大型高爐熱風(fēng)煤氣設(shè)備在線(xiàn)維修研究與實(shí)踐

廖海歐

一、引言

馬鋼2座4000m3大型高爐熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)，采用4座新日鐵式外燃式熱風(fēng)爐，成單列式布置。為確保高風(fēng)溫和節(jié)能降耗的要求，系統(tǒng)設(shè)置了煤氣和助燃空氣的預(yù)熱設(shè)施；設(shè)計(jì)要求為1250℃風(fēng)溫生產(chǎn)操作的熱風(fēng)爐及二代爐齡30年的長(zhǎng)壽目標(biāo)。

該高爐的煤氣凈化系統(tǒng)為重力除塵器+煤氣洗滌塔的基本形式，煤氣洗滌系統(tǒng)引進(jìn)了當(dāng)時(shí)國(guó)際先進(jìn)的英國(guó)奧鋼聯(lián)單錐環(huán)縫煤氣洗滌塔及控制技術(shù)，煤氣調(diào)壓系統(tǒng)率先配備國(guó)產(chǎn)2兆瓦TRT發(fā)電機(jī)組，以滿(mǎn)足爐頂壓力±5KPa的調(diào)節(jié)功能。2007年，在投產(chǎn)5年以后，馬鋼4座單列式布置熱風(fēng)爐及熱風(fēng)管系的熱風(fēng)，交替送入高爐生產(chǎn)，其溫度穩(wěn)定在1230℃-1250℃，壓力450Kpa。但由于熱風(fēng)管系鋼殼結(jié)構(gòu)的位移量達(dá)15mm-20mm，以致出現(xiàn)了熱風(fēng)補(bǔ)償器失效、耐材脫落、總管發(fā)紅、熱風(fēng)爐出口大墻磚松動(dòng)、破損等系列問(wèn)題。由于煤氣洗滌塔內(nèi)壁積淤?lài)?yán)重且不定期脫落，堵塞了清洗管道，造成運(yùn)行波動(dòng)，降低了煤氣清洗效率，直接影響到爐頂壓力的調(diào)節(jié)功能，甚至出現(xiàn)了環(huán)縫錐突然關(guān)閉、爐頂放散閥全部打開(kāi)等故障。

為避免國(guó)內(nèi)其他企業(yè)也出現(xiàn)熱風(fēng)爐總管、熱風(fēng)爐出口燒穿的惡性事故，解決單錐環(huán)縫煤氣洗滌系統(tǒng)與國(guó)產(chǎn)TRT機(jī)組精準(zhǔn)穩(wěn)定的調(diào)節(jié)爐頂壓力，保障高爐的安全、穩(wěn)定、綠色生產(chǎn)，馬鋼團(tuán)隊(duì)結(jié)合近70年中小高爐在線(xiàn)維護(hù)修復(fù)的實(shí)踐，總結(jié)了高爐生產(chǎn)高作業(yè)率的設(shè)備維護(hù)及維修的經(jīng)驗(yàn)，在不斷升級(jí)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)攻關(guān)基礎(chǔ)上，保持了特大型高爐現(xiàn)代化裝備的生產(chǎn)作業(yè)率始終在99%的水平，團(tuán)隊(duì)共取得了8項(xiàng)專(zhuān)利，其中發(fā)明專(zhuān)利4件，為特大型高爐設(shè)備維護(hù)的持續(xù)創(chuàng)新進(jìn)步，開(kāi)辟了新路徑，值得業(yè)內(nèi)同行借鑒。

二、熱風(fēng)爐熱風(fēng)管系維護(hù)研究實(shí)踐

大型高爐的熱風(fēng)管系的受力非常復(fù)雜，國(guó)內(nèi)一直沒(méi)有完整的力學(xué)計(jì)算模型，其設(shè)計(jì)都是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和比較法得出。由于對(duì)施工、烘爐、生產(chǎn)等各個(gè)階段的應(yīng)力變化認(rèn)知不夠，無(wú)法提出預(yù)應(yīng)力的設(shè)置及調(diào)節(jié)需求，因此，熱風(fēng)管系構(gòu)件在生產(chǎn)過(guò)程中的失效處理，只能以出現(xiàn)的事故故障為目標(biāo)，被動(dòng)采取局部臨時(shí)措施維持生產(chǎn)。

2.1 熱風(fēng)管系補(bǔ)償器及熱風(fēng)閥布置的研究

通常大型高爐的熱風(fēng)管系設(shè)計(jì)有較多的補(bǔ)償器，每個(gè)熱風(fēng)出口有補(bǔ)償器，每座熱風(fēng)爐之間補(bǔ)償器，熱風(fēng)總管與熱風(fēng)圍管連接補(bǔ)償器等，目的都是圍繞4座熱風(fēng)爐交替送風(fēng)產(chǎn)生的壓力、溫度變化，引發(fā)的管系結(jié)構(gòu)應(yīng)力波動(dòng)，對(duì)造成的鋼結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)。然而，補(bǔ)償器的位移調(diào)節(jié)量是有限的，一旦超出其設(shè)計(jì)位移量，補(bǔ)償器就會(huì)失效，造成耐材松動(dòng)脫落、結(jié)構(gòu)件破損，進(jìn)而直接造成高爐事故休風(fēng)而停止生產(chǎn)。

熱風(fēng)爐出口補(bǔ)償器布置有兩種方式：（1）熱風(fēng)爐→熱風(fēng)閥→補(bǔ)償器→熱風(fēng)總管；（2）熱風(fēng)爐→補(bǔ)償器→熱風(fēng)閥→熱風(fēng)總管。

第一種布置方式的優(yōu)點(diǎn)是：熱風(fēng)閥與補(bǔ)償器連接法蘭及補(bǔ)償器與熱風(fēng)總管連接法蘭，密封處理簡(jiǎn)單，不易泄漏。但該布置無(wú)論熱風(fēng)爐出口、熱風(fēng)閥、補(bǔ)償器等任何部位在需要檢修時(shí)，高爐都要休風(fēng)，嚴(yán)重影響高爐生產(chǎn)作業(yè)率（不推薦使用）。

第二種布置方式的優(yōu)點(diǎn)是：只要關(guān)閉熱風(fēng)閥，就可以有充分的時(shí)間檢修處理熱風(fēng)爐及出口、補(bǔ)償器等設(shè)備缺陷。現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明，只需要在高爐復(fù)風(fēng)生產(chǎn)后72小時(shí)內(nèi)，按照高爐恢復(fù)生產(chǎn)進(jìn)程，分3-4個(gè)階段連續(xù)復(fù)緊法蘭螺栓，就能保證熱風(fēng)閥與熱風(fēng)總管的法蘭密封效果。這樣處理的結(jié)果，可以最大限度降低更換熱風(fēng)閥高爐的休風(fēng)時(shí)間，完善檢修工藝網(wǎng)絡(luò)，確保12小時(shí)內(nèi)高爐復(fù)風(fēng)。馬鋼也是靠這個(gè)方法，實(shí)現(xiàn)了10余年2座4000m3高爐生產(chǎn)作業(yè)率達(dá)到99%，且熱風(fēng)煤氣系統(tǒng)無(wú)故障休風(fēng)。

2.2 熱風(fēng)出口松動(dòng)耐材在線(xiàn)陶瓷焊補(bǔ)修復(fù)實(shí)踐

為了保持高爐生產(chǎn)工藝1200℃以上的熱風(fēng)溫度，馬鋼4座熱風(fēng)爐交替將450KPa壓力，6500 m3/min以上的風(fēng)量穩(wěn)定送入高爐中。熱風(fēng)管系工作時(shí)巨大的“盲板力、熱應(yīng)力”波動(dòng)，會(huì)造成熱風(fēng)管系及熱風(fēng)爐爐體鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位移，引發(fā)熱風(fēng)爐出口耐火磚松動(dòng)脫落。若得不到及時(shí)修復(fù)維護(hù)，將會(huì)進(jìn)一步惡化，出現(xiàn)大面積損壞，會(huì)發(fā)生熱風(fēng)爐出口“發(fā)紅”、“燒穿”的惡性事故。

由于該部位為熱風(fēng)爐高溫區(qū)域，溫度高達(dá)1200℃以上，降溫處理需要較長(zhǎng)時(shí)間，且對(duì)耐材的損傷較大。從引進(jìn)的陶瓷焊補(bǔ)新技術(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行在線(xiàn)維護(hù)的實(shí)效情況分析，只要拆除熱風(fēng)閥后的補(bǔ)償器，就能有足夠的作業(yè)空間，再通過(guò)3-4人6-8小時(shí)的操作，即可完成對(duì)松動(dòng)耐火磚在線(xiàn)焊接固定修復(fù)。

2.3 創(chuàng)建箱型結(jié)構(gòu)熱風(fēng)管系穩(wěn)定及在線(xiàn)調(diào)整系統(tǒng)

為解決熱風(fēng)爐出口鋼結(jié)構(gòu)位移量嚴(yán)重超標(biāo)，避免該部位的結(jié)構(gòu)、耐材、補(bǔ)償器故障頻發(fā)，馬鋼團(tuán)隊(duì)研發(fā)了箱型結(jié)構(gòu)熱風(fēng)管系穩(wěn)定及調(diào)整系統(tǒng)，將位移量目標(biāo)從15mm-20mm穩(wěn)定在5mm以?xún)?nèi)。大大增加了單列式熱風(fēng)爐出口及熱風(fēng)總管系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管系鋼殼管系位移量控制在3mm左右的目標(biāo)，保證了補(bǔ)償器不再失效、耐材不再受損。

箱型結(jié)構(gòu)固定位置在熱風(fēng)爐、熱風(fēng)出口中心線(xiàn)，箱型結(jié)構(gòu)水平安裝，分段設(shè)計(jì)制造，在線(xiàn)調(diào)整。

2.4 探索熱風(fēng)管道應(yīng)力位移在線(xiàn)檢測(cè)調(diào)整裝置

為進(jìn)一步掌握熱風(fēng)爐不同狀態(tài)下的應(yīng)力狀況，建立了自主熱風(fēng)管系力學(xué)模型。結(jié)合穩(wěn)定調(diào)整箱型結(jié)構(gòu)中的法蘭連接方式，用應(yīng)力檢測(cè)元件檢測(cè)各種工作狀態(tài)下的應(yīng)力數(shù)據(jù)，同時(shí)利用法蘭兩側(cè)的頂開(kāi)裝置，調(diào)整法蘭之間墊片，以實(shí)現(xiàn)箱型結(jié)構(gòu)受力相當(dāng)。還要保證4座熱風(fēng)爐在不同工作狀態(tài)下的應(yīng)力波動(dòng)基本一致，保證管系鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件各部位位移相等，以保障各波紋補(bǔ)償器都在范圍內(nèi)工作。見(jiàn)圖1。

圖1 熱風(fēng)爐熱風(fēng)出口在線(xiàn)應(yīng)力檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖

三、煤氣環(huán)縫洗滌塔穩(wěn)定運(yùn)行實(shí)踐

3.1 研發(fā)環(huán)縫內(nèi)壁在線(xiàn)沖洗裝置系統(tǒng)

英國(guó)奧鋼聯(lián)單錐煤氣洗滌塔系統(tǒng)屬于國(guó)際先進(jìn)的設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)迅速。但隨著我國(guó)提升節(jié)能減排、綠色生產(chǎn)的要求，經(jīng)濟(jì)料入爐以及固廢循環(huán)利用的原料發(fā)生變化，煤氣中的鋅、鉀、鈉等有害元素大量增加，帶來(lái)煤氣瓦斯泥成份的變化，引發(fā)煤氣洗滌塔內(nèi)壁塵泥粘結(jié)，積淤?lài)?yán)重并隨機(jī)掉落，堵塞清洗水管系統(tǒng)，造成運(yùn)行波動(dòng)，直接影響高爐爐頂煤氣壓力的穩(wěn)定性。初期，維修工作是利用每次高爐定修，對(duì)環(huán)縫上塔內(nèi)壁積淤進(jìn)行人工清理。由于內(nèi)壁上淤積的松軟污泥有隨時(shí)脫落的可能，在有限的空間作業(yè)，極易造成安全事故。

為此，馬鋼團(tuán)隊(duì)研發(fā)了煤氣環(huán)縫洗滌塔內(nèi)壁在線(xiàn)沖洗裝置，并取得成功（ZL201410647717.5）。即在洗滌塔頂部增設(shè)返沖噴槍?zhuān)箛姵龅乃軌蚍祷貒娭镰h(huán)縫內(nèi)壁，用來(lái)沖洗φ5500mm的上塔內(nèi)壁；返沖噴槍所在環(huán)縫塔內(nèi)平面圓周直徑φ5100mm，垂直在環(huán)縫塔上部安裝8個(gè)等距布置的返沖噴槍?zhuān)柚簹庀礈焖到y(tǒng)，增加內(nèi)壁清洗及邊緣煤氣清洗子系統(tǒng)，應(yīng)用效果良好。

3.2 環(huán)縫錐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)故障在線(xiàn)控制裝置

先進(jìn)的單錐煤氣洗滌塔，其環(huán)縫單錐的調(diào)節(jié)，依靠液壓伺服閥進(jìn)行控制驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈敏度高，但容易在意外的干擾信號(hào)下，使環(huán)縫錐突然緊急關(guān)閉，致使?fàn)t頂放散閥全部打開(kāi)，造成無(wú)組織排放的環(huán)保事件，引發(fā)TRT跳停、高爐緊急控風(fēng)、減氧、停煤操作。馬鋼團(tuán)隊(duì)在緊急處置中，采用在環(huán)縫錐調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)槽頂部位置安裝了硬限位，確保環(huán)縫錐在任何情況下都不會(huì)關(guān)閉到零，從而杜絕該類(lèi)事件再次發(fā)生。

四、開(kāi)發(fā)在線(xiàn)修復(fù)工程應(yīng)用實(shí)施裝置

高爐熱風(fēng)煤氣系統(tǒng)設(shè)備繁多，各種原因都會(huì)造成漏風(fēng)伴隨煤氣泄漏的狀況，嚴(yán)重威脅到安全生產(chǎn)，需要緊急休風(fēng)進(jìn)行設(shè)備檢修，或采取監(jiān)控措施應(yīng)對(duì)隱患，維持生產(chǎn)。因此，研發(fā)大型高爐設(shè)備在線(xiàn)修復(fù)工程技術(shù)及實(shí)施方法，也成為保障大型高爐安全、長(zhǎng)壽、綠色、高效生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，成為重要的研究方向。

馬鋼2座4000m3高爐十余年來(lái)安全生產(chǎn)運(yùn)行的實(shí)踐，取得了零故障運(yùn)行、創(chuàng)國(guó)內(nèi)作業(yè)率最高的實(shí)績(jī)，證明了馬鋼在大型高爐熱風(fēng)煤氣設(shè)備在線(xiàn)維護(hù)、工程應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新和實(shí)踐，卓有成效。

4.1 開(kāi)發(fā)在線(xiàn)更換爐頂十字測(cè)溫桿電偶裝置

十字測(cè)溫系統(tǒng)是高爐爐頂煤氣流變化監(jiān)控的關(guān)鍵設(shè)備，由一對(duì)十字測(cè)溫桿及其內(nèi)部的24根熱電偶組成，以提供數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，判斷高爐冶煉生產(chǎn)過(guò)程煤氣的氣流分布，是研判布料均勻狀態(tài)的工藝監(jiān)測(cè)設(shè)備。

高爐投產(chǎn)以來(lái)，十字測(cè)溫桿各測(cè)溫點(diǎn)熱電偶受爐頂煤氣流波動(dòng)的影響，經(jīng)常損壞缺失需要更換。常規(guī)是在高爐休風(fēng)時(shí)更換，但電偶卻因冷卻后會(huì)與桿體粘接而常常拔斷，需被迫進(jìn)行十字測(cè)溫桿整體更換。這通常需要休風(fēng)十余小時(shí)以上，必須在長(zhǎng)時(shí)間的高爐定修時(shí)才能進(jìn)行。馬鋼團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種大型高爐在線(xiàn)快速更換十字測(cè)溫桿電偶裝置（ZL201520892736.4），有效解決了以上問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)快速更換單支測(cè)溫電偶元件，解決了損壞電偶與桿體粘結(jié)的難題。不僅為高爐生產(chǎn)操作提供準(zhǔn)確完整的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)也大大節(jié)約了整體更換時(shí)間及設(shè)備檢修的費(fèi)用。

4.2 開(kāi)發(fā)高耐熱密封填料條，滿(mǎn)足在線(xiàn)堵漏需求

高爐熱風(fēng)煤氣系統(tǒng)設(shè)備繁多，由于各種原因，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)漏風(fēng)伴隨煤氣泄漏的狀況，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)，需要緊急休風(fēng)進(jìn)行設(shè)備檢修，采取監(jiān)控措施應(yīng)對(duì)存在的隱患，以維持生產(chǎn)。在日常生產(chǎn)的在線(xiàn)維護(hù)中，需要一種耐高溫、柔韌性好的密封填料，對(duì)漏風(fēng)部位及時(shí)進(jìn)行堵漏處理，以確保高爐生產(chǎn)安全、順利、穩(wěn)定進(jìn)行。（專(zhuān)利號(hào)ZL201610719659.1）

為保證堵漏的快捷、方便和可靠，對(duì)爐前現(xiàn)有的資源要充分利用，砲泥可以滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)急需要。目前的高耐熱填料中都含有SIC，AL2O3，C等顆粒物，可現(xiàn)場(chǎng)快速制作柔韌性好的耐高溫填料，配合銅絲、石墨盤(pán)根，堵漏效果會(huì)更好。見(jiàn)圖2。

圖2 高耐熱密封填料條制作裝置結(jié)構(gòu)圖

五、結(jié)語(yǔ)

目前正是我國(guó)由鋼鐵大國(guó)向鋼鐵強(qiáng)國(guó)發(fā)展的新時(shí)期，高爐煉鐵裝備也需按高質(zhì)量發(fā)展的要求裝備大型高爐。熱風(fēng)煤氣系統(tǒng)裝備的穩(wěn)定運(yùn)行，更是高爐安全、長(zhǎng)壽、節(jié)能、綠色、高效的重要保障。由于熱風(fēng)煤氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還沒(méi)有完整的力學(xué)模型，耐材的結(jié)構(gòu)及砌筑還停留在“小爐窯時(shí)代”，需要我們用新時(shí)代思想為引領(lǐng)，親歷跨越發(fā)展的經(jīng)歷去創(chuàng)新，以自身獨(dú)特理解的視角去突破，從現(xiàn)有問(wèn)題為切入點(diǎn)，在更高的起點(diǎn)上不斷開(kāi)發(fā)在線(xiàn)維護(hù)工程實(shí)施應(yīng)用技術(shù)，進(jìn)而拓展研發(fā)完整基礎(chǔ)系統(tǒng)的高爐裝備新技術(shù)。

馬鋼有著悠久的高爐煉鐵生產(chǎn)歷史，從100m3高爐發(fā)展到歷經(jīng)1000m3高爐、2500m3高爐直到4000m3特大型高爐，從肩挑人扛到引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)的技術(shù)裝備，近七十年來(lái)，一直用自力更生、艱苦奮斗的精神，進(jìn)行了探索、實(shí)踐、引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新，走出了一條具有中國(guó)特色的高爐生產(chǎn)裝備的發(fā)展之路。近年來(lái)，圍繞綠色生產(chǎn)、節(jié)能減排，鐵前高爐生產(chǎn)研發(fā)了較多的在線(xiàn)再造、在線(xiàn)維護(hù)維修等工程實(shí)施新技術(shù)，都取得了良好的實(shí)績(jī)。