（机械工程专业论文）鞍钢高风温长寿热风炉研究与应用.pdf

a t h e s i si nm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g r e s e a r c ho na n s t e e lh i g hb l a s tt e m p e r a t u r e l q 。、。h o tstclon gc a m p a i g n o ts t o v e s b yl o n gc h e n g j u n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n gz h i w e i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 1 0 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致i 身 的地方外，不包含其他人己经发表或撰 写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名鑫承使 日 期：川口多岁口 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年一一年半口两年口 学位论文作者签名：脚侵 签字日期：矽，汐z 2 , o 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文摘要 鞍钢高风温长寿热风炉研究与应用 摘要 热风炉是炼铁生产过程中的重要设备之一，它供给高炉热风的热量约占炼铁生产耗 热的四分之一，它消耗的高炉煤气约站高炉生产煤气的4 0 ，因此提高热风炉的热效率 对降低能耗具有很大现实意义。热风炉的投资约占整个高炉基建投资费用的一半，延 长热风炉使用寿命，对增加产量、降低成本具有十分重要的意义。 本论文主要研究鞍钢高风温长寿热风炉技术及其应用。通过对传统内燃式热风炉 ( 鞍钢9 号高炉3 号热风炉) 和外燃式热风炉( 鞍钢6 号高炉热风炉) 的破损调查及结 构特点，分析高炉热风炉破损原因，并结合分析引进d c e 公司内燃式及a 眼型外燃 式热风炉特点，得出现代高风温长寿热风炉可以实现一代炉龄2 5 年。同时通过对鞍钢 十号、十一号高炉热风炉高风温技术运行情况分析得出通过自身预热或附加燃烧炉预热 空煤气预热的方式完全可以实现1 2 5 0 0 c 风温。 关键词：高风温：长寿；热风炉 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s c m r ha n d a p p l i e a l i o no f a n s t e e li - f i g hb l a s tt 咖l o n g a b s 仃a c t h o ts t o v ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c i l i t i e si ni r o n m a k i n gp r o c e s s ，i tp r o v i d ea q u a r t e ro fh e a ti ni r o n m a k i n gp r o d u c t i o n , a n dc o n s u m e4 0 b fg a s ，i nt h i sc a s e ，i m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fh o ts t o v ei sm e a n i n g f u lt or e d u c 七e n e r g yc o n s u m p t i o mt h e i n v e s to fh o ts t o v ei s a b o u th a l f o f t h et o t a lb fi n v e s t , s oe x t e n dt h ec a m p a i g no f h o ts t o v ei sv e r ym e a n i n g f u l t h ep a p e rm a i n l ys t u d i e da n s t e e lh i i g hb l a s tt e m p e r a t u r el o n gc a m p a i g nh o ts t o v e sa n d i t sa p p l i c a t i o n t h r o u g ht h ed a m a g e i n v e s t i g a t i o no f a u s t e e l9 4b f3 。i n t e r n a lc o m b u s t i o nh o t s t o v ea n da n s t c c l 矿b fe x t e r n a lc o m b u s t i o nh o ts t o v e s ，t h eh o ts t o v ed a m a g em e c h a n i s mi s a n a l y z e d a n dc o m b m et h ea n a l y s i so fi n t r o d u c e dd c ei n t e r n a lc o m b u s t i o nh o ts t o v ea n d a w - ie x t e r n a lc o m b u s t i o nh o ts t o v e ，w ec 孤d r a wac o n c l u s i o nt h a ti ti sp o s s i b l et or e a l i z e 2 5y e a r so fs t o v ec a m p a i g n t h ep a p e ra l s oa n a l y z e da n s t e e ln o 1 0a n dn o 1i b fh o ts t o v e s h i g ht e m p e r a t u r eo p e r a t i o ns y s t e m ，a n di ts h o w st h a tw ec a nr e a l i z e1 2 5 0 。cb l a s tt e m p e r a t u r e t h r o u g hs e l f - p r e h e a to ra d d i t i o n a lp 佗h e a ts t o v es y s t e m k e yw o r d s ：h i g hb l a s tt e m p e r a t u r e ；l o n gc a m p a i g n ；h o t s t o v e i i i 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t h i 第1 章绪论1 1 1 概述1 1 1 1 高风温的重要意义- 1 1 1 2 热风炉长寿的意义1 1 1 3 鞍钢高炉热风炉的现状l 1 2 内燃式热风炉一1 1 2 1 传统内燃式热风炉2 1 2 2 改造内燃式热风炉3 1 3 外燃式热风炉。4 1 4 顶燃式热风炉- 一7 1 5 论文的主要研究内容8 第2 章内燃式热风炉的研究9 2 1 内燃式热风炉破损调查9 2 1 1 概况9 2 1 2 破损情况调查1 0 2 1 3 破损原因分析1 2 2 2 长寿内燃式热风炉的建设1 5 2 2 1 内燃式热风炉的高风温技术一1 6 2 2 2 高风温长寿命内燃式热风炉的结构特点一1 6 2 2 3 拱顶防晶间应力腐蚀涂漆的应用一1 8 2 2 4 耐火材料及其质量保证一1 8 2 2 5 砌筑旌工一l8 2 3 烘炉一2 0 2 3 1 概况一2 0 一 东北大学硕士学位论文 目 录 2 3 2 烘炉工艺2 l 2 3 3 相关的炉体结构设计一2 2 2 3 4 曲线分析。2 3 第3 章外燃式热风炉的研究2 5 3 1 鞍钢6 号高炉热风炉破损调查2 5 3 1 1 概况2 5 3 1 2 热风炉的使用情况。2 5 3 1 3 破损调查2 6 3 1 4 问题及讨论。2 8 3 - 2a w - i i 型外燃式热风炉2 8 3 2 1 双头等径小拱顶2 9 3 2 2 拱顶联络管的柔性连接2 9 3 2 3 炉底结构3 0 3 2 4 防止晶间应力腐蚀破裂的措施3 0 3 2 5 砌体特点31 第4 章高风温技术的应用3 5 4 1 十号高炉热风炉自身预热工艺流程及配套技术的开发与应用3 5 4 1 1 主要配套技术一3 6 4 1 2 运行情况及分析一3 7 4 2 十一号高炉热风炉附加加热双预热系统的应用3 8 4 2 1 十一号高炉热风炉附加加热双预热工艺流程及主要技术参数3 8 4 2 2 运行情况及分析：4 0 第5 章结论与展望4 1 5 1 结论。4 1 5 2 展望。4 1 参考文献4 3 致谢4 5 一v 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 概述 1 1 1 高风温的重要意义 第1 章绪论 热风炉是炼铁过程中重要的附属设备，它供给高炉热风的热量约占炼铁生产能耗的 四分之一，它消耗的高炉煤气约占高炉产生煤气的一半。提高热风炉的热效率具有重要 的意义n 2 1 ，高风温是提高利用系数、提高冶炼强度、降低入炉焦比、降低吨铁能耗、增 加铁产量和喷煤量的重要保证。因此，各钢铁企业都十分重视将风温保持在较高的水平 上进行冶炼操作。 1 1 2 热风炉长寿的意义 目前使用的热风炉为蓄热式热风炉，蓄热式热风炉为煤气和空气在燃烧室燃烧，燃 烧的烟气通过蓄热室将热量传给格子砖蓄热，加热到一定时间后停止燃烧，由鼓风机送 入冷风，格子砖将热量传给冷风，将风温加热到1 0 0 0 1 5 0 0k 的温度，通过设在炉缸处 的风口以2 2 0 - - 2 8 0m s 的速度向高炉中心方向吹入，其送风量是每吨铁水1 0 5 0 , - - - 1 1 0 0 m 3 ( 标态) 嘲，这样循环交替工作，故蓄热式热风炉为间歇式周期性工作。热风炉的寿命 取决于热风炉设计的合理性，包括热风炉的型式，耐材的选择及其结构，热风炉的操作， 包括烘炉、凉炉和拱顶温度，以及维护修理等，提高热风炉的寿命是每一个工程技术人 员进行设计时需要考虑的问题。热风炉的建设是一个庞大的工程，基建费用很高，较高 炉本体费用还高，约1 1 1 5 倍，其大修费用也很高，因此延长热风炉的寿命很重要。 目前，先进国家的高炉热风炉的寿命为1 5 2 0 年，有些可以达到2 5 年以上，我国仅为8 年左右。因此研究延长热风炉寿命具有重要意义。 1 1 3 鞍钢高炉热风炉的现状 鞍钢本部现有8 座高炉，配备热风炉情况见表1 1 。 1 2 内燃式热风炉 t 热风炉的燃烧室和蓄热室同置于一个圆形炉壳内，并各处一侧的热风炉称为内燃式 热风炉 4 1 。内燃式热风炉又分为传统式( 如图1 1 ) 和改造内燃式热风炉( 如图1 - 2 ) 。 一1 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 表1 1 鞍钢本部高炉热风炉配备情况 t a b l e1 1b fh o ts t o v e so f a n s t e e la n s h a n p l a n t 图1 1 传统内燃式热风炉 f i g 1 1t r a d i t i o n a li n t e r n a lc o m b u s t i o nh o ts t o v e 1 蓄热室2 燃烧室3 拱顶 1 2 1 传统内燃式热风炉 传统内燃式热风炉有以下缺点【5 6 】： ( 1 ) 燃烧室与蓄热室之间的隔墙两侧的温差太大。加之使用金属燃烧器产生的严 重脉动现象，引起燃烧室产生裂缝、掉转、短路烧穿。 一，) 一一二一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 2 ) 拱顶坐落在热风炉大墙上的结构不合理。受到大墙不均匀涨落与自身热膨胀 的影响，而产生拱项裂缝、损坏。 ( 3 ) 当高温烟气由半球形拱顶进入蓄热室时，其气流分布很不均匀，局部过热和 高温区所用砖的抗高温蠕变性能差，造成燃烧室向蓄热室倾斜，引起格子砖错位、紊乱、 扭曲。 ( 4 ) 由于高炉的大型化和高压操作，风压越来越高，热风炉已经成为一个受压容 器，加之热风炉壳体随着耐火砌体的膨胀而上涨，将炉底板拉成“碟子状”，以致焊缝 拉开，炉底板拉裂造成漏风。 ( 5 ) 由于热风炉存在周期性振动和上、下涨落运动，经常出现热风支管损坏，即 生产中称为“短管烂脖子”现象。 1 2 2 改造内燃式热风炉 改造内燃式热风炉主要是对拱顶的结构形式，燃烧室与蓄热室的隔墙、燃烧器进行 了改进。有以下特点： ( 1 ) 拱顶由传统的半球顶改为悬链线顶或锥形项，并坐落在箱梁上，重点解决拱 顶的破损和气流的分布不均问题。 ( 2 ) 在隔墙的中下部增设绝热夹层和耐热合金钢板，解决火井掉砖和短路问题。 ( 3 ) 改金属燃烧器为陶瓷燃烧器，改善燃烧，消除脉动，减少火井破损。 ( 4 ) 火井改为圆形或眼睛型，圆形的结构形式稳定，但燃烧室占面积大；眼睛型 燃烧室占面积小，气流分布较为均匀，但火井结构不够稳定，为增加隔墙的稳固性，加 大隔墙厚度，使与热风炉大墙呈滑动接触，大墙上设有滑动沟槽。使隔墙成为独立而稳 固的自由涨落结构。 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 2 1 3 外燃式热风炉 图1 2 改造内燃式热风炉 f i g 1 2r e b u i l di n t e r n a lc o m b u s t i o nh o ts t o v e 1 蓄热室2 燃烧室3 拱顶 外燃式热风炉是蓄热室热风炉的另一种类型。是内燃式热风炉进化与发展。它的燃 烧室独立地砌筑于蓄热室之外，两个室的顶部以一定的方式连接起来，这种热风炉称为 外燃式热风炉a 外燃式热风炉由于燃烧室与蓄热室的连接和拱顶的形状不同，有地得式、 柯柏式、马琴式和新日铁式四种结构。 如图1 3 为马琴式外燃式热风炉，1 4 新日铁外燃式热风炉。 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 3 2 图1 3 马琴式外燃式热风炉 f i g 1 3m a q i ne x t e r n a lc o m b u s t i o nh o ts t o v e 1 燃烧室2 蓄热室3 拱顶 3 午，、 j 蕊 弋 。辜 ) l ，。1 、 萋型 酶 、r 、，j 、 | 。 2 5 0 0m 3 ) 配置的高温内燃式热风炉，是第一批设计为“蘑菇”状悬链线形拱顶，拱顶 耐火材料采用钢制壳体直接支撑的热风炉。到2 0 0 0 年为止，该热风炉已运行了近2 8 年 未进行大修，只是在1 9 9 1 年高炉换衬期间，对燃烧室火井进行了局部的维修，预计该 高炉热风炉还可再连续服役2 0 年。1 9 6 9 年以来，c o r u s 己为世界许多钢铁公司设计 建造了1 4 0 多座高温长寿型内燃式热风炉。其中一些是为日本新日铁公司设计建造的。 有些热风炉正处在高炉第2 炉役期，有些则处在高炉第3 炉役期【1 4 1 。 鞍钢2 0 0 2 年新建的新l 号( 3 2 0 0m 3 ) 高炉的3 座热风炉和2 0 0 1 年改造性大修的1 1 1 5 东北大学硕士学位论文第2 章内燃式热风炉的研究 号- ( 2 5 8 0m 3 ) 高炉的3 座热风炉均采用了d a n i e l ic o r u se u r o p e ( 简称d c e 公司) 的高 风温长寿命内燃式热风炉技术1 5 1 ，由d c e 公司负责热风炉的设计、关键部位耐火材料 供货、旌工监督与技术指导，新1 号高炉的3 座热风炉还是目前为止d c e 公司在世界 范围内承担设计的炉内径最大的热风炉。 2 2 1 内燃式热风炉的高风温技术 新1 号高炉的3 座热风炉主要采取下面一些措施来实现1 2 5 0 的高风温： ( 1 ) 混烧部分高热值的焦炉煤气。 ( 2 ) 采用分离式换热技术和提高废气温度( 最高可达4 0 0 ) ，使助燃空气与煤气的预 热温度达到1 8 0 。 ( 3 ) 适当缩短送风时间，增加换炉次数，在时间和空间上充分利用蓄热体的有效热容 量。 1 l 号高炉热风炉主要采用原有的双预热装置，将助燃空气与煤气加热到2 5 0 3 0 0 ，单烧低热值的高炉煤气可实现1 2 0 0 的高风温。 2 2 2 高风温长寿命内燃式热风炉的结构特点 传统内燃式热风炉结构缺陷引起的主要损毁是生产一段时间后，火井角部开裂，拱 顶耐火砖脱落，隔墙倒塌等。 d c e 公司设计的内燃式热风炉的主要结构特点是 1 6 , 1 7 1 ： a ) 眼睛形火井与矩形陶瓷燃烧器； b ) 全脱开悬链线形拱顶与关节砖的设计； c ) 板块式结构与分层自立式结构； 。 m 自密闭锁砖结构等。 ( 1 ) 1 1 1 曼睛形火井与矩形陶瓷燃烧器 火井角部采用迷宫式结构与大墙分开，解决了火井角部开裂的问题。燃烧器及其上 部保护砖与火井墙相对独立，随温度变化可以自由涨落，互不影响，结构稳定。眼睛形 火井，矩形燃烧器较圆形燃烧器空问利用率高，陶瓷燃烧器较金属燃烧器使用寿命长。 矩形燃烧器( 如图2 9 ) 内部设置煤气导流板，保证通过煤气通道断面的气流速度与平均流 速偏差小于5 ，空煤气混合均匀。与我国近几年发展起来的带预混结构的圆形燃烧器 一1 6 东北大学硕士学位论文 第2 章内燃式热风炉的研究 相比，矩形燃烧器虽然空气过剩系数大( 约1 0 ) ，属于长焰燃烧，但由此避免了短焰燃 烧使火井高温区下移温度过高造成隔墙烧穿的毛病。 图2 9 矩形燃烧器 f i g 2 9r e c t a n g u l a rb u r n e r ( 2 ) 悬链线形硅砖拱顶与关节砖 悬链线形硅砖拱顶与关节砖的采用使拱顶结构稳定，解决了拱顶耐火砖脱落的问题 【1 8 】。由于硅砖的热膨胀率较大( 1 0 0 0 时大于1 2 ) ，若热风炉直径大于1 0m ，拱顶温 度发生较大变化时，拱顶砌砖存在较大的体积变化。拱顶设置3 层托砖环，使拱顶的全 部重量坐落在热风炉的直段炉壳上，热风炉直段部分的耐火材料可以上下自由膨胀，对 拱顶砌砖不产生推力作用。悬链线形拱顶使内部砌砖均受到向下的压应力。关节砖的设 计允许拱顶砌砖自由涨落，两层关节砖之间设计为板块结构，关节砖上一层设计防尘“帽 檐砖”。拱顶砌砖留设合理的“均压孔”，消除了热应力集中。拱顶工作层重质砖只采用 一层高荷重软化温度低蠕变硅砖，设计成双子母扣锁砖。 ( 3 ) 板块式结构与分层自立式结构 一17 东北大学硕士学位论文第2 章内燃式热风炉的研究 板块结构解决了同一砖层的径向膨胀问题，分层结构消除了不同砖层之间上下膨胀 量不同产生的剪切作用【1 9 1 。在隔墙、大墙、火井墙、拱顶以及热风出口等处，均采用了 板块式与分层自立式结构。如热风出口处，各层砖墙之间采用了分层自立式结构，炉墙 的各个独立圆环可以自由涨落，消除了热应力产生的剪切作用。 ( 4 ) 自密闭锁砖结构 在火井角部、燃烧器上部、拱顶、大墙、火井墙以及隔墙等高温区段均采用了自密 闭锁砖结构。格子砖采用连锁结构，互相咬砌刚。在内燃式热风炉的薄弱点一隔墙部位， 中间采用一层不锈钢板增加气密性，内部采用两层隔热砖增大隔墙两侧的温度梯度，隔 墙的两层重质砖采用子母扣锁砖结构，如此解决了隔墙倒塌的问题。 2 2 3 拱顶防晶间应力腐蚀涂漆的应用 热风炉上部始终处于高温状态，产生的氮氧化物容易在炉壳的内部产生露点腐蚀， 破坏拱顶炉壳的钢结构。拱顶喷涂一层0 0 2n a l n 厚的防晶间应力腐蚀涂漆，加上一层 5 0m i l l 厚的耐酸浇注料，可以有效地避免拱顶炉壳产生的结露水的酸性腐蚀，延长使用 寿命。 2 2 4 耐火材料及其质量保证 本次热风炉的耐火材料选材设计，主要采用了低蠕变抗热震型系列耐火材料。在热 风炉的格子砖、大墙与火井墙及隔墙的重质砖，由下至上采用了1 2 0 0 低蠕变粘土砖、 1 4 0 0 低蠕变红柱石砖、1 5 0 0 低蠕变硅砖，拱顶采用了1 5 0 0 低蠕变硅砖，燃烧 器的上部与格子砖的下部9 层采用了抗热震性能优良的1 4 0 0 低蠕变红柱石砖。红柱 石砖具有抗热震性能好、高温蠕变率低的特点，而我国的红柱石资源差，国产红柱石砖 的成本高、质量不稳定，有待进一步技术开发与生产。轻质隔热砖按照工作温度不同选 用了含铝量与比重不同的4 个牌号制品。 2 2 5 砌筑施工 ( 1 ) 散状耐火材料的施工 散状耐火材料的施工，如炉底高强耐热浇注料、二次灌浆料、燃烧器下部x 浇注料 和拱顶i f 浇注料以及炉壳喷涂料的施工。散状耐火杜料的施工，要求里实外光，表面 平整。表面平整度用2 m 靠尺检查，高度差不大于5 哪。 1 8 东北大学硕士学位论文第2 章内燃式热风炉的研究 ( 2 ) 耐火制品的砌筑施工 归纳起来，耐火制品的砌筑施工可分为格子砖的砌筑与墙砖( 包括蓄热室大墙砖、 隔墙砖、火井墙砖、拱项的重质砖和相应的轻质砖) 的砌筑。 a ) 格子砖的砌筑要求是通、平、稳、净。 “通”是指格子砖通孔，是格子砖砌筑的第一要求。要求上下孔错位不大于2m m 。 主要措施： 七孔格子砖孔径4 0m m 要求上下偏差小于lm m ( 上口3 9 5 - 4 0 5m m ，下口 4 0 5 _ 4 1 5m m ) 。 每砌筑3 层格子砖，用直径3 8m m 的铁棒通一遍孔。 每3 层格子砖，采用直径4 0n 吼木塞进行相邻格子砖定位，防止格子砖格孔跑 偏。 “平”是指格子砖上表面水平。用2m 靠尺检查，要求高度差小于3 衄。主要措 施是： 下面9 层格子砖采用上下直砌，不咬砌，第9 层格子砖上表面找平，表面平整度 达到高度差在2 删吐范围内。 格子砖高度范围9 9 1 0 2 衄，按照1m m 分四级，分别标记不同的颜色。同一层 格子砖砌筑只允许用二种相邻高度级的格子砖找平。 每咬砌6 0 层格子砖，直砌3 层格子砖进行找平。 “稳? 是指格子砖稳固。格子砖设计上下定位孔( 上凸台高1 5m i l l ，下凹槽深2 0m m ) ， 要求吧角偏差小于1 5 衄，互相连锁咬砌。相邻格子砖水平间距设计为6 m m ，作为水 平膨胀缝，边部不留设膨胀缝，这样可以防止格子砖砌筑时“散花”。水平膨胀缝控制 在6 士2m m ( 为防止不同颜色的格子砖砌筑时出现“散花”现象，格子砖宽度尺寸偏差 要求应由2 4 衄调整为士2m m ) 。格子砖边砖加工采用锯切割，小于2 个孔的格子砖 不准砌筑。 “净”是要求格子砖砌筑时保持现场干净，格子砖的格孔以及表面不得有碎砖、泥 浆、木屑、包装纸等杂物，做到施工现场干净清洁。 b ) 墙砖的砌筑要求是平、稳、直、满、匀、净。 “平 是指墙面水平，要求墙面的水平度偏差小于墙面长度的o 5 ，最大不超过5 皿o “稳”是指稳定，为使砌筑泥浆的结合强度满足要求，限制每班墙砖的砌筑高度不 超过6 层。 1 9 东北大学硕士学位论文第2 章内燃式热风炉的研究 “直”是指墙面上下垂直，要求墙面的垂直度偏差小于0 5 ，最大不超过5n l i l l 。 “满”是指灰浆饱满，要求灰浆饱满度不小于9 7 。做到打灰饱满，揉好振实。 “匀”是指砖缝均匀，要求所有砖缝控制在3 士li l l n l 范围内。 “净”是指墙面干净，要求钩缝后及时清理墙面，无残余泥浆。 ( 3 ) 热风炉建设的工期控制 鞍钢新1 号高炉的3 座热风炉实际建设工期为1 5 0 天，热风炉没有增开1 个进料口， 保证热风炉炉壳的整体结构强度没有被破坏，整座热风炉的建设由下至上按顺序施工。 1 1 号高炉的2 号热风炉实际工期为1 1 0 天，开了3 个进料大门，拱顶设保护棚，拱 顶安装与下部砌筑同时进行。 2 3 烘炉 2 3 1 概况 鞍钢新1 号高炉热风炉为新建热风炉，引进了d a n i e l ic o r u s 公司的高风温内燃 式热风炉( 参数见表2 ：4 ) ，包括蘑菇型拱顶、矩形陶瓷燃烧器、板块式墙体结构及关节 砖的先进技术；并由该公司对炉体砌筑，燃烧器测试及烘炉工作进行指导【2 1 1 。 表2 4 新1 号高炉热风炉参数 t a b l e2 4n e wn o 1b fh o ts t o v ep a r a m o t e r s 一2 0 一 东北大学硕士学位论文 第2 章内燃式热风炉的研究 2 3 2 烘炉工艺 本次烘炉的主要目的是：脱去耐火砌体中的水分 2 2 , 2 3 1 。使耐火砌体缓慢升温。 完成硅质耐火材料中残余石英晶体的转换 2 4 , 2 5 1 。由于热风炉在高温区全部采用硅砖， 而硅砖在晶型转变时，所产生的体积变化，主要集中在1 0 0 - 6 5 0o c 的温度区问 2 6 1 ，因此， 制定了如表2 5 的烘炉计划。 表2 5 烘炉计划 t a b l e2 5h e a tu pp l a n 当拱顶温度小于3 0 0 时，固定煤气流量，调节空气流量。当拱顶温度大于3 0 0 时，固定空气流量，调节煤气流量。 鞍钢以往烘炉工艺相对简单，依靠自然抽力吸入空气，且只有拱顶温度和废气温度 两个测温点。难以确定硅砖的实际温度很大程度上凭借经验操作。 此次烘炉有其自身独特之处。烘炉期间采用测温点共1 3 个如图( 2 1 0 ) 所示。1 、2 两点为废气温度，布置于炉箅子上表面；3 、4 点为硅砖界面温度，布置于高铝质和硅质 格子砖之间，它们和1 、2 点相同，都是均匀分布在蓄热室断面上。取两个温度点的目 的在于，可以根据两点的温度情况来判断气流分布情况，并作出及时调整，以使在同一 标高的耐火材料尽可能达到同一温度。通过硅砖界面温度可以精确的控制硅砖的升温速 度。5 、6 、7 、8 、9 点为拱顶及拱脚温度，1 0 、1 1 、1 2 、1 3 点为燃烧室墙测温点，其目 的在于控制火焰位置，以均衡温度场分布。在硬质砖前后各设一测温点是由于耐火砌体 的冷面和热面之间存在着一定的温度梯度，如升温太快，此温度梯度过大，会导致耐材 的损坏。加入这些点便可很好的掌握升温速度。 一2 1 东北大学硕士学位论文第2 章内燃式热风炉的研究 图2 1 0 热电偶布置图 f i g 2 1 0t h e r m o c o u p l ed i s t r i b u t i o n 图2 1 1 烘炉用烧嘴 f i g 2 11h e a tu pb u r n e r 烘炉用助燃空气由助燃风机鼓入，通过在空气管道上加设临时孔进入炉内。并将空 煤气阀门关闭，点火孔等可能吸入空气之处完全堵死，通过流量计准确的控制空气流量。 烘炉用焦炉煤气由特制烧嘴经通风孔进入炉内。烘炉用烧嘴形式如图2 1 l 。在小煤气量 时，只开西8 9 阀门，到烘炉后期大煤气量时开由1 5 9 阀门，并用由8 9 阀门做微调。这样 可使煤气量在一定压力波动范围内得以准确操控。 2 3 3 相关的炉体结构设计 d c e 热风炉的墙体设计关键在于它的板块式结构，砌筑完毕的热风炉处于冷态，板 块间并没有形成气密结构；这要通过烘炉来使耐火材料膨胀，以使墙体形成一个整体， 但板块间仍可因膨胀量不同而相对独立的运动。拱顶关节砖技术可使拱顶围绕关节自由 转动，在关节结合处采用干硅灰做润滑剂；使拱顶在温度波动时绕关节自由转动。热风 出口采用双舌双槽组合砖砌筑，这使其在结构上形成一个更加稳定的整体；又由于工作 层与隔热层间的工作温度及烘炉时的膨胀量不同，在冷态时热风出口工作层中心要比隔 一2 2 东北大学硕士学位论文 第2 章内燃式热风炉的研究 热层中心稍低；待烘炉后达到一致。 2 3 4 曲线分析 ( 1 ) 烘炉曲线分析 12 95 78 51 1 3 1 4 11 6 9 1 9 7 2 药2 弱翘13 3 3 7 3 皓3 铊1 t i m e ，h 图2 1 2 烘炉曲线 f i g 2 1 2h e a tu pc u r v e 如图2 1 2 所示，实际烘炉曲线上有三点背离计划曲线较远，点l 是因为砌筑拱顶时 的辅助塑料因高温变为熔融状态聚集到拱顶的边缘上并开始燃烧，导致拱顶温度急剧升 高：此时减少焦炉煤气流量，以控制燃烧室硅砖的温度。当燃烧室墙温度急剧下降时， 再恢复焦炉煤气量。越过该阶段后，再按照烘炉曲线进行烘炉。点2 、3 是因为塑料的 二次燃烧及煤气压力过低引起。严格认真的操作制度使实际烘炉曲线得以按照计划曲线 升温。很大程度的减少了烘炉过程中对耐材的损坏，保障了耐材的寿命。 ( 2 ) 空煤气流量曲线分析 从图2 1 3 可以看到空气和煤气实际流量在很大程度上背离了计划曲线，这是因为本 次烘炉以拱顶温度为目标，主要参考温度点为硅砖界面温度，通过调整空煤气流量来尽 量控制硅砖升温速度。 用大烟气量来烘炉是本次烘炉的又一特点，从计划空气流量曲线可知在整个烘炉过 程中空气始终是过剩的，且在拱顶温度较低时过剩系数是很大的，这样可使炉内耐火材 料的温度尽可能的达到均衡；还可以将烘炉时产生的水分最大程度的通过烟气带走，烘 炉时从烟囱排出的大量水蒸气及烘炉期间定期打开蓄热室、燃烧室下部排水管只有少量 的水，都可以证明这一点。 一2 3 狮 啪 啪 啪 珊 瑚 o pok暑暑蕾_ 东北大学硕士学位论文第2 章内燃式热风炉的研究 t ： e z k 0 12 54 97 39 71 2 11 4 5 1 6 9 1 9 3 2 1 7 2 4 1 2 6 5 2 8 9 3 1 3 3 3 7 3 6 13 8 5 4 0 9 4 3 3 t i m e ，h 图2 1 3 空煤气流量曲线 f i g 2 1 3a i ra n dg a sf l o wc u r v e 2 4 8 0 0 三 e z 6 0 0 邑 o 东北大学硕士学位论文第3 章外燃式热风炉的研究 第3 章外燃式热风炉的研究 3 1 鞍钢6 号高炉热风炉破损调查 3 1 1 概况 鞍钢6 号高炉( 1 0 5 0m 3 ) 热风炉于1 9 7 6 年在高炉进行第四代炉役大修时，由鞍钢设计 院负责设计，当年1 0 月1 5 日投入生产，至2 0 0 0 年1 2 月1 日已运行2 4 年。它是在国内外生 产实践的基础上，将原3 座内燃式热风炉改建为3 座外燃( w i 卜1 ) 式热风炉( 马琴式) 。 这是我国自己设计建造的第一座外燃式热风炉瑚1 。当时，设计风温为1 2 0 0 - - 1 3 0 0 。c ， 拱顶温度为1 5 0 0 ；燃料使用天然气( 占1 2 ) 与高炉煤气混合( 实际从没有使用过天然 气) ；蓄热室面积为7 5m 2 m 3 。拱顶及高温区使用鞍钢自产的硅砖；燃烧装置采用陶瓷 燃烧器。该热风炉在结构形式、材质、燃烧装置上均做了较大的改进，其中外燃式、硅 砖、大型陶瓷燃烧器都是国内首次应用。 3 1 2 热风炉的使用情况 ( 1 ) 平均风温状况 在开炉后最初的2 6 个月里，热风炉只烧单一高炉煤气。1 9 7 8 年年平均风温是1 1 0 4o c ， 这一年的6 月份和7 月份的月平均风温是1 1 4 2o c ，说明该热风炉在使用单一高炉煤气的情 况下，风温已达到1 1 5 0 的水平。6 号高炉1 9 7 7 - 1 9 9 9 年的2 3 年平均风温是1 0 2 5 ，属 于近2 0 年全厂风温最高的高炉。 ( 2 ) 高风温试验 1 9 7 8 年1 2 月利用高炉中修，在热风炉净煤气系统上安装了混烧焦炉煤气的辅助设备 引射器，至此，可以混烧焦炉煤气。其后，分三个阶段进行了高风温试验。第一阶 段混入焦炉煤气5 ，风温从1 0 5 0 。c 提高至 1 1 5 00 c 平均风2 1 1 4 5 。c 。第二阶段混入焦 炉煤气8 ，风温达到1 2 0 0o c 以上，由于热风总管和三岔口等多处发红，开焊漏风。试 验只连续进行t 1 4 天，平均风温1 2 0 5 0 c 。第三阶段对前两阶段试验暴露的问题进行简单 处理后。混入焦炉煤气1 0 i2 ，风温迅速升高到1 2 8 0 ，最高风温达到1 3 1 0 。c ， 拱顶温度1 4 0 0 1 4 5 0o c ，最高达至i j l 4 7 0 。c ，由于拱顶炉皮和送风系统多处发红，开焊漏 一2 5 东北大学硕士学位论文 风，表面温度达5 0 0c 以上。为确保安全生产，试验于3 1 日结束。7 天平均风温达到1 2 7 0 ， 试验时间虽短，但试验效果和目的已基本达到。高风温试验的效果是显著的。平均风温 从基准期的1 0 4 lo c 提高到1 2 7 0 。c ，最高风温达到1 3 1 0 。c ，风温提高2 2 9 。c ；校正综合焦 七h h 5 6 1 8 4k g t 降低n 5 1 5 2 9k g t 。同时试验也暴露出许多问题，如热风管道不 适宜长期在1 2 0 0 。c 以上高温条件下工作，无论从结构、材质与砌筑厚度上均应加以改进。 ( 3 ) 检修情况 6 号高炉热风炉从1 9 7 6 年1 0 月1 5 r 2 0 0 0 年1 2 月i 日的2 4 年里，热风炉经历了两次检 修。第一次是1 9 8 5 年8 月1 0 日1 0 月8 日，第二次是1 9 9 2 年1 2 月份，约4 5 天。两次检修都 是更换格子砖，其他部位均未动。格子砖的完好程度是标志热风炉效率的主要参数。格 子砖平均寿命是8 年，且8 年中有2 3 年风温水平很低，如1 9 7 7 1 9 8 3 年的7 年，1 9 8 6 - 1 9 9 2 年7 年，1 9 9 3 1 9 9 6 年更换的格子砖仅用了4 年。之后风温就逐年下降，这说明格子 砖的质量问题是热风炉长寿高效的一个限制性环节。 ( 4 ) 硅砖拱顶的凉炉和再烘烤 硅砖具有良好的高温性能和低温不稳定性的双重性，硅砖在升温和降温的过程中有 多个晶格转变区，其体积膨胀或收缩幅度较大，6 0 0 。c 以下尤甚。这就给硅砖在热风炉 上的应用增加了困难，所以如何搞好硅砖拱顶的凉炉和再烘烤、再使用问题，一直是热 风炉工作者不断研究和探讨的重要课题。6 号高炉热风炉成功地经历过两次凉炉、再烘 烤的实践，表明： ( 1 ) 经过较长时问使用的硅砖热风炉可以用1 0 大时间完好地凉下来。 ( 2 ) 新砌筑的硅砖热风炉烘炉时问可以缩短到2 0 天左右。 ( 3 ) 硅砖热风炉凉炉后再烘烤的时问1 4 天即可，甚至可以更短。 ( 4 ) 经过较长时间使月1 的硅砖砌体的低温界限，可以由6 0 0 。c 降低到5 0 0o c ，甚至 4 0 0o c 。这样就大大减少硅砖在使用和维护上的困难，快速凉炉和快速烘烤试验的成功。 打破了硅砖热风炉“一命货”的论点，为今后硅砖热风炉的推广应用提供了宝贵经验。 3 1 3 破损调查 为了配合鞍钢的总体改造计划，在3 2 0 0i n 3 大高炉投产之前，6 号高炉仍需再服役3 5 年，于是热风炉在2 0 0 0 年1 2 月又进行了第三次检修。利用这次检修机会，对该热风炉 进行了破损调查，结果如下： 一2 6 东北大学硕士学位论文 第3 章外燃式热风炉的研究 ( 1 ) 热风炉基本完好。热风炉拱顶、缩口、大墙、火井和炉算子及支柱已使用2 4 年， 其间又凉炉烘烤2 次，仍基本完好，还可继续使用若干年。拱顶连接管只有一处约0 5m 2 面积内环掉砖( 见图3 1 ) ，其位置在连接管西侧人孔上方，拱顶其余部位完好无损( 如图 3 2 所示) 。 图3 1 拱顶连接管掉砖图片图3 2 拱顶完好无损 f i g 3 1b r i c kf a l lo f f d o m ec o n n e c t i o np a r t f i g 3 2d o m ei np e r f e c tc o n d i t i o n ( 2 ) 破损最严重的仍是格子砖。1 9 7 6 1 9 8 5 年的硅质五孔格子砖用9 年，1 9 8 5 1 9 9 2 年期间更换的格子砖用了7 年。1 9 9 2 年检修时蓄热室上部的硅砖改为高铝五孔砖，经过8 年的使用，格子砖已面目全非。蓄热室上部约8 0 0 1 0 0 0m i i l 厚的格子砖( 约1 0 层左右) 全 部碎裂成小块，独立砖柱严重倾斜扭曲。这样的格子砖，后期风温仅在7 0 0 。c 以上也就 不足为怪了。分析格子砖损坏的主要原因：一是1 9 8 5 年格子砖选择不当，蓄热室上部应 当用硅砖而没用。二是由于热风炉格子砖是三段式；各段格孔都不一样，砌筑方式是独 立砖柱结构；砖面上又没有定位孔；加上施工质量粗糙必然会造成格子砖透孔率很差。 由于蓄热室透气性差，烟道抽力又小( 2 座高炉的热风炉共用一个烟囱) ，燃烧时的高温 烟气在蓄热室上部形成很大压力，这样在热应力和荷重的作用下，格子砖就很容易碎裂 成小块。三是管理不善，对耐火材料的考察情况、进料单、复验报告和工程验收等资料 都查不到记录。四是施工质量不好，没有质量监督保证体系。 ( 3 ) 拱顶炉壳体腐蚀严重。炉壳最薄处仅2 3m m ，部分钢板已锈漏，当时对晶问应 力腐蚀认识不足，高温段没采用任何防护措施。l 号热风炉尤甚。 ( 4 ) 燃烧器有轻微损坏。燃烧器前两次检修都没动，已用2 4 年，有轻微损坏。这次 检修除了更换格子砖和燃烧器之外，拱顶和大墙砌砖不动，仅更换拱顶炉皮，以解决严 重腐蚀问题。 一2 7 东北大学硕士学位论文第3 章外燃式热风炉的研究 3 1 4 问题及讨论 ( 1 ) 优质的耐火材料是热风炉高温长寿的基础，因此，格子砖的选择非常重要。从6 号高炉热风炉的生产实践可以看出，格子砖8 年左右就要更换一次，不能与一代炉龄相 配套。是一个明显的薄弱环节，也是鞍钢目前普遍存在的一个同题，即低投入、快损耗。 高质量的格砖价格可能贵些，但能与一代炉龄相匹配，从总体上来说更合算。 ( 2 ) 施工质量差也是影响热风炉寿命的一个最重要环节之一。由于管理不严，质量 意识淡薄，在1 9 9 5 年前后检修的炉子普遍存在严重质量问题，热风炉由以前的七八年检 修一次，缩短到四五年就要检修，旌工质量必须引起足够重视。 ( 3 ) 炉皮明显太薄，晶间应力腐蚀预防措施没有，送风管路系统没有做相应的改进。 满足不了1 2 0 0 高风温的要求。 ( 4 ) 外燃式热风炉与内燃式热风炉相比具有高温长寿的特点，虽然投资稍大一点( 约 高1 0 1 5 ) ，如能很好的解决格子砖质量问题，其寿命会大大延长，整体经济上更 为合算。国内内燃式热风炉不论是引进还是国产的，年均风温超过1 2 0 0 。c 尚未见报道， 因此外燃式热风炉更具优势。 3 2a w 二型外燃式热风炉 鞍钢多年来的生产实践