张济贺  李宏玉  黄  坚

（广西柳州钢铁股份有限公司炼铁厂）

摘  要  针对柳钢炼铁厂热风炉故障频发的问题，简单介绍了柳钢球式热风炉锥段损坏情况及影响，探讨了热风炉锥段损坏的原因。

关键词  球式热风炉  锥段  塌砖

1  概述

柳钢在1250m3高炉、1500m3高炉、2000m3高炉、2650m3级高炉上均配备有4座大型顶燃式球式热风炉，采用“三烧一送”的制度，为高炉输送热风。目前现役热风炉自2004年开始陆续投入使用，距今炉龄最长的热风炉已达16年，炉龄最短的也有8年。 球式热风炉具有风温高、加热面积大、热效率高、热交换系数大等诸多优点[1]，但也存在球床粉化、大墙损坏、锥段拱顶损坏等相关问题[2]。自2020年来，热风炉故障频发。28座热风炉在九个月内因锥段损坏引起的热风炉停炉检修多达五座。

2  锥段的损坏

2.1  对生产影响

因每座高炉配备4座热风炉，所以单独一座热风炉停用检修时并不会影响高炉的日常生产。但由“三烧一送”转变为“两烧一送”，相当于每座热风炉烧炉时间减少了三分之一，蓄热效果明显下降，直接导致热风风温降低，影响高炉焦比。由表1可以看出，当月有热风炉检修时，相较于无检修月平均风温，风温下降72~230℃，平均降低118℃。由表2可以看出，当月有热风炉检修时，相较于无检修高炉月平均焦比，焦比上升7~26kg/t，平均上升18kg/t。焦炭价格按1800元/t计算，则影响成本18*1800/1000=32.4元/t。

2.2  具体损坏情况

图1为近九个月内五座热风炉锥段损坏的具体情况。a为锥段中部耐火砖直接塌落，损坏面积较小，但可看出周围耐火砖往外剥离，摇摇欲坠；b、c、d均为上部装球人孔连接锥段部分耐火砖大面积塌落； e为锥段上部严重变形，耐火砌体往炉内剥离鼓出，砖面参差不齐，热风出口处局部塌砖。从表3可得，五座热风炉距上次锥段检修时长最长8年，最短不足5年，平均约6.6年，可见锥段损坏事故发生之频繁。

3  锥段损坏原因

3.1  不规则紊流运动

热风炉通过使冷风流经蓄热体获得高温热风，由于蓄热体的存在，冷风流量分布均匀性差。在陈义胜等[3]的研究中，模拟出了蓄热室内气量分布(图2)，可见冷风在蓄热室内分布极不规则。而球式热风炉以自然堆积的耐火球作为蓄热体(图3)，在蓄热体内部形成了不规则的气体通道。气体在蓄热体内部进行不规则紊流运动的同时，与耐火球进行了多维断面上的热交换[4]。所以，球式热风炉的单位体积加热面积要大于格子砖热风炉，在体积更小、结构简单、用材料更少的情况下就能获得与格子砖热风炉相同的风量风温。锥段是送风时的过渡缓冲段，防止耐火球及其粉化后的粉末进入热风管道，但也导致气体紊流直接作用于锥段耐火材料砌体上。长期受到紊流冲刷，是导致锥段损坏的因素之一。

3.2  变温应力

热风炉循环周期性工作，在一个周期中，分送风期和燃烧期。在送风期，将由鼓风机经冷风管道送来的冷风进入热风炉，冷风在通过球床时被加热，热风经热风出口和热风管道送入高炉。在送风初期，可将冷风加热至1200℃。送风一段时间，热风炉蓄热量减少，热风温度可降至900℃，不能满足高炉生产需求。这时就由送风期转入燃烧期，将煤气和空气按一定的比例从燃烧器送入，煤气燃烧将热风炉加热，燃烧产物即烟气由烟气出口经过烟道从烟囱排出，这样一直将热风炉加热到需要的温度，再转入送风期。一座热风炉经过燃烧器和送风期即完成了一个循环，不间断工作。在生产过程中，锥段工作环境在1200~900℃之间反复切换，产生变温应力和疲劳，锥段、 热风出口部位的耐火材料易产生脱落和坍塌。

 3.3  自身结构原因

在图3和图4中可以直观的看到热风炉锥段及其耐火材料砌体的具体结构。从炉壳折点至燃烧器托圈即为热风炉的锥段，其炉壳内紧贴耐火纤维毡，纤维毡外是两层起保温作用的轻质漂珠砖，漂珠砖外再贴一层耐火纤维毡(图5中未标记，图4中可见)，将漂珠砖与最里层的高铝砖相隔开，即“炉壳-耐火纤维毡-漂珠砖-耐火纤维毡-高铝砖”的结构，高铝砖设有上下卡槽，相互卡扣增强砌体稳定性。但由于耐火纤维毡的存在，相当于炉壳、漂珠砖、高铝砖之间没有黏结作用，炉壳没有为耐火材料砌体提供拉力，且整个锥段没有托圈板为耐火材料砌体提供支撑作用，漂珠砖与高铝砖的重力全部作用于炉壳折点处，重力于锥段垂直方向上的分力对高铝砖卡槽和灰缝造成剪切作用，使锥段耐火材料容易倒塌。图6对热风炉锥段进行了简单的剪力分析，漂珠砖和高铝砖的重力分力q作用于垂直锥段面方向，形成的剪切力从上往下逐渐增大，至炉壳折点处达到最大，故锥段塌砖多出现于锥段中下部；若在锥段中部增设托圈板，提供支持力，中下部剪切力将大幅减小。

3.4  修复情况不理想

一旦发生锥段大面积坍塌，只能停用热风炉，凉炉卸球，将锥段破损砌体拆除并重新砌筑。但重砌锥段经常出现多种问题，质量并不理想。在图7可以看到部分热风炉锥段修复情况。f中漂珠砖与炉壳间隙大小不一，整个砌体未成为较理想的圆周，会导致受力不均，且漂珠砖间存在多处通缝；g中高铝砖圆锥面参差不齐，砌筑质量差，远超《GB+50309-2017+工业炉砌筑工程质量验收标准》中规定的3mm错牙标准。热风炉检修一般都为抢修性质，要求工期短，施工快，导致出现重缝、灰浆不饱满等；部分热风炉锥段漂珠砖损坏情况较轻，为缩短工期，选择只重砌高铝砖；炉龄过长，炉壳老化变形，使锥段未砌成圆周等等，都为日后锥段损坏埋下了隐患。

4  结语

（1）五座热风炉锥段的检修导致高炉风温平均偏低118℃，使高炉提高焦比18kg/tFe，直接增加了高炉炼铁成本32.4元/tFe。

（2）热风炉锥段事故原因主要有紊流运动、变温应力、锥段结构设计以及修复质量不理想。但变温应力不可避免，气流不规则运动也难以改善，减少球式热风炉锥段事故的发生，只能从加强砌筑质量、优化锥段结构方面入手，如增加锥段托圈板、调整砖型结构、炉壳内焊挂钩等，减少重力分力的剪切作用，以提高锥段寿命。

5  参考文献

[1] 张福利，闭立钢，黄庆周，等.大型球式热风炉在柳钢1250m3高炉上的应用//[C].中小高炉炼铁学术年会. 2007.

[2] 韦韬，黄日清，郑海松.柳钢球式热风炉大型化发展技术//[C].CNKI，2011:44-47.

[3] 陈义胜，郝志忠.热风炉蓄热室内气流分布的计算机模拟研究[J].钢铁，2000，35(8):10-12.

[4] 陈秀娟，魏文洁.采用旋切式顶燃热风炉技术改造球式热风炉探析[J].炼铁，2017(6).