頂燃式熱風爐熱風管道長壽設計淺談

滕樹滿，馮飛，鄢明，黃培真

（廣西華銳鋼鐵工程設計咨詢有限責任公司，廣西柳州545002）

頂燃式熱風爐熱風管道長壽設計淺談

滕樹滿，馮飛，鄢明，黃培真

（廣西華銳鋼鐵工程設計咨詢有限責任公司，廣西柳州545002）

對頂燃式熱風爐熱風管道的破損機理進行了分析，就熱風管道補償?shù)脑O計，管道磚襯結構的設計和耐材種類的選擇提出了一些看法，并對熱風管道砌筑和烘烤提出了一些建議，以確保熱風管道安全使用及長壽。

頂燃式熱風爐;熱風管道;長壽;設計

1 引言

近年來，隨著煉鐵熱風爐技術的不斷進步，特別是空、煤氣雙預熱系統(tǒng)的普遍采用，基本實現(xiàn)了在單燒高爐煤氣的條件下熱風溫度達1250±50℃的目標。但隨著風溫的不斷提高，不少熱風爐熱風管道出現(xiàn)了管殼溫度超高、發(fā)紅、變形掉磚、甚至開裂漏風等問題[1～2]。一旦出現(xiàn)問題，一般采用臨時風冷或水冷，較嚴重的采用灌漿補救或快速澆注修復，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)嚴重影響了高爐的正常生產(chǎn)，也制約了風溫水平的進一步提高。

常用的三種結構形式的熱風爐中，頂燃式熱風爐的熱風出口與熱風圍管高度相差最大，熱風總管與熱風主管需采用熱風豎管過度，熱風管系最復雜。本文以頂燃式熱風爐熱風管道設計為例進行分析探討。

2 熱風管道破損分析

熱風管道破損主要集中在熱風出口、管道三岔口和管道波紋補償器區(qū)域，這些區(qū)域受力情況相對復雜，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管道的特殊工況、設計不合理、耐材問題和施工不到位等。

熱風管道是一組高溫、高壓管道，其承受的風溫為1100～1350℃，風壓為0.3～0.6 MPa（表壓）。其工作層耐火磚的平均溫度可達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。熱風管道承受如此高的內(nèi)壓，在管道封頭、不對稱開孔處、管道彎頭處等凡是有阻擋氣流趨勢的地方均會產(chǎn)生盲板力[2]。以2650 m3高爐熱風管道為例，熱風壓力為～0.37 MPa，熱風支管直徑為1500 mm，管殼內(nèi)徑為2440 mm；熱風總管直徑為1800 mm，管殼內(nèi)徑為2740 mm；則熱風支管盲板力可達1730 kN，熱風總管盲板力可達2180 kN。

2.1 熱風出口區(qū)域破損分析

對熱風管道進行熱膨脹分析時，可將熱風爐底部和熱風豎管視為固定點，熱風爐爐體受熱軸向和徑向膨脹，熱風支管與熱風爐處于垂直相連的狀態(tài)，則熱風支管上所設波紋補償器需同時吸收支管的軸向膨脹和由于熱風爐爐體受熱對其產(chǎn)生的橫向位移。頂燃式熱風爐熱風出口設置部位有大拱頂下部和燃燒器下部兩種。

(1)如熱風出口設置在大拱頂下部時，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，使得熱風爐在送風周期時間內(nèi)，

在熱風壓力的作用下產(chǎn)生一個很大的盲板力矩，該力矩使熱風總管向遠離熱風爐方向移動，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度～3 MPa，極易被擠碎，造成串風引起管殼溫度的升高。進而出現(xiàn)變形加劇、管殼溫度不斷升高的惡性循環(huán)，最終出現(xiàn)熱風出口處管殼發(fā)紅、開裂，內(nèi)襯變形掉磚等問題。

(2)如熱風出口設置在燃燒器下部時，由于此部位爐體直徑較小，徑向膨脹量較小，使得熱風爐在送風周期時間內(nèi)在熱風壓力的作用下產(chǎn)生的形變量較小，在熱風出口區(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)熱風管系設計中熱風豎管作為固定點，在熱風總管上設置有跨越所有熱風支管的全長大拉桿，其余各支架均為滑動支架。理論上假設各支管三岔口處工況是一樣的，則這種設置是可行的。但實際使用過程中，熱風爐的燃燒、送風的相互交替，各支管三岔口處工況、應力變化不盡相同，這將會導致熱風總管上各波紋補償器工作的無序和混亂。熱風總管與支管垂直相連，熱風總管的熱膨脹無序和混亂必將造成個別熱風支管橫向變形過大，磚襯將受擠壓而損壞。

2.3 管道波紋補償器區(qū)域破損分析

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

3 熱風管道優(yōu)化設計

熱風管道耐材設計與管殼鋼結構設計是相輔相成，二者互為重要因素，管系不穩(wěn)定，將導致磚襯錯位、掉磚，而磚襯設計不合理，將發(fā)生串風，損壞管殼[2]。根據(jù)管道的熱膨脹合理設計管系的補償，做到管系膨脹可控，磚襯設計時應根據(jù)管道圓周方向溫度梯度合理配置耐材，管道軸向設置膨脹縫，并對膨脹縫、波紋補償器、三岔口等處的耐材結構設計進行局部特殊處理，保證密封性能。

3.1 熱風管道補償?shù)脑O置

熱風管道內(nèi)需砌筑耐火材料，在考慮熱風管道補償時，所設置波紋補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償器和高溫自由復式型波紋補償器，通過設置拉桿來抵御盲板力。拉桿受管殼的熱傳導及熱輻射，也會有一定的溫升，在盲板力、環(huán)境溫差等因素的綜合影響下，拉桿會產(chǎn)生較大的位移并隨著風溫、風壓、環(huán)境溫差而波動，設計中考慮拉桿的位移及其波動是十分必要的。為了使熱風管道有序膨脹、膨脹可控，某頂燃式熱風爐熱風總、支管補償?shù)木唧w設置如圖1所示，其特點如下：

圖1某頂燃式熱風爐熱風總、支管布置圖

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

（2）在每個熱風支管與總管三岔口處設置次固定支座，在每兩個固定支座之間和總管端部各設置一套高溫軸向型波紋補償器，并設置跨越所有熱風支管的全程大拉桿[3]，這樣能將熱風總管的膨脹限制在兩座熱風爐的支管之間并保證熱風支管的中心線固定在一個位置上，同時補償了拉桿的伸長，各固定支座均不受盲板力。

如果熱風出口設置在大拱頂下部，建議將支管

拉桿座設置到熱風爐中心。

3.2 熱風管道耐材結構的設計

隨著熱風壓力和溫度的不斷提高，對熱風管道耐材結構設計的要求也越來越高，磚襯設計不僅要考慮結構的整體性，還要考慮各向膨脹位移所帶來的熱應力破損。熱風支管、總管、圍管內(nèi)的上半部工作層宜采用帶凹凸卡槽的結構以提高整體穩(wěn)定性。熱風出口和各三岔口宜采用組合磚砌筑，同時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)澆注料來增強其抗應力性，熱風總、支管三岔口襯里加厚結構示意圖如圖2所示。

熱風管道波紋補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導流保護磚，如圖3所示，這樣能增強波紋補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。熱風管道膨脹縫可參照波紋補償器處膨脹縫的設計方式，整體性更好，能有效控制膨脹縫的寬度。

圖2兩種熱風總、支管三岔口襯里加厚結構示意圖

圖3波紋補償器襯里構造示意圖

熱風管道整體砌筑結構為下部240°區(qū)域磚襯采用交錯砌筑，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 熱風管道耐材種類的選擇

近年來，由于我國煉鋁行業(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）價高貨緊，低蠕變高鋁磚的生產(chǎn)已近“無米下鍋”，在目前價格被招標壓得很低情況下，難以采購到真品[4]。為達到設計要求的指標，耐材廠家生產(chǎn)低蠕變高鋁磚時主要是通過加入膨脹劑，在莫來石的反應結束時，其抵消收縮的作用將失效，抗蠕變能力大大降低。由于國內(nèi)低蠕變高鋁磚質(zhì)量難以得到保證，建議熱風管道三岔口、波紋補償器區(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如表1。

表1 紅柱石高鋁磚（HRL-55）理化指標

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

4 熱風管道砌筑和烘烤

4.1 熱風管道砌筑

熱風管道施工質(zhì)量的好壞將直接影響其使用壽命，管道砌筑時需嚴格按國家相關標準和圖紙要求施工，灰縫大小和飽滿程度要嚴格控制，砌筑時需先從熱風出口、三岔口、熱風閥接口和波紋補償器處開始，嚴禁在這些部位合門。組合磚砌筑是重、難點，砌筑時必須遵守一個原則、堅持五個嚴格和一個嚴禁的操作方法。即遵守按組合磚組裝圖“對號入座”依次砌筑的原則；嚴格保證組合磚底部標高和水平度，嚴格控制十字中心線，嚴格控制砌體橢圓度，嚴格控制砌筑磚縫，嚴格做好質(zhì)量檢查和交接班工作；嚴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 熱風管道烘烤

現(xiàn)熱風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，應力消失，因此在1000℃以下膨脹被限制時產(chǎn)生的應力必須引起重視[6]。建議烘熱風管道溫度達1000℃以上。

5 結論

熱風管道系統(tǒng)破損原因較為復雜，熱風管道長壽是一項系統(tǒng)工程，合理的管道設計是基礎，優(yōu)良的耐材質(zhì)量是保證，精細的管道施工是關鍵。熱風管道設計時應運用熱力學、材料力學和材料學對管道進行分析，使管道有序膨脹、膨脹可控，優(yōu)化應力集中部位磚襯結構，增強磚襯的抗應力性，合理選擇耐材種類，使管道“物美價廉”。

[1]丁汝才，溫太陽.首秦高風溫熱風爐熱風管道長壽維護實踐[C]//中國金屬學會煉鐵分會.高爐長壽技術和高風溫熱風爐技術研討會論文集.北京：中國金屬學會，2012：327-331.

[2]唐耀，趙瑞海，羅志紅等.高風溫熱風爐熱風管系設計理念的探討[C]//中國金屬學會煉鐵分會.高爐長壽技術和高風溫熱風爐技術研討會論文集.北京：中國金屬學會，2012：276-280.

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

[4]李庭壽.我國熱風爐及耐火材料的技術發(fā)展與建議[R].大連：中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會，2010.

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

[6]項中庸，王筱留，等.高爐設計——煉鐵工藝設計理論與實踐[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)對照

由表5可看出，在改造后所選點輸出風壓風量和原數(shù)據(jù)基本一致的工況進行對比的情況下，耗用蒸汽流量有較大的下降，節(jié)能效果明顯。達到預期目標。

按表5計算，在進氣溫度為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)省量計算，對應目前蒸汽用于發(fā)電的情況，平均1 t蒸汽可發(fā)電230～240 kWh，則每小時節(jié)省的蒸汽可發(fā)電900 kWh，按0.6元/kWh計算，則每小時創(chuàng)造經(jīng)濟效益在540元，每天創(chuàng)造經(jīng)濟效益在12960元以上。一月創(chuàng)造經(jīng)濟效益39萬元。

6 結束語

在2012年12月26日改造后風機投入運行以來，自2013年2月風機進入全風狀態(tài)后，兩個防喘閥基本處于全關狀態(tài)下運行，減少了放風帶來的能源浪費。防喘線隨進氣溫度實時變化，使機組在節(jié)能運行的同時得到了有效的保護，達到了改造的預期目標。

同時在改造后，防喘閥正常生產(chǎn)時處于全關狀態(tài)，消除了原運行狀態(tài)中產(chǎn)生的大量噪音，社會效益也非常明顯。因放風帶來的防喘閥等設備損耗（防喘閥在有部分放風時振動較大）也同時減少。

由以上可見，經(jīng)過此次成功的風機自控系統(tǒng)升級改造，風機耗能有了顯著地下降，達到了預期的目的。

收稿日期：2013-12-09

作者簡介：王麟(1980-)，男，湖北工業(yè)大學電氣工程碩士，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)于武漢科技大學冶金機械專業(yè)，高級工程師，現(xiàn)主要從事鋼鐵行業(yè)設計管理工作。