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隨著現(xiàn)代高爐生產(chǎn)中對(duì)熱風(fēng)爐高風(fēng)溫的迫切需求，高風(fēng)溫及長(zhǎng)壽命也隨之成為現(xiàn)代熱風(fēng)爐發(fā)展的必然趨勢(shì)。熱風(fēng)爐的工作條件復(fù)雜，再加上周期性送風(fēng)和燃燒時(shí)溫度的劇烈變化，因此熱風(fēng)爐耐火材料經(jīng)受著高溫、交變的熱負(fù)荷以及機(jī)械負(fù)荷的多重作用，這對(duì)耐火材料的荷重軟化點(diǎn)、耐熱沖擊性、氣孔率、熱容童等提出了更高的要求。為保證高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐的穩(wěn)定工作和使用壽命，需要對(duì)熱風(fēng)爐的結(jié)構(gòu)合理性、耐火材料的質(zhì)量以及合理化配罝做深入地研究。
熱風(fēng)爐用耐火材料的發(fā)展
20世紀(jì)60年代以前，熱風(fēng)爐的送風(fēng)溫度為900℃左右，主要使用黏土磚。20世紀(jì)60年代早期，熱風(fēng)爐平均送風(fēng)溫度達(dá)到1000℃，,開始使用高鋁磚。20世紀(jì)60年代后期，熱風(fēng)爐送風(fēng)溫度上升到1100℃，開始使用特種高鋁磚。20世紀(jì)70年代，熱風(fēng)爐送風(fēng)溫度進(jìn)一步上升到1200℃,高鋁磚的特性已經(jīng)不能滿足使用需求，發(fā)生了格子磚下沉、變形，墻磚開裂、下沉的現(xiàn)象，于是對(duì)耐火材料制品提出了高溫蠕變的需求。具有優(yōu)異高溫穩(wěn)定性能的硅磚開始用于拱頂和上部高溫區(qū)的蓄熱室等高溫區(qū)的部位。
頂燃式熱風(fēng)爐用耐火材料的配置
2.1熱風(fēng)管道系統(tǒng)
隨著送風(fēng)溫度的不斷提高，對(duì)于在高壓、高溫且存在溫度交變的條件下工作的耐火磚的要求提出高溫蠕變、熱震穩(wěn)定性的要求。因此目前熱風(fēng)爐管道大多采用低蠕變高鋁磚或紅柱石磚作為工作襯，以提高其高溫蠕變性能和抗熱震性能。
然而熱風(fēng)管道燒紅，漏風(fēng)甚至崩裂仍然是我國(guó)一些熱風(fēng)爐進(jìn)一步提高風(fēng)溫的障礙，而管道的發(fā)紅現(xiàn)象往往集中在三岔口區(qū)域。造成這些問題的主要原因之一是熱風(fēng)管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。另外一個(gè)方面是由于三岔口區(qū)域受送風(fēng)時(shí)盲板力的作用和換爐時(shí)拉緊裝置的反向作用，造成管道及砌體做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)此處組合磚造成破壞性影響。因此要想解決管道三岔口發(fā)紅現(xiàn)象除了改進(jìn)管道受力的結(jié)構(gòu)問題外,還需對(duì)三岔口處組合磚做更深層次研究。
圖1 熱風(fēng)管道三岔口澆注示意
目前，組合磚通常由設(shè)計(jì)單位給出整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，耐火材料生產(chǎn)廠家根據(jù)外形尺寸分解成異型單磚，然后根據(jù)這些異型單磚磚塑制作出母磚，由母磚經(jīng)切、磨加工成具體型號(hào)的單磚再組合。與用標(biāo)準(zhǔn)磚現(xiàn)場(chǎng)加工砌筑三岔口相比，組合磚的出現(xiàn)使三岔口的穩(wěn)定性大大提高，但是熱風(fēng)管道三岔口部位的惡劣，作條件對(duì)于組合磚的材質(zhì)、分塊以及砌筑施工的要求仍然非?？量?。隨著澆注料技術(shù)的進(jìn)步與成熟，材質(zhì)或材料性能方面也能滿足現(xiàn)代熱風(fēng)爐工藝環(huán)境的要求。釆用澆注施工的復(fù)雜接口部位，可望取消復(fù)雜的組合磚生產(chǎn)與砌筑磨磚工藝，施工也將變得簡(jiǎn)單易行，而且結(jié)構(gòu)整體性好，無接縫。
濟(jì)鋼4號(hào)大高爐熱風(fēng)管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了對(duì)三岔口均用陶瓷耐磨澆注料的方法(見圖1),由于三岔口區(qū)域沒有采用隔熱層，工作介質(zhì)與管殼之間直接由耐磨澆注料加噴涂料組成，因此投產(chǎn)時(shí)管道三岔口區(qū)域溫度比管道其他部位溫度高100℃左右。投產(chǎn)兩年來熱風(fēng)主支管三岔口區(qū)域溫度一直很穩(wěn)定，維持在200℃左右，倒流休風(fēng)與熱風(fēng)主管三岔口區(qū)域溫度維持在170℃左右，聯(lián)絡(luò)管與主管三岔口溫度維持在130℃左右。與采用組合磚的管道系統(tǒng)相比，投產(chǎn)初期溫度稍微高一些，但是投產(chǎn)一段時(shí)間之后比組合磚有更加穩(wěn)定的表現(xiàn)。另外，組合磚與澆注料共同配合使用也不失為一種可行性方案。
在送風(fēng)彎管與圍管相交部位，采用耐磨澆注料搗制代替組合磚砌筑的已經(jīng)越來越多，搗制方式既能提高接口的整體穩(wěn)定性，又能降低施工難度，加快施工進(jìn)度。圖2為湖北大冶特鋼和天津鋼鐵設(shè)計(jì)方案采用的耐磨澆注料結(jié)構(gòu)。
圖2 送風(fēng)支管澆注示意
在熱風(fēng)管道砌筑時(shí)，預(yù)留合理的膨脹縫來吸收耐火磚受熱膨脹是十分必要的。如果膨脹縫預(yù)留過大，高溫高壓的熱風(fēng)會(huì)通過縫隙對(duì)管道隔熱層輕質(zhì)磚沖刷，損壞隔熱層。
同時(shí)對(duì)熱風(fēng)管道中使用的纖維氈應(yīng)該有更嚴(yán)格的要求,避免出現(xiàn)在高溫狀態(tài)下溶蝕、粉化現(xiàn)象發(fā)生。
2.2熱風(fēng)爐本體系統(tǒng)
頂燃式熱風(fēng)爐大致可分為下部蓄熱室中低溫區(qū)、上部蓄熱室高溫區(qū)和錐段燃燒室及燃燒器區(qū)域三部分，如圖3所示。
一、蓄熱室
頂燃式熱風(fēng)爐的爐體結(jié)構(gòu)主要可分為蓄熱室、燃燒室及燃燒器區(qū)域兩大部分，如圖3所示。燃燒室及燃燒器區(qū)域的耐火材料選擇及施工問題，我們?cè)谥暗奈闹幸呀?jīng)分享給大家，以下主要是熱風(fēng)爐蓄熱室的工作原理及耐火材料配置。
圖3 熱風(fēng)爐示意圖
蓄熱室分為低溫區(qū)域、中溫區(qū)域、高溫區(qū)域三部分。因運(yùn)行過程中，工作環(huán)境的不同，所采用的耐火材料配置也不同。
1、低溫區(qū)
蓄熱室的下部低溫區(qū)域運(yùn)行溫度<900℃,其作用主要是承受上部砌體的重力荷載及送風(fēng)初期的強(qiáng)對(duì)流熱交換過程。該區(qū)域?qū)δ突鸩牧系囊蟛⒉皇翘撸缶哂辛己每篃嵴鹦缘漠a(chǎn)品。推薦使用普通粘土磚。
2、中溫區(qū)
在蓄熱室中部區(qū)域溫度往往在800-1100℃波動(dòng)，該區(qū)域被稱為高溫區(qū)域與低溫區(qū)域的過渡區(qū)，其耐火磚的應(yīng)用需要具有良好的高溫蠕變性。推薦使用低蠕變高鋁磚或低蠕變粘土磚。
3、高溫區(qū)
在蓄熱室上部，由于溫度高且交替變化,要求選用的耐火材料具有良好的熱穩(wěn)定性。高鋁磚因其本身的蠕變性能和膨脹特點(diǎn)限制了在此區(qū)域的使用。
圖4 硅磚和高鋁磚熱膨脹性能
紅柱石磚在性能方面是該區(qū)域最佳的配置選擇，其具有耐火度高、荷重軟化溫度高，高溫穩(wěn)定性好、抗熱震性能好的優(yōu)勢(shì)，但是紅柱石磚的價(jià)格相對(duì)也高。
在實(shí)際的應(yīng)用中，該區(qū)域用選用硅磚的案例越來越多，硅磚具有熱膨脹性好、荷重軟化點(diǎn)高等優(yōu)點(diǎn)，但是相對(duì)于紅柱石磚，其抗剝落性能差，蓄熱能力也稍微低一些。熱風(fēng)爐上部高溫區(qū)工作層使用了硅磚，則選用與工作層的材質(zhì)相適應(yīng)的輕質(zhì)硅磚做隔熱層。
二、燃燒室及燃燒器
熱風(fēng)爐是高爐煉鐵中重要的熱力設(shè)備，根據(jù)其蓄熱室和燃燒室結(jié)構(gòu)的不同，可分為內(nèi)燃式、外燃式和頂燃式三種，其中頂燃式熱風(fēng)爐因其性價(jià)比高、結(jié)構(gòu)對(duì)稱、占地少、工程量小等優(yōu)勢(shì)，成為目前熱風(fēng)爐重點(diǎn)發(fā)展、推廣的對(duì)象。
頂燃式熱風(fēng)爐與其他兩種熱風(fēng)爐最大的區(qū)別，在于其燃燒室/燃燒器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其燃燒室和燃燒器的耐火材料配置設(shè)計(jì)可參考以下方案：
1、拱頂耐火材料配置
頂燃式熱風(fēng)爐的送風(fēng)溫度和拱頂溫度相差較大，一般在80?200℃之間，當(dāng)送風(fēng)溫度為1200℃時(shí)，拱頂?shù)臏囟茸罡呖蛇_(dá)到1400℃左右，因此，拱頂部位采用的耐火材料長(zhǎng)期受到非常大的溫度變化帶來的的熱應(yīng)力作用。
在拱頂部位，其耐火材料主要采用硅磚，硅磚根據(jù)化學(xué)性質(zhì)隸屬于酸性，在≤1670℃的高溫區(qū)域內(nèi)，可做到不收縮變形，保持其強(qiáng)度高、體積穩(wěn)定、高荷軟、抗蠕變等各項(xiàng)高溫性能，滿足拱頂耐材的需求。
2、熱風(fēng)出口、喉口耐火材料配置
燃燒室熱風(fēng)出口及喉口部位，其溫度變化巨大。傳統(tǒng)的耐火材料配置主要以高鋁磚為主，但是普通的高鋁磚抗熱震性能較差，在使用過程中容易發(fā)生膨脹、收縮，剝落、掉磚等現(xiàn)象。因此，該部位應(yīng)選擇具有高荷軟、抗熱震具有高溫穩(wěn)定性的耐火材料。推薦使用紅柱石高鋁磚。
3、燃燒器
燃燒器工作溫度在1000℃以上，其耐火材料內(nèi)襯主要受煤氣、空氣高速?zèng)_刷以及高溫?zé)彷椛?，因此在空、煤氣環(huán)形通道可采用優(yōu)質(zhì)的低蠕變高鋁磚。
圖5 NOχ形成與拱頂溫度的關(guān)系
燃燒器內(nèi)襯及空、煤氣噴口因長(zhǎng)期受到燃燒、送風(fēng)的周期變化，溫度急冷急熱，因此該部位要采用具有穩(wěn)定性好、低膨脹、抗熱震、抗剝落等特點(diǎn)的堇青石-莫來石磚。下部采用抗剝落、蠕變率低、抗化學(xué)侵蝕和抗熱震的莫來石磚。
4、拱頂爐殼
熱風(fēng)爐風(fēng)溫提高以后，拱頂爐殼容易受酸性氣體侵蝕而造成裂紋或開裂。因此需要在拱頂爐殼內(nèi)表面上噴涂耐酸涂料，另外在爐殼上刷腐蝕漆，以防止酸液的侵蝕。
選擇優(yōu)質(zhì)的耐火材料配置，是熱風(fēng)爐燃燒室和燃燒器長(zhǎng)期安全運(yùn)行的關(guān)鍵。上述的材料配置方案已經(jīng)在國(guó)內(nèi)多家大型頂燃式熱風(fēng)爐應(yīng)用，并取得了良好的使用效果。
三、重點(diǎn)部位用泥漿
耐火泥漿用料應(yīng)高于或至少不低于同材質(zhì)制品。然而目前不定形耐材質(zhì)量方面存在一定的問題,熟料塊礦雜質(zhì)含量高，細(xì)粉不夠細(xì)，全用硬質(zhì)黏土生料，且顆粒偏粗，用量偏大。使用上表現(xiàn)為加水量過多、保水性差、和易性差、鋪展性不好。在熱風(fēng)管道砌筑中通常使用同材質(zhì)的磷酸鹽高鋁質(zhì)泥漿或者紅柱石泥漿。在管道砌筑完之后，磚與磚之間的粘結(jié)性都是通過泥漿的水合或化合等結(jié)合劑起作用，而未進(jìn)行真正的燒結(jié)過程。熱風(fēng)爐本體砌筑完成后經(jīng)過緩慢的烘爐過程之后，磚、泥漿、磚之間牢牢的燒結(jié)成一個(gè)整體。而熱風(fēng)管道，通過熱風(fēng)爐送出的熱風(fēng)對(duì)管道進(jìn)行預(yù)熱，往往導(dǎo)致泥漿中的有機(jī)結(jié)合劑在高溫條件下被燒掉，而燒結(jié)過程尚未發(fā)生。容易導(dǎo)致管道內(nèi)襯留下通縫,對(duì)日后的生產(chǎn)不利。
同樣不能進(jìn)行燒結(jié)的問題還存在于蓄熱室中低溫區(qū)，由于溫度達(dá)不到泥漿燒結(jié)溫度，因此泥漿的強(qiáng)度主要還是來自于結(jié)合劑的作用。由于在中低溫區(qū)域硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥均會(huì)有強(qiáng)度倒退現(xiàn)象，但是比較鋁酸鹽水泥而言，硅酸鹽水泥在熱風(fēng)爐條件下，廢氣中的水蒸氣可與未水化的水泥繼續(xù)水化，CO2也會(huì)與沒有完全與SiO2結(jié)合的少量Ca(OH)2發(fā)生碳化反應(yīng)，以此來抵消部分強(qiáng)度的倒退。鋁酸鹽水泥幾乎不產(chǎn)生Ca(OH)2，故而沒有碳化現(xiàn)象。因此在爐箅子以下溫度低于500℃區(qū)域，可摻加硅酸鹽水泥，或用水玻璃作結(jié)合劑。
結(jié) 論
頂燃式熱風(fēng)爐已成功應(yīng)用于各種規(guī)格的煉鐵高爐，熱風(fēng)爐內(nèi)耐材的配置問題是不容忽視的問題。頂燃式熱風(fēng)爐較低的拱頂溫度與送風(fēng)溫度差，再加上晶間應(yīng)力腐蝕漆及耐酸噴涂料的應(yīng)用，使得高風(fēng)溫帶來的爐殼晶間腐蝕問題得到了解決。實(shí)踐證明，熱風(fēng)管道三岔口采用澆注料搗打的施工工藝既能保證三岔口區(qū)域的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，又能降低施工難度、加快施工進(jìn)度，具有推廣前景。
評(píng)論區(qū)
