高爐熱風(fēng)爐大拱頂耐火磚吊砌改平砌實(shí)踐

吳秀榮，歐陽鵬，蔣福軍，藍(lán)濤濤，李匯

（十一冶集團(tuán)公司工程技術(shù)有限公司，廣西 柳州 545002）

關(guān)鍵字：熱風(fēng)爐；大拱頂；塌磚；平砌

1 前言

高爐熱風(fēng)爐是煉鐵廠高爐主要配套的設(shè)備之一，一般一座高爐配3～4座熱風(fēng)爐，熱風(fēng)爐的主要作用是為高爐持續(xù)不斷的提供1000℃以上的高溫?zé)犸L(fēng)，用于高爐噴吹煤管，風(fēng)溫越高，煤炭的燃值就越高，越有利于高爐生產(chǎn)，目前先進(jìn)的現(xiàn)代熱風(fēng)爐風(fēng)溫可達(dá)到1300℃。熱風(fēng)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(zhǎng)期承受斜向壓力，當(dāng)耐火磚膨脹或蠕變后便會(huì)出現(xiàn)塌磚，如圖1所示，進(jìn)而竄風(fēng)鼓壓加速整個(gè)上錐段的損壞。熱風(fēng)爐大拱頂?shù)膿p壞對(duì)整個(gè)高爐的生產(chǎn)影響比較大，首先大拱頂出現(xiàn)塌磚時(shí)，局部爐殼溫度升高，被迫加大水冷，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致爐殼燒紅、燒穿，煤氣串漏，產(chǎn)生安全隱患；其次，當(dāng)4座熱風(fēng)爐中的1座被迫停爐檢修時(shí)，熱風(fēng)爐的送風(fēng)溫度會(huì)明顯降低，平均降低100℃，直接制約了高爐的穩(wěn)定生產(chǎn)；另外，熱風(fēng)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(dá)到使用壽命被迫拆除，造成極大浪費(fèi)；工期時(shí)間長(zhǎng)，整個(gè)大拱頂拆除并砌筑加上更換蓄熱耐火球至少需要1個(gè)月時(shí)間，對(duì)高爐的穩(wěn)定生產(chǎn)影響較大。因此，2012年柳鋼在1B高爐2#熱風(fēng)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(shí)間未出現(xiàn)塌磚現(xiàn)象，爐體壽命顯著提高?，F(xiàn)在以1B-2#熱風(fēng)爐為例，分析采用平砌方式的優(yōu)越性。

圖1 熱風(fēng)爐大拱頂?shù)跗鏊u現(xiàn)場(chǎng)圖

圖2 吊砌（左）與平砌（右）砌筑方式對(duì)比

2 原因分析

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

(1)高溫?zé)釕?yīng)力作用。熱風(fēng)爐爐墻耐火磚內(nèi)、外側(cè)表面溫度差很大，產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，即磚襯內(nèi)側(cè)受到很大的壓應(yīng)力，外側(cè)受到很大的拉應(yīng)力。并且，耐火砌體受到的膨脹力和荷重力主要集中于熱風(fēng)爐內(nèi)層磚襯的內(nèi)表面上，加之換爐操作更加劇了耐火磚襯內(nèi)側(cè)面的冷、熱變化[1]。在這些因素的作用下，耐火砌體的內(nèi)側(cè)面首先發(fā)生開裂，進(jìn)而產(chǎn)生松動(dòng)和脫落，嚴(yán)重時(shí)造成拱頂垮塌、隔墻傾倒等。

(2)化學(xué)侵蝕作用[2]。熱風(fēng)爐拱頂耐火砌體所處周圍介質(zhì)，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(diǎn)物質(zhì)，并產(chǎn)生相變，致使耐火磚組織遭到破壞，使耐火磚襯的強(qiáng)度等高溫性能降低。

(3)機(jī)械沖刷、磨損作用[3]。主要是指高溫燃燒廢氣和鼓風(fēng)對(duì)磚襯表面的強(qiáng)烈沖擊和磨損。

(4)蠕變作用。目前，對(duì)熱風(fēng)爐的破損研究結(jié)果，認(rèn)為耐火砌體在高溫、高壓的作用下,產(chǎn)生的蠕變是導(dǎo)致熱風(fēng)爐用耐火磚破壞的重要原因。

(5)高鋁質(zhì)和莫來石磚的體積膨脹大的缺陷[4]。高鋁質(zhì)和莫來石磚高溫體積穩(wěn)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(fēng)過程的溫度變化，或休風(fēng)燜爐時(shí)爐內(nèi)溫度較大變化，或燃燒產(chǎn)生的局部高溫，都容易使得磚與磚之間發(fā)生擠壞或者被拉開以及疲勞損壞等現(xiàn)象。

圖3 吊砌（左）與平砌（右）時(shí)局部耐火磚的受力分析對(duì)比

(6)耐火磚吊砌方式的設(shè)計(jì)不合理性。將拱頂內(nèi)襯工作層在吊砌與平砌兩種方式砌筑施工時(shí)，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，F(xiàn)N為下部磚塊對(duì)其的支撐力，F(xiàn)壓為保溫層耐火磚對(duì)其的壓力，f為周邊耐火磚對(duì)其向下滑移的阻力。經(jīng)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(shí)，產(chǎn)生的下滑力更大，當(dāng)局部耐火磚受膨脹擠壓或蠕變導(dǎo)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(nèi)的高壓熱風(fēng)不斷向塌磚口鼓進(jìn)，加速整個(gè)拱頂內(nèi)襯的坍塌，形成了如圖1所示的塌磚現(xiàn)象。

3 方案實(shí)施

經(jīng)過認(rèn)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(jìn)行施工。具體實(shí)施方案如下。

3.1 排查、拆除大拱頂失穩(wěn)磚

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

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

3) 拆除失穩(wěn)磚。待施工人員進(jìn)入吊籠穩(wěn)定后，緩慢松開吊籠至爐中心點(diǎn)平穩(wěn)，點(diǎn)火孔處操作卷揚(yáng)機(jī)人員接到吊籠內(nèi)的施工人員下降的信號(hào)，可啟動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)將吊籠內(nèi)的施工人員逐步送到需拆除墻體的水平面，這時(shí)在吊籠內(nèi)的施工人員可使用5m的長(zhǎng)鉤子拆除墻體上失穩(wěn)的磚塊。

圖4 修復(fù)大拱頂施工簡(jiǎn)圖

3.2 拆除大拱頂內(nèi)襯、修復(fù)托圈板

進(jìn)行安全確認(rèn)后，施工人員可以從第一層裝球人孔進(jìn)入爐內(nèi)，從球床面搭設(shè)爐內(nèi)施工腳手架到上錐體托圈板，然后使用風(fēng)鎬、鋼釬等將受損的上錐體內(nèi)襯工作層全部拆完至拱腳磚底部。發(fā)現(xiàn)托圈板氧化損壞的需先加固修復(fù)才繼續(xù)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(nèi)施工腳手架。拆除順序?yàn)?，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(wěn)的耐火磚。

3.3 大拱頂內(nèi)襯恢復(fù)砌筑

完成以上步驟后，即可按照?qǐng)D2所示的平砌施工圖紙進(jìn)行恢復(fù)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(shù)要點(diǎn)有：層與層之間的卡槽要牢靠有效，各種型號(hào)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(shè)好膨脹縫。

圖5 平砌工作層磚型圖

4 結(jié)語

通過以上分析可以得知，大拱頂修復(fù)砌筑時(shí)耐火磚采用平砌方式具有可行性，其主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）平砌方式更簡(jiǎn)易，施工效率高。由于吊砌需要采用金屬卡鉤進(jìn)行砌筑[5]，砌筑過程中，上層磚需借助卡鉤的長(zhǎng)臂固定在下層磚上，每砌4-5塊就需要用一個(gè)卡鉤，往上隨著斜度的增大，2-3塊磚就需要用一個(gè)卡鉤，到最后幾環(huán)磚時(shí)，每砌一塊磚就需要一個(gè)卡鉤，每環(huán)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(jìn)度慢。然而平砌方式不需要借助卡鉤等外力進(jìn)行錨固，直接像砌直墻磚一樣一塊塊碼上砌筑即可，簡(jiǎn)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(shí)，磚塊基本垂直拱頂爐殼，由于磚塊的自重會(huì)使其產(chǎn)生向下滑移的趨勢(shì)，改用平砌后，能有效化解了磚塊自重產(chǎn)生的下滑力，使整個(gè)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(fēng)爐大拱頂修復(fù)上進(jìn)行了實(shí)踐，使用至今已6年多，仍未出現(xiàn)塌磚現(xiàn)象，有效提高了熱風(fēng)爐的爐齡。

4）平砌方式能夠降低熱風(fēng)爐的維修成本。由于平砌方式提高了熱風(fēng)爐的使用壽命，內(nèi)襯耐火磚得到了充分利用，一方面節(jié)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(jīng)濟(jì)效益顯著。