高爐本體修補及附屬設備的改進方案研究

楊 姝，張 慧

黨的十八大以來，我國在重點行業內開始多方位布局，供給側結構調整全面深入進行。作為國家基礎命脈的金屬冶煉行業也隨之邁入了調整期。環保監管力度的加強，以及企業和個人的生態和環保意識的不斷提升也讓該行業步入了新的發展階段。高爐冶煉是當前主要依賴的金屬冶煉方法之一，也是生產環節中重要的組成部分。利用高爐進行金屬冶煉技術成熟，具有良好的經濟效益，產量可以滿足要求，且生產效率高。因此，世界各地都在推廣使用。

對于一個企業來講，高爐的使用壽命是十分重要的一項參數指標。高爐本體的維護工作就是重中之重。為了延長高爐的使用壽命并降低使用成本，我們就需要對企業的高爐狀態進行定期的跟蹤，并分析出高爐本體及附屬設備的異常狀態出現的原因，并進一步地改進。

本文針對高爐本體和附屬設備的異常狀態，分析原因，探究新方法新技術。根據高爐實際情況，對市面常見的高爐本體修補用料進行了試用試驗并將試用后的效果進行了全方位的比較，創新性研發了一種適用于高爐本體修補的新型材料，并將該材料與高爐本體結構以及內部耐熱材料相結合進行研究，改進結構，利用不同形式結構的修補封罩完善修補方案，提出了新的高爐本體修補方法和附屬設備的改進方案來確保使用效果和生產穩定，減少修補時間，實現高爐效益的最大化。

1 高爐本體以及附屬設備

1.1 高爐現狀

世界工業經過多個時期的科技發展和生產變革，金屬的高爐冶煉成為了生產中的中心環節。目前，隨著全球科技的發展以及各國間的競爭日趨激烈，各國都在淘汰落后產能。高爐因其能耗低，工藝簡單，技術成熟，因此易于使用和推廣。在現代工藝中，高爐需要不斷提升冶煉效率，同時向自動化智能化前行。當前，企業重點關注的還是資源循環利用以及如何減少維護成本和時間進一步延長高爐的使用壽命等方面。

1.2 高爐本體

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

1.2.1 高爐本體的基本結構

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，通常都是采用自立式結構通過焊接將鋼結構連接在一起，框架支撐各層平臺的重量。爐體的截面為正圓形，爐體的內部需要堆砌耐火磚和澆筑的耐火材料（總厚度需要達到55cm以上），爐底鋪設碳磚和粘土磚。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。金屬熔化后呈液態匯聚在高爐本體內，助劑輔料按照設計比例由輸送皮帶分批次運送到上部料罐。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行煤氣輸送。煤氣可以不斷地進入到清洗設備中，這樣做可以循環利用能源而不會大量浪費。為延長高爐的使用壽命，冷卻系統的冷卻壁與冷卻板需要間隔進行放置。

常見的高爐內部主要是五段式的結構。但是，我們要通過設計與計算，將各條件、制度、規律進行精密計算，充分結合高爐內部的結構形態進行合理布局分配和改進設計，這樣才能確保效率。高爐本體內外部結構中主要包含了爐底、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煤氣流沖刷以及機械磨損；②積碳滲入導致爐體膨脹；③活潑金屬的氧化膨脹；④易熔化合物侵蝕。

綜合多方面調查研究，當前高爐的內部防護破壞造成爐身發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，我們在現場可以看到，其爐身泄漏密集嚴重，這就可以看出高爐本體內部的耐熱材料缺失嚴重。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保護殼的方式進行維護。但是這種方式也不能堅持很久，焊縫泄漏點還是會越來越多，泄漏量也會越來越大。因此，我們需要從各方面去確認焊縫開裂程度、泄漏量、蒸汽量，然后進行系統性判斷，對現有修補工藝加以分析并對具體情況具體分析，區別處理。詳細故障危害主要包括五個方面，其一，爐身或者爐皮的發紅會導致故障頻發，且相對集中，高爐本體就無法維持穩定運行的狀態；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劇；其四，爐身的煤氣泄露會導致煤氣串流，造成高爐區域環境惡化，影響人身安全；其五，高爐冷卻設備腐蝕結垢也會影響高爐的運行壽命。

1.3 附屬設備

相對來講，高爐的附屬設備的建設投資成本比高爐本體還高。在冶煉的過程中，高爐的各個系統之間是相互聯系又互相制約的。在這個穩定的高溫生產環境中，除了計劃維護和不可預知的重大事故，高爐本體及其附屬設備必須連續運轉不能停機直到達到使用壽命。

1.4 故障原因

綜合來看，目前出現的幾類故障主要的原因是以下四點。

1.4.1 高爐本體的爐襯損壞導致爐體腐蝕

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、鋅和二氧化碳氣體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重。當爐襯受侵蝕膨脹會導致砌體上漲，反復加劇后，嚴重時，高爐本體的外殼就會因為受漲而出現破裂的現象。此外，煤氣流的波動以及爐料的脫落會引起爐襯內溫度突然升高，進而導致爐襯被破壞。

1.4.2 溫差導致高爐本體外殼開裂

當高爐內襯減薄時，高爐爐體外殼的內外溫差會隨之增加，此時應力也會隨之增大，爐殼承受的負荷急劇地增加，這就導致殼體的剛度減弱小，失去保護能力。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。相關研究發現，當受熱溫度高于280℃時，爐殼是極為容易開裂的。

1.4.3 高爐冷卻板泄漏導致高爐本體開裂

相關調查顯示,高爐冷卻板一旦破損，爐殼的開裂現象也會隨之發生，而且呈現日益嚴重的趨勢。高爐使用的年頭越長，爐內襯越薄，冷卻板的冷卻強度也會下降得很明顯，達到極限后破損會非常嚴重。當其無法發揮冷卻作用時，熱量散發，就會把高爐本體的外皮燒紅，導致焊縫開裂，泄漏點越來越多。

1.4.4 附屬設備腐蝕原因

高爐在運行過程中，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施上面的金屬部位產生腐蝕。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，過濾系統沒法完全過濾掉這些東西，導致附屬設施也被腐蝕，引起系統故障。

2 高爐本體的修補方法和技術

2.1 高爐本體的修補法

當前，對于高爐本體的爐缸、爐身部位出現的開裂進行的修補，主要就是采用修復壓漿法。這種壓漿法可以封堵住氣體泄漏。此外，在高爐冷卻區域也可以利用這種方法進行修補。高爐的長期運行不可避免的老化、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，我們就可以把高強度、高導熱性、附著性和耐磨性的耐火材料，以液態的方式輸入管道，然后利用高壓壓入高爐本體內，形成新的保護膜。而且這種方法成型快，恢復快，用時極短。

對于材料的選擇，我們提出采用性能優良的硅溶膠作為耐火材料的結合劑，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勢性能，從而創新性地添加了改性復合樹脂與碳化硅成分。這樣做可以把壓入料的粘結性和固化速率提高百分之五十以上。

2.2 修補流程

操作前準備工作：

將新混合的壓入料放置在10℃～25℃的環境中。檢查液壓油油位線，校驗壓力表，檢查電氣箱和電源線，檢查風動系統，檢查水冷卻器裝置。立管用細鋼絲繩吊管捆扎，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）首先潤滑設備與管道，隨即壓料。

（2）壓入量計算。

（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，周圍的孔洞全部關閉。

（6）結束壓入，封閉。

（7）循環作業，直至全部孔洞壓入完畢。進行設備清洗、保養。

在操作中，需要注意的是，我們要根據爐體溫度的變化、高爐本體的發紅狀態、以及壓入孔的實際測量數據實時跟蹤確認壓入量，這樣才能確保壓入效果。

2.3 修補技術

2.3.1 傳統修補技術

隨著爐齡的增加，高爐本體焊縫泄漏會越來越嚴重，處于薄弱環節的冷卻板焊縫也會出現開裂泄漏，并且由量變演變為質變。通過資料的研究和分析，傳統上比較實用的修補技術包括全密封封罩、二次全密封封罩、帶波紋管式封罩、點焊式通水封罩、十字通水封罩等技術。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技術，其設計簡單，密封效果好，實用性更強。但是，隨著使用全密封封罩已無法維持高爐正常運轉，就需要重新設計安裝二次的全密封封罩，保持高爐的運行穩定性。對于單純的開裂，帶膨脹節的封罩具有自補償作用可以進行修補。當溫度變化過快時，通水的密封罩技術使用效果較好。

2.3.2 創新性修補技術

全密封罩密封的修補技術設計簡單，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。通過對傳統高爐本體修復封罩結構的研究，以及對傳統技術的問題的分析后，在多方協作下，提出了新的封罩技術，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，節約修補時間，還可以反復利用。新的技術避免傳統技術的弊端，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生。此外，當高爐本體泄漏加劇時，新的技術仍可以控制住，不會導致高爐休風。

3 附屬設備的改進

在研究了高爐附屬設備上的拉桿之后，我們作了深入分析，找出當前的問題，然后原有結構進行計算，對其強度進行重新校核，之后再試驗、改進并提出了新的方案，更便于實際操作。并分析了對拉桿中關鍵彈簧的受力情況，確定彈簧參數后，對彈簧進行了更換，確保附屬設備更加安全可靠。改進后的附屬設備中，主要改進方面包括長度可調節的螺絲，彈力可調節的調節器，設備的保護罩，強度加強型彈簧，以及調節手等。

改進技術中關鍵是要采用雙向兩端固定法并配置預壓縮型彈簧。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，這樣就不會出現自重下垂的情況，并能準確定位。

我們采用正反螺紋將波紋管與彈簧之間的連桿聯接，并采用十字手柄調整拉桿的長度。彈性拉桿要安裝在送風系統中的送風支管的上部，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。根據拉桿的受力大小來決定彈簧的材質、強度和長度。按Ⅲ類彈簧標準來選擇彈簧，而且彈簧要能承受載荷作用110次以下，并且結構緊湊，這樣才能便于更換。

4 結論

高爐本體的使用壽命是至關重要的。要想用的更穩定長久，就必須要注重高爐本體以及附屬設備的維護工作。本文通過分析發現了高爐本體存在的主要問題：高爐本體發紅、高爐本體開裂、高爐本體泄漏和附屬冷卻設備的腐蝕。針對這些問題，從實際出發，研究出了不同材質、不同形式的封罩，并創新設計了新的封罩，即點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。分析了目前高爐上部拉桿存在的問題并改進了高爐附屬設備，設計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定。

此外，我們還要做好對高爐主體以及附屬設備的長期跟蹤和監控，建立運行大數據庫。制定定期維護計劃，掌握維護時機合理安排作業。與此同時，我們也要積極地去研發新型的壓入料來延長高爐壽命。充分利用當今智能化自動化趨勢，利用相關數據和設備對出現問題或異常狀況的區域進行及時檢測和修補，并不斷地改進方案。在運行中，我們還要采取安全管控措施，提早準備，及時處理復雜問題確保人身安全，優化結構配比，確保正常運行。

綜上所述，上述研究為高爐主體以及附屬設備的運行、維護提供了參考方法和依據。我們可以得出結論：高效的維護保養減少了修理的次數，降低了經濟成本，進一步延長了高爐本體以及附屬設備的使用壽命，確保生產的穩定性。