热风炉送风管道破损分析及解决方案

热风炉送风管道破损分析及解决方案

王志

（鞍钢股份有限公司炼铁总厂 114001）

摘要：热风炉送风管道是热风炉的关键设备，对其破损原因进行了详细的调查，并提出解决方案。

关键词：热风炉  送风管道   破损  解决方案

Analysison Disrepair of Hot-air furnace Short-pipe and Countermeasures

Wang Zhi  

(General Iron-making plant of Angang Co., Lt114001)

Abstract : Hot-air pipe is the key equipment ofhot-stove. The reason for disrepair of hot-air furnace pipe was given, andcountermeasures were put forward.

Key words: Hot-air furnace  pipe  disrepair  countermeasures

1、  前言

热风炉是高炉冶炼的最主要的附属热工设备，而送风管道又是连接高炉和热风炉的关键设备。目前鞍钢股份有限公司炼铁总厂高炉已全部实现大型化（其中新1#BF、新2#BF、新3#BF炉容为3200M³，新4#BF、新5#BF、 7#BF、10#BF 、11#BF炉容为2580M³）,与之配套的热风炉有30座，其形式有内燃式、外燃式、顶燃式等。高炉大型化对热风炉的长寿命和高风温提出了更高的要求（热风炉设计寿命为大于25年，年平均风温大于1200℃），但热风炉送风管道的低寿命却严重制约了热风炉的长寿命，有的热风里短管、拱顶联络管开炉管壳温度即高于200℃，3-4年左右被迫停炉检修。热风送风管道破损的原因是什么，如何解决这一制约热风炉长寿和高炉高风温冶炼的问题？经过认真、细致的调查研究和综合分析，提出如下解决问题的方案。

2、  热风炉送风管道破损实例

（1）炼铁总厂7高炉2004年9月11日投入使用，新建4座外燃新日铁式热风炉。在热风炉投入使用3个月后热风炉里短管波纹补偿器上部的温度全部升高到290℃--350℃，为防止事故发生，在热风里短管波纹补偿器上部采用空气冷却方式降温保产。为解决波纹补偿器上部温度高的问题，在7高炉定修时将波纹补偿器中心的管皮割开检查发现，波纹补偿器套管间的膨胀缝空，局部已经红热，并且膨胀缝的尺寸比原设计的尺寸有扩大的趋势。采用自流浇注料将该缝隙封闭后，管皮温度降到150℃左右，但高炉送风一月后，该部位温度又升高到290℃--350℃。为解决7高炉热风里短管的问题，2006年8月炼铁总厂将7高炉2#热风炉凉炉，然后将里短管的波纹补偿器和组合砖全部更换，但未改变热风炉的膨胀缝设计结构，组合砖的膨胀缝设计为25mm,共2道.但高炉投产后该短管的管皮温度又急剧升高到290℃--310℃，采取在热风里短管波纹补偿器上部采用循环水冷却方式降温保产。

（2）2007年11月开始11高炉1#、2#、3#热风里短管波纹补偿器陆续开裂，采取管外包铁壳和浇注料保产（该热风炉2002年9月投入使用），2014年11高炉大修后，热风里短管的缺陷全部解决。

（3）新3高炉2005年12月投入使用，其高炉本体配套4座外燃式热风炉，热风炉风温超过1100℃后，4座热风炉的拱顶联络管波纹张力处管皮温度高，局部达到300℃。为保证生产安全，热风炉联络管采用管皮打风降温方式维持生产。

鉴于以上实例，热风炉送风管道破损存在极大的共性，即全部为波纹补偿器表面温度过高（超过300℃）或波纹补偿器漏风导致最后波纹补偿器被吹开而破损。

3、热风炉送风管道破损原因分析

经过大量的调查研究，造成热风炉送风管道波纹补偿器温度高，并最终破损的主要原因为：

3.1   7#高炉热风里短管破损原因

3.1.1设计结构不合理--波纹补偿器不应该设计在里短管上

7高炉4个有问题的热风里短管全部是长短管，即波纹补偿器在里短管上，其里短管长度大于3.5米，热风炉中心到热风阀中心长度为6125mm,短管长度为3631 mm ，由于波纹补偿器设计在里短管上，热风炉在烧炉期和送风期由于大墙砖热胀冷缩的不同膨胀量所产生的应力完全需要由该波纹补偿器来吸收，在长期反复的应力作用下波纹补偿器很容易破损，即开焊或漏风。

图二   7#高炉热风里短管尺寸示意图

3.1.2组合砖膨胀缝设计不合理

7#高炉热风炉里短管组合砖的膨胀缝设计为2道，尺寸为25mm/道,其设计不合理。(7高炉热风里短管组合砖膨胀缝见图三)

7高炉热风炉里短管组合砖膨胀缝大小的设计依据来自于热风里短管的膨胀量，在正常工作状态，热风里短管的膨胀量ΔL=λLΔt

ΔL——热风里短管的膨胀量（mm）；

λ——线膨胀系数^[6]（mm /m℃）；（查得λ=12×10^-6m/m℃）；

L——里短管的长度（m）；

Δt——温度差（热风里管工作温度与管道安装时的环境温度之差）；

以7高炉热风里短管为例，其膨胀量为：

L=6125mm

Δt=150℃-20℃=130℃

ΔL=λLΔt=12×10^-6mm /m℃*6125mm×130℃=9.6mm

但对于高铝质耐火材料砌体而言，其高温下的重烧线变化率为负值，并且在高温下无论是组合砖或非组合砖都将失去其常温下的强度，因此如果波纹补偿器变形，组合砖的膨胀缝也必然随着出现变化（7高炉2#热风炉里短管2006年8月组合砖拆除时，实际检测数据为膨胀缝上半圆为48mm，下半圆为10mm.）,由于上半圆的膨胀缝变大，在送风期热风的高温和高压作用下，热风必然窜入膨胀缝，从而导致波纹补偿器的上半圆温度升高，进一步加剧波纹补偿器的破损，最后导致波纹补偿器漏风或崩开。

3.1.3轻质保温砖的厚度设计不合理

7#高炉热风炉里短管的耐火材料设计中，轻质保温砖的厚度比较薄，其轻质砖的设计厚度为两层，即123mm+71mm=194mm，组合砖的厚度为200mm, 轻质砖厚度/组合砖厚度=0.97。

而国外设计的热风炉里短管轻质砖的厚度为：

A.荷兰D.C.E公司的设计原则为轻质砖厚度/组合砖厚度=1.5，即200mm组合砖外部保温砖厚度为300mm，其应用在鞍钢股份有限公司炼铁总厂新1#高炉三座热风炉上，该热风炉2003年4月投入使用，目前热风里短管使用良好。

B.德国设计的鞍钢鲅鱼圈高炉热风炉里短管的轻质砖厚度/组合砖厚度=2.0，即200mm组合砖外部保温砖厚度为400mm（实际设计为5层轻质砖），该热风炉2008年9月投入使用，目前热风里短管使用良好。

C.鞍钢新5号高炉的俄罗斯卡洛金设计的热风炉里短管轻质砖厚度114mm+114mm+114mm+110mm=452mm,组合砖的厚度为230mm, 轻质砖厚度/组合砖厚度=1.97，该热风炉2009年6月投入使用，目前热风里短管使用良好。

3.2  新 3#高炉拱顶联络管破损原因

3.2.1硅砖膨胀缝设计不合理

新3高炉热风炉拱顶联络管硅砖的膨胀缝设计为4道，与硅质券口砖连接处膨胀缝尺寸为50mm两道,联络管波纹张力处膨胀缝尺寸为15mm两道.而拱顶联络管硅质组合砖的砌筑长度为3050mm，如果按照硅砖的晶相变化，其1000℃的最大线性体积变化为1.5%，则其膨胀量最大为3050*1.5%=45.75ｍｍ。新3高炉拱顶硅质组合砖的预留膨胀量为50mm+50mm+15mm+15mm=130mm。该膨胀缝预留的过大，并且过于集中，造成使用过程中该部位形成热风的通道，当热风接触管皮后造成管皮红热。

检修停炉后，经检验，其50mm的膨胀缝根本没有变化，该事实进一步验证了我们的判断（见图5-1）。

3.2.2轻质保温砖的厚度设计不合理

新3高炉热风联络管轻质砖的厚度为两层，即224mm+154mm=378mm，组合砖的厚度为345mm, 轻质砖厚度/组合砖厚度=378/345=1.09。由于轻质砖的厚度不够，并且在轻质砖上还留设了膨胀缝，当热风由硅质组合砖的膨胀缝进入轻质后，该热风通过轻质砖的膨胀缝进入炉皮通道，进一步造成管皮的红热。

3.2.3波纹张力设计不合理

该热风炉的管皮膨胀缝由两组波纹张力组成，其中间管皮预留100mm的断缝（见图5-2），并且是整环的通缝，在热风炉的实际膨胀量未达到预期时，在管皮上等于留设了热风通道。由于硅质组合砖、轻质砖上已经形成了热风的通道，高温、高压的热风通过该部位进入波纹张力，导致波纹张力红热变形。由于耐火材料砌体无论是组合砖或非组合砖在高温下都将失去其常温下的强度，因此如果波纹胀力变形，组合砖的膨胀缝也必然随着出现变化。由于上半圆的膨胀缝变大，在送风期热风的高温和高压作用下，热风必然窜入膨胀缝，从而导致波纹胀力的上半圆温度升高，进一步加剧波纹胀力的破损，最后导致波纹胀力漏风或崩开。

4、解决热风炉送风管道破损的方案

根据热风炉送风管道的破损原因分析，并充分考虑炼铁总厂高炉热风炉的内燃和外然等结构形式，解决热风炉送风管道的破损，提高其使用寿命是完全可行的，具体方案如下：

4.1改变热风炉送风管道的设计结构

针对热风里短管的破损情况，最主要的是将波纹补偿器调整到外短管上，由于外短管与热风炉的送风管道连接，其管道内的温度比较稳定，即长期保持高温（1200℃左右），无论是烧炉或送风期都没有大的变化。这样，管道内的组合砖不会由于温度的波动而产生膨胀或收缩，如果组合砖的膨胀缝预留的合理，热风就不会通过膨胀缝进入轻质砖，进而到达波纹补偿器的表面，因此波纹补偿器的使用寿命会大大提高，从而保证热风短管的长寿命。

4.2调整组合砖的膨胀缝设计

4.2.1高铝质耐火材料在高温下的永久线变化率都是负的，所以膨胀缝应该叫收缩缝才对，但为什么要预留膨胀缝呢？我认为：

其一是为了配合热风炉烧炉和送风期炉壳的胀缩所产生的应力在波纹管上的补偿，即波纹补偿器变形组合砖必须随着改变，否则组合砖就会脱落。

其二是由于热风在流速方向上产生的应力（即盲板力）需要通过膨胀缝来补偿，否则组合砖的结构也会不稳定。

鉴于以上原因，我认为单道膨胀缝不宜大于10mm,膨胀缝的数量应根据管道的长度而定，适宜的数量为道/2m。波纹膨胀部位和膨胀缝隙采用迷宫式，膨胀缝处还要采取挡缝环砖技术。

4.2.2硅砖在高温下（1000℃）的最大线性体积变化为1.5%，则其膨胀量最大为联络管砌筑长度的1.5%ｍｍ，并且在膨胀缝的里面砌筑一层锁气砖，既保证了硅砖的膨胀特性要求，又保证高温气流不进入膨胀通道，从而解决膨胀缝窜风的问题。

4.3调整轻质砖的结构

根据对国外和国内热风短管轻质砖和工作砖厚度比例的计算，如果目前热风管道组合砖厚度为200mm，轻质砖适宜的厚度应该为400mm。并且里短管保温层宜选用高档的轻质低铁高铝砖，其它部位可选用聚轻高铝绝热砖。如果管道直径无法改变，建议管道上半圈可用一层0.7kg/cm³的保温砖，降低其导热系数，保障波纹补偿器的表面温度，从而达到长寿的目的。

4.4保证耐火材料的砌筑质量

耐火材料的砌筑质量对短管的寿命至关重要，必须严格按照组合砖预砌图进行施工，砌筑泥浆必须100%饱满，砖缝适宜大小为3—4mm。不能随意加工轻质砖，同时轻质砖的砌筑不允许形成通缝。

4.5及时处理热风阀的漏水等情况

耐火材料在高温使用情况下，水对其的破坏作用是毁灭性的，组合砖与水接触后会产生炸裂，从而破坏整体结构，进一步导致热风管道的破损。如果发现热风阀有漏水的迹象，必须进行及时检修更换，保证组合砖的使用寿命，从而保证热风管道的长寿。

5.结语

根据目前鞍钢股份有限公司炼铁总厂8座高炉热风炉送风管道的使用现状，改变热风管道的设计结构，即组合砖的膨胀缝设计和调整轻质砖的材质、厚度是可行的，同时严格验收耐火材料的质量，并加强对耐火材料的砌筑质量管理，通过以上途径完全可以解决热风管道破损的问题。