高爐熱風爐大拱頂耐火磚吊砌改平砌實踐

吳秀榮，歐陽鵬，蔣福軍，藍濤濤，李匯

（十一冶集團公司工程技術有限公司，廣西 柳州 545002）

關鍵字：熱風爐；大拱頂；塌磚；平砌

1 前言

高爐熱風爐是煉鐵廠高爐主要配套的設備之一，一般一座高爐配3～4座熱風爐，熱風爐的主要作用是為高爐持續不斷的提供1000℃以上的高溫熱風，用于高爐噴吹煤管，風溫越高，煤炭的燃值就越高，越有利于高爐生產，目前先進的現代熱風爐風溫可達到1300℃。熱風爐耐火材料砌體在高溫、高壓下工作，而且溫度與壓力又在周期性變化，條件十分惡劣，其中比較容易損壞的部位是大拱頂，該部位長期承受斜向壓力，當耐火磚膨脹或蠕變后便會出現塌磚，如圖1所示，進而竄風鼓壓加速整個上錐段的損壞。熱風爐大拱頂的損壞對整個高爐的生產影響比較大，首先大拱頂出現塌磚時，局部爐殼溫度升高，被迫加大水冷，嚴重的會導致爐殼燒紅、燒穿，煤氣串漏，產生安全隱患；其次，當4座熱風爐中的1座被迫停爐檢修時，熱風爐的送風溫度會明顯降低，平均降低100℃，直接制約了高爐的穩定生產；另外，熱風爐停爐檢修的維修成本高，耐火材料用量大，約200噸，大部分耐火磚未達到使用壽命被迫拆除，造成極大浪費；工期時間長，整個大拱頂拆除并砌筑加上更換蓄熱耐火球至少需要1個月時間，對高爐的穩定生產影響較大。因此，2012年柳鋼在1B高爐2#熱風爐年修中首次嘗試將大拱頂耐火磚的砌筑方式又吊砌改為平砌，施工圖紙如圖2所示，使用至今6年多時間未出現塌磚現象，爐體壽命顯著提高。現在以1B-2#熱風爐為例，分析采用平砌方式的優越性。

圖1 熱風爐大拱頂吊砌塌磚現場圖

圖2 吊砌（左）與平砌（右）砌筑方式對比

2 原因分析

引起熱風爐大拱頂破壞的因素很多，詳細分析耐火砌體的破壞原因及破壞機理，概括起來可以歸納為以下幾方面。

(1)高溫熱應力作用。熱風爐爐墻耐火磚內、外側表面溫度差很大，產生很大的熱應力，即磚襯內側受到很大的壓應力，外側受到很大的拉應力。并且，耐火砌體受到的膨脹力和荷重力主要集中于熱風爐內層磚襯的內表面上，加之換爐操作更加劇了耐火磚襯內側面的冷、熱變化[1]。在這些因素的作用下，耐火砌體的內側面首先發生開裂，進而產生松動和脫落，嚴重時造成拱頂垮塌、隔墻傾倒等。

(2)化學侵蝕作用[2]。熱風爐拱頂耐火砌體所處周圍介質，主要是煤氣灰塵中含有堿性氧化物、堿金屬及硅酸鹽等，在高溫下與耐火砌體成分生成低熔點物質，并產生相變，致使耐火磚組織遭到破壞，使耐火磚襯的強度等高溫性能降低。

(3)機械沖刷、磨損作用[3]。主要是指高溫燃燒廢氣和鼓風對磚襯表面的強烈沖擊和磨損。

(4)蠕變作用。目前，對熱風爐的破損研究結果，認為耐火砌體在高溫、高壓的作用下,產生的蠕變是導致熱風爐用耐火磚破壞的重要原因。

(5)高鋁質和莫來石磚的體積膨脹大的缺陷[4]。高鋁質和莫來石磚高溫體積穩定性不及硅磚，其膨脹率隨著溫度的變化而變化。在燃燒和送風過程的溫度變化，或休風燜爐時爐內溫度較大變化，或燃燒產生的局部高溫，都容易使得磚與磚之間發生擠壞或者被拉開以及疲勞損壞等現象。

圖3 吊砌（左）與平砌（右）時局部耐火磚的受力分析對比

(6)耐火磚吊砌方式的設計不合理性。將拱頂內襯工作層在吊砌與平砌兩種方式砌筑施工時，局部耐火磚的受力分析如圖3所示。其中G為耐火磚的自重，FN為下部磚塊對其的支撐力，F壓為保溫層耐火磚對其的壓力，f為周邊耐火磚對其向下滑移的阻力。經分析可得：

由于0＜sinθ＜1，所以f1＞f2。由此可知，工作層耐火磚吊砌比平砌時，產生的下滑力更大，當局部耐火磚受膨脹擠壓或蠕變導致斷裂破損而脫落后，周圍耐火磚也將失去下滑阻力而逐漸脫落，一旦形成局部塌磚，爐內的高壓熱風不斷向塌磚口鼓進，加速整個拱頂內襯的坍塌，形成了如圖1所示的塌磚現象。

3 方案實施

經過認真分析判斷了平砌方案的可行性后，決定按照如圖2所示的平砌施工圖紙進行施工。具體實施方案如下。

3.1 排查、拆除大拱頂失穩磚

1) 圓筒吊籠安裝。制作一個φ600、h=1200mm的圓筒吊籠（裝人用），吊籠從點火孔放入，其孔徑為700mm。在熱風爐23m平臺安裝1t卷揚機，通過3-4個滑輪經燃燒器頂部35m平臺處的窺視孔放入φ8、h=30m的鋼絲繩，鋼絲繩從點火孔拉出掛牢固爐外安裝好的吊籠，同時在其底部綁牢兩根20m長的麻繩，然后可緩慢將吊籠拉入爐內。將吊籠底部的兩根麻繩下降到17m平臺的兩個裝球人孔水平面，把兩根麻繩分別從17m平臺的兩個裝球人孔拉出，在17m平臺的兩個裝球人孔外的人員拉緊麻繩，不讓吊籠在升降時搖擺、旋轉。如圖4所示。

2) 施工人員進入吊籠。在檢查燃燒器圓頂無掉磚危險后，可將爐中心與點火孔水平處平穩的吊籠，用φ8的鋼筋將其拉靠緊點火孔爐內壁，外部鎖扣卡緊不讓吊籠擺動，便于施工人員進入吊籠，這時綁牢安全帶和麻繩的施工人員可從點火孔處緩慢爬入吊籠內。

3) 拆除失穩磚。待施工人員進入吊籠穩定后，緩慢松開吊籠至爐中心點平穩，點火孔處操作卷揚機人員接到吊籠內的施工人員下降的信號，可啟動卷揚機將吊籠內的施工人員逐步送到需拆除墻體的水平面，這時在吊籠內的施工人員可使用5m的長鉤子拆除墻體上失穩的磚塊。

圖4 修復大拱頂施工簡圖

3.2 拆除大拱頂內襯、修復托圈板

進行安全確認后，施工人員可以從第一層裝球人孔進入爐內，從球床面搭設爐內施工腳手架到上錐體托圈板，然后使用風鎬、鋼釬等將受損的上錐體內襯工作層全部拆完至拱腳磚底部。發現托圈板氧化損壞的需先加固修復才繼續向下拆除上錐體耐火磚。保溫層和永久層視損壞情況制定拆除量，最后拆除爐內施工腳手架。拆除順序為，從燃燒器托圈處向下至球面直墻處，逐層、逐塊拆除工作層和保溫層失穩的耐火磚。

3.3 大拱頂內襯恢復砌筑

完成以上步驟后，即可按照圖2所示的平砌施工圖紙進行恢復砌筑。平砌所用的磚型如圖5所示，磚的外型大體為楔形狀，呈平行四邊體，磚的上下表面分別有一條半圓形的凸起和凹槽，用于磚塊間的相互錨固，防止磚塊在使用過程中的滑移。砌筑過程中的主要技術要點有：層與層之間的卡槽要牢靠有效，各種型號磚要按比例正確搭配，控制好磚面的圓整度和水平度；保證好泥漿的飽滿度及控制好磚縫，磚縫≤2mm；按要求留設好膨脹縫。

圖5 平砌工作層磚型圖

4 結語

通過以上分析可以得知，大拱頂修復砌筑時耐火磚采用平砌方式具有可行性，其主要有以下優點：

1）平砌方式更簡易，施工效率高。由于吊砌需要采用金屬卡鉤進行砌筑[5]，砌筑過程中，上層磚需借助卡鉤的長臂固定在下層磚上，每砌4-5塊就需要用一個卡鉤，往上隨著斜度的增大，2-3塊磚就需要用一個卡鉤，到最后幾環磚時，每砌一塊磚就需要一個卡鉤，每環磚的卡鉤要在合門后才能拆掉。因此，吊砌方式砌筑施工比較繁瑣，施工進度慢。然而平砌方式不需要借助卡鉤等外力進行錨固，直接像砌直墻磚一樣一塊塊碼上砌筑即可，簡化了砌筑工序，提高了施工效率。

2）平砌方式使磚體受力更均衡。吊砌時，磚塊基本垂直拱頂爐殼，由于磚塊的自重會使其產生向下滑移的趨勢，改用平砌后，能有效化解了磚塊自重產生的下滑力，使整個爐體磚塊受力比較均衡。

3）平砌方式能夠提高爐體的壽命。采用吊砌方式的大拱頂平均使用壽命為4-5年，改用平砌方式后，在柳鋼1B-2#熱風爐大拱頂修復上進行了實踐，使用至今已6年多，仍未出現塌磚現象，有效提高了熱風爐的爐齡。

4）平砌方式能夠降低熱風爐的維修成本。由于平砌方式提高了熱風爐的使用壽命，內襯耐火磚得到了充分利用，一方面節約了材料成本，另一方面減少了維修的頻率，從而直接減少了維修施工成本，經濟效益顯著。