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天津某钢铁公司3200m3高炉热风炉系统 损坏情况分析及解决方案
发布时间：
2020-02-22
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近日，郑州安耐克实业有限公司承揽了天津某钢铁公司3200m3高炉热风炉系统维修改造项目。
该高炉2006年竣工投产，配置了4座小帽子顶燃式热风炉，是国内首次在大型高炉上引进的国外顶燃式热风炉技术。热风炉投用14年来由初期的平均送风温度1230℃逐步降低到1170℃，炉壳表面局部温度由最初的100℃左右上升到200℃以上。高炉燃料比和炼铁成本明显增加，热风炉目前状况已难以满足高炉二代炉役，也不符合现代高炉炼铁高效、长寿、节能、环保的要求。
利用此次高炉大修机会，安耐克和业主方对热风炉现状和损坏进行了全面评估和分析。在热风炉凉炉后检查发现，热风炉蓄热室大墙基本保持完好，格子砖无渣化下沉现象，热风出口、燃烧室、混合室、热风管道损坏严重。安耐克以降低投资、确保工期、满足二代炉役15年以上为目标，制定了切实可行的实施方案。
1、热风炉系统主要损坏情况
（1）燃烧器（混合室）喷口错位、掉砖
图1 燃烧器内侧煤气喷口 图2 燃烧器外侧煤气喷口
（2）拱顶（燃烧室）砖错台、剥落
图3 人孔上部 图4 变形错台
（3）热风出口变形、坍塌
图5 热风出口内侧 图6 热风出口外侧
（4）热风管道坍塌、掉砖
图7 主管三岔口 图8 热风主管道
2、损坏原因分析
（1）燃烧器（混合室）喷口错位、掉砖
1）结构设计原因
燃烧器煤气环道喷口位置设计不合理，不利于氮气吹扫，煤气环道内残余煤气接触热空气后产生爆燃造成喷口损坏。
煤气喷口砖子母扣无法对喷口结构进行锁定，抵抗爆燃冲击能力差，受冲击后松动移位。
2）工艺设定原因
热风炉换炉时，由于氮气吹扫不彻底，煤气环道和煤气喷口内存有残余煤气或高温空气，两者相遇产生爆燃造成喷口损坏。
（2）拱顶（燃烧室）损坏
1）结构设计原因
拱顶设计为斜砌结构，单砖砖型仅上下两面设计子母扣。膨胀缝未依据拱顶上下温度和直径变化进行合理设置。上部温度相对较低，硅砖膨胀量不能完全释放。施工不吊中心线，紧贴炉壳砌筑造成工作层错台失圆，受力不均匀，单砖松动向下滑移，造成拱顶掉砖坍塌。
（3）热风出口变形坍塌
1）结构设计原因
热风出口开孔位置在拱顶直段和锥段连接处，开孔处钢结构在热风炉运行过程中受轴向和纵向应力影响，热风支管与热风炉本体炉壳相贯线上部中心位置应力最为集中，钢壳变形量最大。热风出口组合砖采用单内环管道砖+花瓣砖结构设计，受力情况在热风炉燃烧和送风期间产生周期性变化，热风出口上半环变形加剧，导致热风出口组合砖变形坍塌和炉壳开裂。
热风出口内环通道与热风支管相连接，热风支管工作层砖膨胀缝设计不合理，热膨胀应力无法得到有效释放导致热风出口内环向炉内倾斜，损坏热风出口。
2）材质设计原因
顶燃式热风炉拱顶（燃烧室）工作层耐火材料采用硅砖，热风出口采用高铝砖。硅砖和高铝砖在相同工况下热膨胀率差异较大，两种材质结合处砖缝变大，容易窜风，导致热风出口周围炉壳高温。
（4）热风管道掉砖
1）结构设计原因
热风管道三岔口开口不对称，盲板力分布不均匀。组合砖相贯线处咬合能力差，热风主管砖周期性膨胀收缩造成三岔口组合砖坍塌掉砖。
热风管道采用普通“齐头砖”设计，前后环管道砖密封性和咬合能力差，造成管道窜风和掉砖。
3、上述问题解决方案
（1）燃烧器（混合室）喷口错位、掉砖
1）改变煤气喷口与煤气环道下部距离，更加利于环道内残余煤气吹扫。采用“燃烧器无移位防微爆喷口”结构和燃烧器专用低温烧结泥浆，提高喷口结构稳定性。
2）热风炉换炉时，保证足够的氮气吹扫时间和吹扫量，避免因氮气吹扫不彻底引起的爆燃。
（2）拱顶（燃烧室）损坏
1）采用“互锁式拱顶平砌”结构，单砖采用四面双排子母扣设计，施工时拱顶砖不向下滑移，密封性好不窜风，稳定性好不掉砖。
2）拱顶采用“板块化”砌筑结构，膨胀缝根据拱顶上下温度和直径变化进行合理设置，避免膨胀缝过大造成窜风或过小造成拱顶砖挤压损坏。
（3）热风出口变形坍塌
1）热风出口开孔处设计在拱顶（燃烧室）直段，降低热风炉轴向和纵向应力影响。增加刚性抱箍式拉紧装置设计，减小热风炉运行期间热风出口处耐材和炉壳结构变形。
2）热风出口组合砖采用“多环互锁防窜风热风出口”结构，提高热风出口承受上部荷载能力。组合砖上部采用“无应力孔口”结构，分散热风出口上部荷载并吸收拱顶耐火材料膨胀。
3）热风支管采用“关节管组合砖”结构，吸收热风炉运行中热风炉本体耐火材料轴向膨胀和纵向膨胀，防止热风出口内环砖向热风炉炉内倾斜。
4）热风出口组合砖工作层与拱顶直段大墙全部采用硅砖，避免因同样工况下不同材质设计造成的非同步膨胀变形。局部采用红柱石砖提高热风出口承压能力，同时也避免了热风阀漏水损坏热风出口组合砖。
（4）热风管道掉砖
1）主支管三岔口下半环采用组合砖，上半环采用预制块或整体浇注技术，稳定性好，避免三岔口坍塌掉砖。
2）管道砖采用“Z字形”设计，即可密封气流，且环环相扣，结构更加稳定。
该3200m3高炉热风炉系统主要对燃烧器（混合室）、拱顶（燃烧室）、热风出口、热风管道进行了局部维修，共应用安耐克专利和专有技术20余项。通过此次检修，热风炉系统重新投产后，完全可满足送风温度≥1230℃，使用寿命30年以上的预期目标。
郑州安耐克实业有限公司通过不断的自主创新和完善，彻底解决了小帽子顶燃式热风炉燃烧器（混合室）喷口错位、拱顶（燃烧室）损坏、热风出口变形坍塌、热风管道掉砖、格子砖蓄热体渣化下沉、炉底跑风等难题。自2010年以来，新建和维修改造的1000余座热风炉均采用安耐克公司技术和产品，投产自今无一例出现上述问题。
