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顶燃式热风炉热风管道问题剖析及对策

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【摘要】：
顶燃式热风炉技术有着内燃与外燃式热风炉无可比拟的优点，最早于20世纪70年代末在首钢2号高炉（1327m³）上成功应用，即首钢大帽子顶燃式热风炉。2002年，卡鲁金小帽子顶燃式热风炉技术进入我国，该技术在国内才得到了大力推广。
近年来，各钢铁企业230m³至5500m³高炉新建或改造项目绝大多数采用小帽子顶燃热风炉技术。但随着实践的检验，该技术在结构设计上的一些缺陷也逐渐显现出来。本文仅针对热风管道损坏的原因进行剖析并提出相应对策。
一、顶燃式热风炉热风管道的特点
小帽子顶燃式热风炉几乎全部采用一列式布置方式（图1），热风管道由热风支管、热风主管（平台管）、热风竖管、倒流休风管、混风管、热风桥管、热风围管组成，主要损坏部位主要为热风支管、热风主管（平台管）和热风主管与支管三岔口。
热风管道是实现高温热风输送的关键装置，其介质温度最高可达1300℃以上，介质压力大于0.3MPa，对此管道内部耐火材料及管道钢壳会受热膨胀，整个热风管道会产生巨大的盲板力，在三岔口、补偿器等结构复杂或预留膨胀缝的薄弱部位容易窜风。

图1

二、热风管道损坏问题剖析

1、热风支管两端不均匀纵向位移
顶燃式热风炉的热风炉底部和热风竖管为固定式设置，热风炉炉体受热轴向和径向膨胀，热风支管与热风炉处于垂直相连的状态，在热风炉升温后，伴随热风炉工作状态的交替（送风-燃烧，燃烧-送风），则热风支管上所设波纹补偿器需同时吸收支管的横向位移和由于热风炉炉体受热对其产生的纵向位移。热风支管内部耐火材料无法吸收补波纹偿器发生的横向和纵向位移，工作层耐火材料结构失稳窜风，烧毁轻质隔热砖和热风支管复式补偿器造成热风支管损坏。
2、热风管道盲板力影响
热风管道的主/支管三岔口、主/围管三岔口由于是管道衔接的地方，传统砌筑过程中，在主管与支管（或围管）连接处有一条环形通缝及诸多三角缝，管道工作期间受到盲板力、炙热气流的剪切力、激振流的冲刷，送风与休风时的热胀冷缩等作用，造成三岔口组合砖的快速破损，进而发生窜风造成钢壳过热发红。
3、热风管道单砖设计不合理
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。
4、热风管道膨胀缝留设不科学
热风管道膨胀缝留设未对特定温度下热风管道耐火砖膨胀系数做出准确计算。一般都按经验预留，膨胀缝小了耐火砖被挤碎、掉砖；膨胀缝大了热风窜入烧毁轻质隔热砖，引起炉壳发红。
5、大拉杆设计缺失
热风炉设计通常都考虑了热风管道受热膨胀带来的影响，在热风管道上设置了波纹管补偿器，但忽视了管道盲板力可能带来的影响，热风支管和总管没有配套设计拉杆装置。
三、解决热风管道损坏相应对策
1、采用热风支管“关节管”技术
热风炉在送风与燃烧交替进行时，热风炉本体和热风支管受压力和温度变化处于不同的工作状态。热风支管处采用“关节管”组合砖技术，通过“关节管”组合砖的小角度位移，吸收热风支管两端不均匀的纵向膨胀，减小热风支管内部耐火材料的损坏。
2、改变热风炉布置方式
热风炉一列式布置更改为矩形或三角形对称布置，热风支管直接连接热风炉热风出口与热风竖管（图2）。

 

                

A四座热风炉对称布置示意图         B三座热风炉对称布置示意图

图2
该布置方式不仅可缩小热风支管两端不均匀的纵向位移，解决不同炉号热风炉送风带来的热风管道周期性膨胀收缩问题，还减小了一列式热风炉布置方式盲板力带来的不利影响。此外，该布置方式取消了热风主管（平台管）和热风管道框架结构，不仅提高了热风炉系统热效率，还降低了投资。经测算，热风炉对称性布置较一列式布置热风炉系统投资降低10%以上。
3、热风管道耐火砖采用“Z字形”结构设计
热风管道耐火砖采用“Z字形”设计，可以起到很好的环向密封气流作用，单砖拐折处环环相扣、相互支撑，结构更加稳定。
4、热风主管与支管三岔口采用浇注+组合砖技术
热风管道三岔口下半环采用组合砖砌筑，上半环采用高强耐磨浇注料整体浇注。砖的材质与浇注料的材质保持同步，保证砖和浇注料的热稳定性、导热能力相同。此种结构管道衔接处强度高、结构整体稳定性好，杜绝三岔口变形、开裂、掉砖，也同时避免施工难的问题。
5、热风管道耐材设计与管壳钢结构设计相辅相成
根据热风管道不同部位使用工况和实测耐火砖线膨胀系数，砖衬设计时按照管道圆周方向温度梯度合理配置耐材、预留膨胀缝，并对膨胀缝、波纹补偿器、三岔口等处的耐材结构设计进行局部特殊处理，如采用导流砖、迷宫式膨胀缝等，保证管道结构密封性。
6、消除盲板力影响
波纹补偿器配套大拉杆设计，设置端部波纹管补偿器和相应的拉杆装置可以消除盲板力对于拉杆覆盖范围内的管道系统的影响。

综上所述，郑州安耐克实业有限公司通过设计基于应力和应变分析的热风管道膨胀及拉紧装置，保证热风管道系统既能够承受很大轴向变形，又能够承受顶燃式热风炉特有的热风管道径向变形，解决热风管道热应力与结构应力如何分布、承受与消除的问题，并配合三岔口组合砖与膨胀节设计彻底杜绝了热风管道内衬砖出现变形、掉砖问题，为高炉高风温稳定运行提供可靠保障。

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