特大型高爐熱風(fēng)管道系統(tǒng)長壽節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用分析

向宏宇 明銘劉曉航 鄭山鎖

（1.山西太鋼不銹鋼股份有限公司 太原 030003 2.西安建筑科技大學(xué) 西安 710055）

引言

太鋼六號高爐熱風(fēng)管道系統(tǒng)于2013年10月建成投產(chǎn)。近年來國內(nèi)22座4000m3級以上特大型高爐的熱風(fēng)管道系統(tǒng)中運(yùn)行問題較多，甚至發(fā)生5000m3級以上高爐的熱風(fēng)管道系統(tǒng)爆炸，4000m3級以上高爐的熱風(fēng)管道爐殼燒紅吹出磚的重大生產(chǎn)事故。因此提出多種改造措施來建設(shè)安全、綠色、環(huán)保、高效的熱風(fēng)管道系統(tǒng)，這也是整體熱風(fēng)管道系統(tǒng)升級換代的關(guān)鍵。目前，熱風(fēng)管道的外部鋼殼的表面溫度97℃，年減少碳排放9325.06t。環(huán)境噪聲降低10dB，且無任何高溫點(diǎn)，維護(hù)成本為零。

熱風(fēng)管道系統(tǒng)改造后既確保高爐工藝系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，又能充分降低散熱，節(jié)約利用熱能源。且工建設(shè)投資低，運(yùn)行成本低，有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

1 熱風(fēng)管道拉桿設(shè)計(jì)

當(dāng)風(fēng)溫提高到1250～1300℃，熱風(fēng)管道的穩(wěn)定性面臨極大的考驗(yàn)。我們汲取國內(nèi)外熱風(fēng)管道設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)，最大地消除熱風(fēng)管系的內(nèi)部應(yīng)力，使整個(gè)管系在低應(yīng)力下穩(wěn)定運(yùn)行，其最主要的特點(diǎn)是高溫?zé)犸L(fēng)管道通過膨脹系統(tǒng)在一定拉桿范圍內(nèi)的自由位移進(jìn)行應(yīng)力卸載。因此拉桿是整個(gè)熱風(fēng)管道體系結(jié)構(gòu)安全關(guān)鍵點(diǎn)。

拉桿設(shè)計(jì)采用徑鍛法加工拉桿。鑄造組織經(jīng)過鍛造方法熱加工變形后由于金屬的變形和再結(jié)晶，使原來的粗大枝晶和柱狀晶粒變?yōu)榫Я］^細(xì)、大小均勻的等軸再結(jié)晶組織，使鋼錠內(nèi)原有的偏析、疏松、氣孔、夾渣等壓實(shí)和焊合，其組織變得更加緊密，提高了金屬的塑性和力學(xué)性能。鍛造加工能保證金屬纖維組織的連續(xù)性，使鍛件的纖維組織與鍛件外形保持一致，保證拉桿的力學(xué)性能與使用壽命。鍛造拉桿系統(tǒng)的裝備包括1800t徑鍛機(jī)、2000t壓力矯直機(jī)、剝皮機(jī)等，拉桿生產(chǎn)工藝的技術(shù)參數(shù)試驗(yàn)效果如表1。

表1 徑鍛機(jī)鍛造熱風(fēng)管道拉桿的實(shí)物質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)物檢驗(yàn)數(shù)據(jù)對比表中可以看出，Rm提高50%，屈服強(qiáng)度增加80%，伸長率增長8%，收縮率提高30%，硬度提高20%，總體力學(xué)性能優(yōu)良，效果極佳，超過設(shè)計(jì)要求。全部拉桿100%進(jìn)行了探傷，從根本保證了熱風(fēng)管系結(jié)構(gòu)絕對安全。

2 特高溫管道膨脹區(qū)域設(shè)計(jì)

2.1 膨脹區(qū)域模塊吸收法設(shè)計(jì)

結(jié)合霍戈文熱工板塊的理念，提出特高溫管道膨脹區(qū)域模塊吸收法，即在吸取太鋼5號熱風(fēng)管系優(yōu)點(diǎn)的前提下，將熱風(fēng)管每個(gè)三岔口當(dāng)作一個(gè)模塊，通過設(shè)置金屬波紋管膨脹節(jié)吸收單模塊的膨脹，設(shè)置合理的管道拉桿承受熱應(yīng)力、設(shè)置合理的限位支座能夠保證管道系統(tǒng)中的波紋補(bǔ)償器按照設(shè)計(jì)范圍要求工作，將熱風(fēng)管系多個(gè)集中高溫高壓膨脹連續(xù)段分解為固定式獨(dú)立高溫高壓膨脹模塊，增加滑動(dòng)支座確保每個(gè)模塊的接口有合理的金屬波紋管膨脹節(jié)吸收單模塊的膨脹變形（包括軸向、徑向），從而使管道系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)要求發(fā)生可以恢復(fù)的變形，整個(gè)管道系統(tǒng)的受力狀態(tài)良好。

2.2 整體連續(xù)膨脹分解為區(qū)域模塊吸收

熱風(fēng)管道系統(tǒng)中涉及的支座類型有固定支座，滑動(dòng)支座和彈簧支座。在模塊中部的波紋補(bǔ)償器之間需設(shè)置一個(gè)固定支座，其作用相當(dāng)于將管道分成若干板塊，優(yōu)化地將熱風(fēng)管道的伸長量分配給每個(gè)補(bǔ)償器；在固定支座之間研究需要設(shè)置滑動(dòng)支座分擔(dān)支承管道的任務(wù)；彈簧支座運(yùn)用在管道工作時(shí)有縱向位移的部位，比如熱風(fēng)爐爐身上漲引起熱風(fēng)支管縱向移動(dòng)，以及豎管熱膨脹伸長引起端頭相連的水平管段發(fā)生縱向位移。原熱風(fēng)主支管固定點(diǎn)位置離三岔口有3.5m的距離，在風(fēng)溫、風(fēng)壓、環(huán)境溫度變化以及熱風(fēng)爐換爐等交變工況的影響下，三岔口部位的會(huì)產(chǎn)生交變的位移，長期作用下，會(huì)造成三岔口部位耐材松動(dòng)串風(fēng)，從而導(dǎo)致局部溫度偏高。本次大修，將該固定支座改為滑動(dòng)支座，同時(shí)在主支管三岔口底部新增固定支座，這將改善主支管三岔口耐材的工況條件。

3 高爐熱風(fēng)管系新材質(zhì)復(fù)合雙向波紋補(bǔ)償器

熱風(fēng)管系波紋補(bǔ)償器是鋼結(jié)構(gòu)高溫膨脹收縮的活動(dòng)保護(hù)套，可對軸向、徑向和角向位移吸收，其受力情況復(fù)雜，包括溫度膨脹力、溫差應(yīng)力、鼓風(fēng)壓力和耐火材料間的摩擦力。熱風(fēng)主管與支管和圍管、熱風(fēng)支管與熱風(fēng)爐殼體之間的聯(lián)接均為剛性連接（焊接），且一般為垂直連接，其最危險(xiǎn)處是熱風(fēng)出口和圍管三岔口處。其受力包括彎曲應(yīng)力、拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力。管道接口處的破壞一般以彎曲應(yīng)力為主，拉伸應(yīng)力為輔。在大高爐趨于高風(fēng)溫、高壓的條件下，熱風(fēng)管道安全安裝波紋補(bǔ)償器以吸收管道因工作溫度變化而產(chǎn)生的變形量是關(guān)鍵。

熱風(fēng)管系波紋補(bǔ)償器選用為帶保溫裝置的，即在波紋補(bǔ)償器的空腔內(nèi)巖壁填充耐1200℃的隔熱材料，其流體通道采用澆筑、砌筑耐火材料。主管選用具有軸向和徑向補(bǔ)償能力的波紋補(bǔ)償器。波紋補(bǔ)償器的可靠性是由設(shè)計(jì)、制造、安裝及運(yùn)行管理等多個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成的。材料選擇除應(yīng)考慮工作介質(zhì)、工作溫度和外部環(huán)境外，還應(yīng)考慮應(yīng)力腐蝕的可能性的影響等。

4 熱風(fēng)管道“三明治”砌筑工法

管道系統(tǒng)耐材砌筑施工是隱蔽工程，但由于砌筑人員素質(zhì)、內(nèi)在砌體質(zhì)量的控制、由內(nèi)而外工法的特點(diǎn)等決定熱風(fēng)管道系統(tǒng)耐材的工作的好壞。根本性原因由于作業(yè)工作空間較小無法保證砌筑時(shí)充分?jǐn)D揉砌體，有時(shí)只能水平方向作業(yè)，垂直分析根本不能位移，所以泥漿不飽滿造成串風(fēng)，導(dǎo)致熱風(fēng)管道系統(tǒng)耐材熱應(yīng)力超過極限值，發(fā)生擠壓破壞。在應(yīng)用低導(dǎo)熱低鐵莫來石高溫?zé)o膨脹雙層超厚隔熱環(huán)技術(shù)同時(shí)，我們結(jié)合管道三層磚的特點(diǎn)（一層高溫工作層磚兩層隔熱輕質(zhì)磚），提出國內(nèi)首創(chuàng)熱風(fēng)管道系統(tǒng)砌筑施工創(chuàng)新工法，即三明治砌筑管道法。

5 熱風(fēng)管管道有限元分析

5.1 模型分段及簡化

熱風(fēng)管各分段標(biāo)識如圖1。

圖1 熱風(fēng)管分段標(biāo)識圖

5.2 熱風(fēng)管計(jì)算模型的簡化

太鋼六號高爐熱風(fēng)管主體屬于薄壁結(jié)構(gòu)。為了簡化模型計(jì)算，單獨(dú)將管道作為研究對象，其位移邊界條件按其管端進(jìn)行固端約束處理，這樣是能更好的模擬熱風(fēng)管的真實(shí)約束情況，實(shí)際上爐體對管道端部的約束為不規(guī)則的彈性支承，這種約束介于簡支和固支之間，但更偏于固端支承。

5.3 模型的建立

采用通用軟件ABAQUS建立對熱風(fēng)管進(jìn)行有限元分析。熱風(fēng)主管和熱風(fēng)支管單元類型均采用S4R殼單元模型，構(gòu)件之間設(shè)置為剛性連接。模型的單元?jiǎng)澐衷贛esh中進(jìn)行，并采用自由網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元尺寸選擇20cm。鋼材選取Q345，鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用Von.Mises屈服準(zhǔn)則，其數(shù)學(xué)表達(dá)式用主應(yīng)力表示為

式中 δ1、δ2、δ3分別指第一、二、三主應(yīng)力，δs為材料的屈服點(diǎn)。

鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用考慮強(qiáng)化的的雙折線模型。當(dāng)應(yīng)力σs達(dá)到σy后，進(jìn)入強(qiáng)化階段此時(shí)的彈性模量為E′=αE，α為強(qiáng)化階段的強(qiáng)化系數(shù)，其值取0.01。

5.4 熱風(fēng)管應(yīng)力云圖

5.4.1重力和壓強(qiáng)下的應(yīng)力云圖

熱風(fēng)管在0.45MPa管道壓強(qiáng)作用下及管道自重作用下的應(yīng)力云圖如2。

圖2 熱風(fēng)管應(yīng)力云圖

表2 熱風(fēng)管支管應(yīng)力分布

最大應(yīng)力σmax=188.09MPa出現(xiàn)在熱風(fēng)支管和熱風(fēng)主管連接處。

最大應(yīng)力σmax=185.08MPa出現(xiàn)在熱風(fēng)支管和熱風(fēng)主管連接處。

5.4.2 溫度下的應(yīng)力云圖

6#高爐熱風(fēng)支管殼體溫差62.6℃，主管殼體溫差74.3℃，計(jì)算應(yīng)力云圖如圖3。

在內(nèi)部壓強(qiáng)和自重作用下、溫度荷載作用下，熱風(fēng)管殼體的應(yīng)力并不高且在溫度荷載作用下應(yīng)力值較小，應(yīng)力較高的處于熱風(fēng)支管和熱風(fēng)主管連接處，但最大應(yīng)力值均處于鋼材的彈性范圍內(nèi)，因此可認(rèn)為在承受0.45Mpa的壓強(qiáng)下，運(yùn)行與停爐時(shí)熱風(fēng)主管和熱風(fēng)支管結(jié)構(gòu)殼體強(qiáng)度未超標(biāo)。

表3 熱風(fēng)管主管應(yīng)力分布

圖3 溫度下的應(yīng)力云圖

5.4.3 綜合分析工況的應(yīng)力云圖

在內(nèi)部0.45MPa壓強(qiáng)、自重作用和溫度荷載綜合作用下，熱風(fēng)管殼體的應(yīng)力云圖如圖4。

圖4 綜合分析工況的應(yīng)力云圖

以ABAQUS軟件作為平臺，通過對熱風(fēng)管道的有限元分析，由上述應(yīng)力云圖可以看出在綜合工況下，熱風(fēng)管殼體的應(yīng)力值接近屈服，最先發(fā)生屈服部位在熱風(fēng)支管變截面處和熱風(fēng)支管與熱風(fēng)主管連接部位處，最大應(yīng)力值為287.0MPa。

6 結(jié)語

通過技術(shù)集成，太鋼六高爐熱風(fēng)爐管系達(dá)到國際領(lǐng)先水平，目前項(xiàng)目運(yùn)行6年，每年減低能源損失相當(dāng)于年節(jié)約2543.2t焦炭；同時(shí)減少二氧化碳排放5086t。2017年檢測熱風(fēng)管道的外部鋼殼的表面溫度平均為99℃。環(huán)境噪音降低10dB。因?yàn)闆]有故障，為高爐順行創(chuàng)造了良好的局面。項(xiàng)目創(chuàng)新取得了明顯的效果，引領(lǐng)超高溫?zé)犸L(fēng)爐向節(jié)能、高效、長壽的方向前進(jìn)。