管道三岔口和管道波紋補(bǔ)償器區(qū)域，這些區(qū)域受力情況相對(duì)復(fù)雜，管道發(fā)紅易損，是管道的薄弱環(huán)節(jié)。造成這些事故的主要原因是熱風(fēng)管道的特殊工況、設(shè)計(jì)不合理、耐材問題和施工不到位等。

熱風(fēng)管道是一組高溫、高壓管道，其承受的風(fēng)溫為1100～1350℃，風(fēng)壓為0.3～0.6 MPa（表壓）。其工作層耐火磚的平均溫度可達(dá)1000～1300℃，管殼正常溫度在80～150℃之間。根據(jù)材料的線膨脹系數(shù)和使用溫度可估算出每米工作層耐火磚的膨脹量約為6 mm，每米管殼的膨脹量約為1.2 mm。熱風(fēng)管道承受如此高的內(nèi)壓，在管道封頭、不對(duì)稱開孔處、管道彎頭處等凡是有阻擋氣流趨勢(shì)的地方均會(huì)產(chǎn)生盲板力[2]。以2650 m3高爐熱風(fēng)管道為例，熱風(fēng)壓力為～0.37 MPa，熱風(fēng)支管直徑為1500 mm，管殼內(nèi)徑為2440 mm；熱風(fēng)總管直徑為1800 mm，管殼內(nèi)徑為2740 mm；則熱風(fēng)支管盲板力可達(dá)1730 kN，熱風(fēng)總管盲板力可達(dá)2180 kN。

2.1 熱風(fēng)出口區(qū)域破損分析

對(duì)熱風(fēng)管道進(jìn)行熱膨脹分析時(shí)，可將熱風(fēng)爐底部和熱風(fēng)豎管視為固定點(diǎn)，熱風(fēng)爐爐體受熱軸向和徑向膨脹，熱風(fēng)支管與熱風(fēng)爐處于垂直相連的狀態(tài)，則熱風(fēng)支管上所設(shè)波紋補(bǔ)償器需同時(shí)吸收支管的軸向膨脹和由于熱風(fēng)爐爐體受熱對(duì)其產(chǎn)生的橫向位移。頂燃式熱風(fēng)爐熱風(fēng)出口設(shè)置部位有大拱頂下部和燃燒器下部?jī)煞N。

(1)如熱風(fēng)出口設(shè)置在大拱頂下部時(shí)，由于此部位爐體直徑較大，則徑向膨脹量較大，在支管拉桿受熱膨脹共同作用下，使得熱風(fēng)爐在送風(fēng)周期時(shí)間內(nèi)，

在熱風(fēng)壓力的作用下產(chǎn)生一個(gè)很大的盲板力矩，該力矩使熱風(fēng)總管向遠(yuǎn)離熱風(fēng)爐方向移動(dòng)，造成在爐殼與支管上部交界處出現(xiàn)較大的變形量。外部鋼殼的變形必將擠壓內(nèi)部的磚襯，由于一般隔熱耐火磚的常溫抗壓強(qiáng)度～3 MPa，極易被擠碎，造成串風(fēng)引起管殼溫度的升高。進(jìn)而出現(xiàn)變形加劇、管殼溫度不斷升高的惡性循環(huán)，最終出現(xiàn)熱風(fēng)出口處管殼發(fā)紅、開裂，內(nèi)襯變形掉磚等問題。

(2)如熱風(fēng)出口設(shè)置在燃燒器下部時(shí)，由于此部位爐體直徑較小，徑向膨脹量較小，使得熱風(fēng)爐在送風(fēng)周期時(shí)間內(nèi)在熱風(fēng)壓力的作用下產(chǎn)生的形變量較小，在熱風(fēng)出口區(qū)域所造成的破損要小些。

2.2 管道三岔口區(qū)域破損分析

現(xiàn)熱風(fēng)管系設(shè)計(jì)中熱風(fēng)豎管作為固定點(diǎn)，在熱風(fēng)總管上設(shè)置有跨越所有熱風(fēng)支管的全長(zhǎng)大拉桿，其余各支架均為滑動(dòng)支架。理論上假設(shè)各支管三岔口處工況是一樣的，則這種設(shè)置是可行的。但實(shí)際使用過程中，熱風(fēng)爐的燃燒、送風(fēng)的相互交替，各支管三岔口處工況、應(yīng)力變化不盡相同，這將會(huì)導(dǎo)致熱風(fēng)總管上各波紋補(bǔ)償器工作的無(wú)序和混亂。熱風(fēng)總管與支管垂直相連，熱風(fēng)總管的熱膨脹無(wú)序和混亂必將造成個(gè)別熱風(fēng)支管橫向變形過大，磚襯將受擠壓而損壞。

2.3 管道波紋補(bǔ)償器區(qū)域破損分析

為吸收管道的熱膨脹量和方便熱風(fēng)閥的更換，通常都會(huì)采用設(shè)置波紋補(bǔ)償器來(lái)解決。波紋補(bǔ)償器是柔性件，不能承受盲板力，故需設(shè)置拉桿來(lái)抵御盲板力。拉桿在巨大盲板力作用下會(huì)產(chǎn)生彈性伸長(zhǎng)，并在熱輻射作用下會(huì)產(chǎn)生熱膨脹。若設(shè)計(jì)不合理，或未考慮拉桿伸長(zhǎng)量的補(bǔ)償，管道襯體留設(shè)的膨脹縫將會(huì)被拉開串風(fēng)；同時(shí)，如果膨脹縫留設(shè)不合理，在實(shí)際使用過程中，膨脹縫內(nèi)填料極易被高速熱風(fēng)沖刷掉，引起串風(fēng)，最終導(dǎo)致管殼發(fā)紅、開裂，磚襯坍塌。

3 熱風(fēng)管道優(yōu)化設(shè)計(jì)

熱風(fēng)管道耐材設(shè)計(jì)與管殼鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是相輔相成，二者互為重要因素，管系不穩(wěn)定，將導(dǎo)致磚襯錯(cuò)位、掉磚，而磚襯設(shè)計(jì)不合理，將發(fā)生串風(fēng)，損壞管殼[2]。根據(jù)管道的熱膨脹合理設(shè)計(jì)管系的補(bǔ)償，做到管系膨脹可控，磚襯設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)管道圓周方向溫度梯度合理配置耐材，管道軸向設(shè)置膨脹縫，并對(duì)膨脹縫、波紋補(bǔ)償器、三岔口等處的耐材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行局部特殊處理，保證密封性能。

3.1 熱風(fēng)管道補(bǔ)償?shù)脑O(shè)置

熱風(fēng)管道內(nèi)需砌筑耐火材料，在考慮熱風(fēng)管道補(bǔ)償時(shí)，所設(shè)置波紋補(bǔ)償器只能吸收軸向位移和少量橫向位移，則管系上一般配置高溫軸向型波紋補(bǔ)償器和高溫自由復(fù)式型波紋補(bǔ)償器，通過設(shè)置拉桿來(lái)抵御盲板力。拉桿受管殼的熱傳導(dǎo)及熱輻射，也會(huì)有一定的溫升，在盲板力、環(huán)境溫差等因素的綜合影響下，拉桿會(huì)產(chǎn)生較大的位移并隨著風(fēng)溫、風(fēng)壓、環(huán)境溫差而波動(dòng)，設(shè)計(jì)中考慮拉桿的位移及其波動(dòng)是十分必要的。為了使熱風(fēng)管道有序膨脹、膨脹可控，某頂燃式熱風(fēng)爐熱風(fēng)總、支管補(bǔ)償?shù)木唧w設(shè)置如圖1所示，其特點(diǎn)如下：

圖1某頂燃式熱風(fēng)爐熱風(fēng)總、支管布置圖

（1）熱風(fēng)出口設(shè)置在燃燒器下部，熱風(fēng)支管上設(shè)置有高溫自由復(fù)式型波紋補(bǔ)償器，安裝于熱風(fēng)出口與熱風(fēng)閥之間，這樣就能吸收支管的軸向膨脹和由于熱風(fēng)爐爐體受熱上漲對(duì)其產(chǎn)生的橫向位移；

（2）在每個(gè)熱風(fēng)支管與總管三岔口處設(shè)置次固定支座，在每?jī)蓚€(gè)固定支座之間和總管端部各設(shè)置一套高溫軸向型波紋補(bǔ)償器，并設(shè)置跨越所有熱風(fēng)支管的全程大拉桿[3]，這樣能將熱風(fēng)總管的膨脹限制在兩座熱風(fēng)爐的支管之間并保證熱風(fēng)支管的中心線固定在一個(gè)位置上，同時(shí)補(bǔ)償了拉桿的伸長(zhǎng)，各固定支座均不受盲板力。

如果熱風(fēng)出口設(shè)置在大拱頂下部，建議將支管

拉桿座設(shè)置到熱風(fēng)爐中心。

3.2 熱風(fēng)管道耐材結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

隨著熱風(fēng)壓力和溫度的不斷提高，對(duì)熱風(fēng)管道耐材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越高，磚襯設(shè)計(jì)不僅要考慮結(jié)構(gòu)的整體性，還要考慮各向膨脹位移所帶來(lái)的熱應(yīng)力破損。熱風(fēng)支管、總管、圍管內(nèi)的上半部工作層宜采用帶凹凸卡槽的結(jié)構(gòu)以提高整體穩(wěn)定性。熱風(fēng)出口和各三岔口宜采用組合磚砌筑，同時(shí)加厚工作層磚襯和將管道上半圈部分隔熱耐火磚改為重質(zhì)澆注料來(lái)增強(qiáng)其抗應(yīng)力性，熱風(fēng)總、支管三岔口襯里加厚結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

熱風(fēng)管道波紋補(bǔ)償器處工作層耐火磚、隔熱耐火磚均采用特異型磚，并且在膨脹縫處增設(shè)導(dǎo)流保護(hù)磚，如圖3所示，這樣能增強(qiáng)波紋補(bǔ)償器處磚襯的整體穩(wěn)定性和有效防止膨脹縫內(nèi)填充的陶瓷纖維毯被氣流沖刷走。熱風(fēng)管道膨脹縫可參照波紋補(bǔ)償器處膨脹縫的設(shè)計(jì)方式，整體性更好，能有效控制膨脹縫的寬度。

圖2兩種熱風(fēng)總、支管三岔口襯里加厚結(jié)構(gòu)示意圖

圖3波紋補(bǔ)償器襯里構(gòu)造示意圖

熱風(fēng)管道整體砌筑結(jié)構(gòu)為下部240°區(qū)域磚襯采用交錯(cuò)砌筑，墊陶瓷纖維擋火板；上部120°區(qū)域采用環(huán)砌，墊耐溫1200℃以上的陶瓷纖維毯。兩隔熱層磚間環(huán)縫采用油紙隔開，隔熱層磚與工作層磚間的環(huán)縫，下半圓用油紙隔開，上半圓夾入～6 mm厚的陶瓷纖維氈。

3.3 熱風(fēng)管道耐材種類的選擇

近年來(lái)，由于我國(guó)煉鋁行業(yè)的快速膨脹發(fā)展，優(yōu)質(zhì)鋁釩土礦多已被煉鋁行業(yè)或地方政府征用、占用，耐火材料用優(yōu)質(zhì)高鋁釩土資源已近枯竭，不多的高鋁釩土熟料（包括均化料）價(jià)高貨緊，低蠕變高鋁磚的生產(chǎn)已近“無(wú)米下鍋”，在目前價(jià)格被招標(biāo)壓得很低情況下，難以采購(gòu)到真品[4]。為達(dá)到設(shè)計(jì)要求的指標(biāo)，耐材廠家生產(chǎn)低蠕變高鋁磚時(shí)主要是通過加入膨脹劑，在莫來(lái)石的反應(yīng)結(jié)束時(shí)，其抵消收縮的作用將失效，抗蠕變能力大大降低。由于國(guó)內(nèi)低蠕變高鋁磚質(zhì)量難以得到保證，建議熱風(fēng)管道三岔口、波紋補(bǔ)償器區(qū)域采用紅柱石磚，其余部位采用紅柱石高鋁磚。紅柱石高鋁磚理化指標(biāo)如表1。

表1 紅柱石高鋁磚（HRL-55）理化指標(biāo)

較同級(jí)別低蠕變高鋁磚，紅柱石高鋁磚更具價(jià)格優(yōu)勢(shì)。熱風(fēng)管道膨脹縫處填料建議采用耐溫1400℃以上的晶體纖維毯，避免了填料長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境下失效發(fā)生串風(fēng)。

4 熱風(fēng)管道砌筑和烘烤

4.1 熱風(fēng)管道砌筑

熱風(fēng)管道施工質(zhì)量的好壞將直接影響其使用壽命，管道砌筑時(shí)需嚴(yán)格按國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和圖紙要求施工，灰縫大小和飽滿程度要嚴(yán)格控制，砌筑時(shí)需先從熱風(fēng)出口、三岔口、熱風(fēng)閥接口和波紋補(bǔ)償器處開始，嚴(yán)禁在這些部位合門。組合磚砌筑是重、難點(diǎn)，砌筑時(shí)必須遵守一個(gè)原則、堅(jiān)持五個(gè)嚴(yán)格和一個(gè)嚴(yán)禁的操作方法。即遵守按組合磚組裝圖“對(duì)號(hào)入座”依次砌筑的原則；嚴(yán)格保證組合磚底部標(biāo)高和水平度，嚴(yán)格控制十字中心線，嚴(yán)格控制砌體橢圓度，嚴(yán)格控制砌筑磚縫，嚴(yán)格做好質(zhì)量檢查和交接班工作；嚴(yán)禁在砌筑過程中隨意加工任何一塊子磚[5]。砌筑過程中還需做好質(zhì)量記錄。

4.2 熱風(fēng)管道烘烤

現(xiàn)熱風(fēng)管道的砌筑多采用磷酸鹽泥漿，磷酸鹽泥漿硬化溫度為～350℃。耐火磚熱應(yīng)力隨溫度差增加而變大，但在1000℃以上高溫下，耐火磚失去彈性，而變成塑性體，應(yīng)力消失，因此在1000℃以下膨脹被限制時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力必須引起重視[6]。建議烘熱風(fēng)管道溫度達(dá)1000℃以上。

5 結(jié)論

熱風(fēng)管道系統(tǒng)破損原因較為復(fù)雜，熱風(fēng)管道長(zhǎng)壽是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，合理的管道設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)，優(yōu)良的耐材質(zhì)量是保證，精細(xì)的管道施工是關(guān)鍵。熱風(fēng)管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)運(yùn)用熱力學(xué)、材料力學(xué)和材料學(xué)對(duì)管道進(jìn)行分析，使管道有序膨脹、膨脹可控，優(yōu)化應(yīng)力集中部位磚襯結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)磚襯的抗應(yīng)力性，合理選擇耐材種類，使管道“物美價(jià)廉”。

[1]丁汝才，溫太陽(yáng).首秦高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐熱風(fēng)管道長(zhǎng)壽維護(hù)實(shí)踐[C]//中國(guó)金屬學(xué)會(huì)煉鐵分會(huì).高爐長(zhǎng)壽技術(shù)和高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐技術(shù)研討會(huì)論文集.北京：中國(guó)金屬學(xué)會(huì)，2012：327-331.

[2]唐耀，趙瑞海，羅志紅等.高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐熱風(fēng)管系設(shè)計(jì)理念的探討[C]//中國(guó)金屬學(xué)會(huì)煉鐵分會(huì).高爐長(zhǎng)壽技術(shù)和高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐技術(shù)研討會(huì)論文集.北京：中國(guó)金屬學(xué)會(huì)，2012：276-280.

[3]陳秀娟，王永濤，呂宇來(lái)，吳啟常.頂燃式熱風(fēng)爐盲板力問題分析[J].煉鐵，2012，31(03)：19-22.

[4]李庭壽.我國(guó)熱風(fēng)爐及耐火材料的技術(shù)發(fā)展與建議[R].大連：中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)，2010.

[5]武漢威林爐襯材料有限責(zé)任公司.高爐砌筑技術(shù)手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006：274-283.

[6]項(xiàng)中庸，王筱留，等.高爐設(shè)計(jì)——煉鐵工藝設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007：524-530.

表5 改造前后最接近的兩組數(shù)據(jù)對(duì)照

由表5可看出，在改造后所選點(diǎn)輸出風(fēng)壓風(fēng)量和原數(shù)據(jù)基本一致的工況進(jìn)行對(duì)比的情況下，耗用蒸汽流量有較大的下降，節(jié)能效果明顯。達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

按表5計(jì)算，在進(jìn)氣溫度為20℃左右的工況下，消耗蒸汽量下降約4～6 t/h，保守按4 t/h蒸汽節(jié)省量計(jì)算，對(duì)應(yīng)目前蒸汽用于發(fā)電的情況，平均1 t蒸汽可發(fā)電230～240 kWh，則每小時(shí)節(jié)省的蒸汽可發(fā)電900 kWh，按0.6元/kWh計(jì)算，則每小時(shí)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益在540元，每天創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益在12960元以上。一月創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益39萬(wàn)元。

6 結(jié)束語(yǔ)

在2012年12月26日改造后風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行以來(lái)，自2013年2月風(fēng)機(jī)進(jìn)入全風(fēng)狀態(tài)后，兩個(gè)防喘閥基本處于全關(guān)狀態(tài)下運(yùn)行，減少了放風(fēng)帶來(lái)的能源浪費(fèi)。防喘線隨進(jìn)氣溫度實(shí)時(shí)變化，使機(jī)組在節(jié)能運(yùn)行的同時(shí)得到了有效的保護(hù)，達(dá)到了改造的預(yù)期目標(biāo)。

同時(shí)在改造后，防喘閥正常生產(chǎn)時(shí)處于全關(guān)狀態(tài)，消除了原運(yùn)行狀態(tài)中產(chǎn)生的大量噪音，社會(huì)效益也非常明顯。因放風(fēng)帶來(lái)的防喘閥等設(shè)備損耗（防喘閥在有部分放風(fēng)時(shí)振動(dòng)較大）也同時(shí)減少。

由以上可見，經(jīng)過此次成功的風(fēng)機(jī)自控系統(tǒng)升級(jí)改造，風(fēng)機(jī)耗能有了顯著地下降，達(dá)到了預(yù)期的目的。

收稿日期：2013-12-09

作者簡(jiǎn)介：王麟(1980-)，男，湖北工業(yè)大學(xué)電氣工程碩士，電氣工程師，維修電工技師。

Long Service Life Design of the Hot-air Pipes of Top-combustion Stove

TENG Shuman,FENG Fei,YAN Ming,HUANG Peizhen
(Guangxi Huarui Iron and Steel Project Design&Consultation Co.,Ltd.,Liuzhou,Guangxi 545002,China)

The damage mechanism of hot air pipes of top-combustion stove is analyzed, opinions are given about design of the pipe lining structure and selection of refractory types and suggestions are put forward for masonry work and baking of the hot air pipes,to ensure safe operation and long life service of the pipes.

top-combustion stove;hot air pipe;long life;design

TF066.3

B

1006-6764（2014）05-0052-04

2014-02-17

滕樹滿（1964-），男，畢業(yè)于武漢科技大學(xué)冶金機(jī)械專業(yè)，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事鋼鐵行業(yè)設(shè)計(jì)管理工作。