蓄熱式加熱爐耐火材料損壞分析及預防措施

趙 鑫，黃 爽，管寶偉，何志鋼，魏福順

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司熱軋作業部，河北 唐山 063200）

0 引言

1580 熱軋加熱爐為五段式端進端出的步進梁式加熱爐，由熱回收段、預熱段、第一加熱段、第二加熱段和均熱段組成，熱回收段不加熱，均熱段上部使用平面火焰，下部使用橫向可調火焰，其余部分使用單一蓄熱的蓄熱式燒嘴。

該產線在2010 年投入生產，開始時，蓄熱箱正常工作，但使用10 年之后，在蓄熱箱附近出現了連續的漏氣和漏火現象，個別蓄熱箱體與爐墻嚴重脫離，導致爐墻出現了大面積的漏火現象，爐頂也有多處冒火，對正常生產造成了嚴重的影響。另外，爐墻結構變形較嚴重，爐墻向爐體內側傾斜。這不僅使加熱爐運行不安全、不穩定、能耗增加，而且嚴重影響了鋼坯的加熱質量。爐外一氧化碳濃度過高，工作條件差。盡管曾多次對泄漏點進行了封堵，但收效甚微，未能有效地解決這一問題[1]。要從根源上找出問題本質，并提出相應的對策，才能從根本上解決這些問題，保證加熱爐長時間安全、穩定和高效運行。

1 蓄熱式加熱爐爐體耐材問題分析

1.1 爐頂耐材損壞

爐頂耐材結構示意圖如圖1 所示。

圖1 爐頂耐材結構

1.1.1 錨固磚損壞

由于爐頂耐材采用復合結構，并且下表面溫度高，爐內溫度起伏波動，從而產生了熱應力和結構拉應力，使錨固磚發生不同程度的損壞[2]，錨固磚主要受拉應力、剪應力的影響。

拉應力：錨固磚受拉應力呈自上而下逐漸增大的趨勢，且在重質層（高鋁層）一段，錨固磚受拉應力增大速度最快，但在輕質層中，這段增大速度相對緩慢，隨著生產過程中溫度變化，其界面將無法承受瞬間產生的膨脹張力而發生開裂。

剪切力：由于工作層和保溫層之間的膨脹系數相差很大，因此會產生剪切力，剪切力的大小取決于兩種材料的膨脹系數。

1.1.2 爐頂橫梁處爐殼燒紅

爐頂橫梁處爐殼燒紅現象的主要原因為集中膨脹縫與爐頂壓火磚之間存在較大的縫隙而導致爐內煙氣熱量傳導至爐殼位置。

1.2 爐墻耐材損壞

爐墻耐材結構示意圖如圖2 所示。

圖2 爐墻耐材結構

1）澆注料與錨固磚構成復合結構，當爐溫的升降波動較大時，再加上爐墻錨固磚與輕質磚之間沒有間隙，兩種材料之間會產生切應力，與此同時，錨固磚截面較小，錨固磚容易斷裂，造成爐墻向內傾斜，此外，澆注料厚度較薄，也造成了爐墻整體穩定性較差。

2）經過多次停爐期間對加熱爐爐墻進行拆除和修復，以及對加熱爐工藝參數反復論證，發現加熱爐爐墻和爐殼之間由于膨脹縫增大造成高溫氣體進入耐材和爐墻鋼板之間，硅酸鋁纖維毯在高溫的作用下已經粉化，使爐墻鋼板出現“發紅”的現象，并且膨脹縫增大的爐墻出現向爐內傾斜的情況。

1.3 蓄熱箱耐材損壞

1）蓄熱箱耐材脫落。在蓄熱式加熱爐使用的過程中，由于煙氣閥關不嚴或者是煙氣流量調節閥流量顯示不準確，導致蓄熱箱排煙量過大，造成蓄熱箱超溫。蓄熱箱超溫后，控制模式由蓄熱模式改為冷卻吹掃，蓄熱箱的溫度又急劇降低。經常出現這種情況導致蓄熱箱上部的耐材脫落，從而使蓄熱箱上部或者邊部燒紅[3]。

2）蓄熱箱體生產過程中存在缺陷。它在制造完成后，沒有經過高溫烘干即刻安裝。在烘爐時，蓄熱箱內壁與爐墻鋼板連接部位出現了明顯的裂縫，在隨后的加熱和冷卻期間，裂縫不斷擴展，并有煙霧從裂縫中逸出。蓄熱室內布滿吸熱小球，當煙氣或空氣流過蓄熱室時，會產生較大的阻力，從而導致蓄熱室耐火材料的漏煙。大量的煙霧從箱體里逸散出來，使蓄熱箱體與爐體接合處變得通紅。

3）換向閥故障率高。每個燒嘴配1 個空氣換向閥和1 個煙氣換向閥，整個爐子一共有88 個換向閥，爐子兩邊的平臺上都是換向閥，再加上一個外部的蓄熱箱，維修起來非常不方便，只有幾個煙啟換向閥出問題，就會造成爐壓上升，這也是造成漏火的一個原因。

2 蓄熱式加熱爐爐體耐材問題處置

2.1 爐頂損壞耐材處置

爐頂透火情況如圖3 所示。

圖3 爐頂透火情況

2.1.1 爐頂損壞修復措施

1）停爐前提前準備好各項材料：爐頂澆注料、輕質澆注料、耐火纖維毯、石棉布、保溫膏、吊掛磚；還要準備跳板、腳手架、電焊機焊把、氣把、槽鋼、角鋼、沖擊鉆等工具。

2）停爐后開始對爐頂漏火部位進行保護性拆除，防止對其他部位耐材帶來損傷，并且對拆除部位支模、加錨固磚固定等。

3）開始對爐頂進行澆注，澆注分四層：第1 層為重質澆注料230 mm；第2 層為輕質澆注料70 mm；第3 層為纖維毯20 mm；第4 層為保溫膏30 mm。施工時注意留好膨脹縫。

4）在爐頂修復的過程中，修補爐內其他部位耐材。

2.1.2 爐頂泛紅處理措施

加熱爐在運行狀態下對爐頂燒紅現象的處理：利用檢定修時間打開爐頂保溫層后，對應爐頂燒紅位置澆注至錨固磚位置。加熱爐年修停爐期間對燒紅現象的處理：對爐頂保溫層拆除后，重新修復集中膨脹縫，超過設計標準的位置用纖維毯進行填充修補。

2.2 爐墻損壞耐材處置

爐墻變形情況如圖4 所示。

圖4 爐墻變形情況

2.2.1 針對變形嚴重爐墻的措施

1）增加錨固磚塊的截面尺寸，使用不小于120 mm×120 mm 的截面。同時，在墻體中添加耐高溫合金支架，以降低墻體的溫度應力。

2）爐壁變形較大時，應將其拆下。為保證爐壁整體穩定，料漿厚度不得低于260 mm。

3）在爐壁上用與在爐頂固定錨固塊同樣方法固定錨固塊。

4）用20 mm 厚的耐火纖維氈覆蓋爐墻錨固磚和輕質磚，以緩沖剪切力。

2.2.2 針對爐墻表面部分燒紅的措施

爐墻鋼板燒透情況如圖5 所示。

圖5 爐墻鋼板燒透情況

1）對應燒紅位置的爐殼經切割后，對應錨固釘位置可直接觀察到爐內情況，說明錨固件安裝過程沒有對錨固件位置的孔洞進行填塞或未填塞嚴實，耐高溫隔熱纖維棉層存在縫隙。

2）在運行狀態進行處理時，需要將對應錨固釘位置切割開孔后，用耐高溫纖維棉進行填塞，并將爐殼與耐材之間的縫隙利用耐高溫纖維棉進行填塞。

3）停爐拆除耐材后，對錨固釘耐高溫隔熱纖維棉層進行嚴密填充，再修補外面的耐火材料。

2.3 蓄熱箱損壞耐材處置

蓄熱箱燒透情況如圖6 所示，蓄熱小球覆蓋氧化鐵皮情況如圖7 所示。

圖6 蓄熱箱燒透

圖7 蓄熱小球覆蓋氧化鐵皮

1）蓄熱箱體制造完成后，必須經過嚴格的烘干，保證充分干燥后才能安裝；要嚴格遵循烘爐曲線，保證水從燒嘴耐火襯里緩慢而徹底地排出，并在烘烤時保證燒嘴耐火襯里不會產生裂痕，從而從根本上解決燒嘴漏氣和漏火的問題。

2）每次加熱爐大修時把蓄熱小球全部清理出來，并且裝袋，逐袋篩選去掉小球表面的氧化鐵皮和爛球，確保小球表面干凈無雜質；蓄熱小球回裝時可以添加新球保證回裝數量達到標準；蓄熱箱內的蓄熱小球鋪設要均勻，填充要密實，不能存在疏松或懸空情況。

3）蓄熱箱耐材每次大修時要進行修補，修補前將蓄熱小球清空，去除掉已經變形的耐材，重新補焊人字釘，支模后填充耐材，確認耐材干燥后拆模，拆模時要注意做好保護，防止損壞耐材；檢查蓄熱箱篦子，對發生變形或者孔距增大的篦子進行更換。

4）大修結束烘爐時，嚴格按照升溫制度執行，在爐溫達到400 ℃以上時投入蓄熱模式，緩慢加熱蓄熱箱中的耐材，保證蓄熱箱耐材的烘烤質量。

3 烘爐、維修中的技術管理措施

3.1 烘爐的技術管理措施

實際上，烘爐是爐膛投入使用的首要階段。在烘爐初始加熱階段，因澆注料表層溫度較高，澆注料迅速失水，使澆注料表層產生較大的熱應力；此外，在澆注料的施工過程中，通常會添加質量分數為6%～10%的水分，當澆注料的溫度上升到110 ℃的時候，這一部分的水分就會被去除掉，而當澆注料的溫度上升到250 ℃的時候，結晶水則會被去除掉，當水化成水蒸氣后，迅速膨脹。以上兩個原因均可導致爐體破壞。因此，必須嚴格控制澆注料的加熱速率。當前，在中低溫階段，都使用易于控制的大氣壓燒嘴爐，烘爐升溫速度≤5 ℃/h；在烘爐的高溫段，應開啟本體燒嘴，加熱速率為10 ℃/h。盡管不同的澆注料供應方對烘爐的要求不盡相同，但是它們都需要在溫度達到110 ℃和250 ℃的時候有足夠長的保溫時間，除此之外，因為澆注料內部存在溫度梯度，所以總的烘爐時間至少要有20 d。

3.2 生產中采取的技術措施

3.2.1 控制各段加熱溫度，杜絕超溫操作

針對蓄熱式加熱爐，根據生產的鋼種，制定各段爐膛溫度范圍（見表1），超出溫度上限時需在5 min內將其控制至正常范圍內，禁止反復超溫，確保爐體耐材在合理的溫度范圍內工作，提高耐材的使用壽命。

表1 不同加熱段的溫度范圍 單位：℃

3.2.2 控制生產中的各項參數，保持爐況穩定

1）爐壓目標值15～20 Pa，控制范圍5～30 Pa，兩側爐壓存在偏差時，按照數值低的控制（檢修、爐門開啟期間除外），如爐門嚴重冒火可根據情況調整，通知自動化檢查爐壓檢測是否準確。

2）正常生產中升、降溫速度不大于250 ℃/h，其中30 s 內的升降溫幅度不大于150 ℃。

3）當蓄熱式燒嘴排煙溫度超溫，自動切換冷卻吹掃模式后，要在溫度降至200 ℃時，切換為蓄熱燃燒模式，煙風比常規設定為0.8～1.04，當有燒嘴或流量調節閥發生故障時，可適當調整。

4）檢修前，爐溫在1 100 ℃以上時，降溫速度不大于250 ℃/h；當爐溫低于1 100 ℃時，降溫速度不大于150 ℃/h，爐溫控制在800～950 ℃；檢修結束升溫時，控制升溫速度不大于150 ℃/h。

3.2.3 加強對加熱爐的巡檢工作，發現問題及時處理

1）各班燒火工利用接班后、交班前以及每次換輥期間，到達現場對爐內生產情況進行觀察，主要包括：爐內板坯運行狀態，是否刮蹭水梁耐材、爐墻，水梁是否有鼓包，端墻是否有鐵皮積壓；爐內板坯溫度情況，長度厚度方向是否溫度均勻；爐內燃料介質燃燒情況，有無黑煙；爐內火焰狀態，是否火焰接觸板坯。

2）生產班每班要巡檢爐體、燒嘴、爐體凈環水冷卻；確認爐體有無透火，燒紅；燒嘴是否換向正常，蓄熱箱排煙溫度小于220 ℃；爐體凈環水冷卻管道手閥全開，流量開關無流量低報警。發現異常及時聯系維檢單位處理，保證加熱爐穩定運行。

4 結語

為延長爐體耐火材料的使用壽命，就要了解耐火材料的性質，對出現的耐火材料問題采取有效的措施并及時處理。同時，要在設計、施工、烘爐、生產維護等方面采取相應的技術管理措施，從而提高爐體耐火材料的使用壽命。