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熱風爐技術

豫興公司董事長劉世聚解讀如何避免頂燃式熱風爐爐殼開裂

發布時間:2019-09-25點擊量:249

           豫興公司董事長劉世聚解讀——

         如何避免頂燃式熱風爐爐殼開裂?

 

夏杰生

頂燃式熱風爐自2003年引進我國發展至今,因其具有爐體低、風溫高、占地面積小、投資少、投產快等諸多優點,在我國鋼鐵市場得到快速發展。行業內新建和產能置換的高爐幾乎100%配置為各種頂燃式熱風爐。但是,頂燃式熱風爐技術也并非完美無瑕,頻繁出現熱風出口高溫損壞、拱頂損壞和爐殼嚴重開裂,嚴重影響了風溫和企業效益。尤其是近幾年來我國幾座數千級高爐配套的熱風爐爐殼開裂時有發生。例如,投產4個年頭的某鋼鐵公司2號高爐頂燃式熱風爐第十五代爐殼及周邊焊縫頻繁開裂。去年5月,投產不足2年的某鋼鐵公司1號高爐頂燃式熱風爐出現第14、第15、第16、第17帶較為嚴重的爐殼焊縫周邊開裂現象,使高壓輸送高風溫熱風爐的安全使用存在巨大威脅。


通才1860.jpg

 創造月均風溫1314.7℃中國記錄山西通才1860m3高爐豫興懸鏈線頂燃式熱風爐

                         

 找出了開裂的主要原因

 

今年上半年,在某鋼鐵公司組織召開的頂燃式熱風爐爐殼開裂原因分析交流溝通會上,河南省豫興熱風爐工程技術有限公司(下文簡稱豫興公司)專家結合某鋼鐵企業2號高爐使用4年的頂燃式熱風爐和該公司1號高爐頂燃式熱風爐結構特點和本公司研究成果,對爐殼開裂現狀做了詳細的技術分析,提出了關于頂燃式熱風爐的優化改進建議,得到了與會專家的認同。

豫興公司專家在會上公布了針對高風溫頂燃式風爐爐殼鋼板受壓力作用選擇的厚度依據國家熱風爐設計規范、相應壓力容器設計規范、耐火材料結構的設計規范進行了詳細的盲板力、熱應力分析計算,找出了導致爐殼開裂的綜合因素如下:

一是幾座高爐配套的熱風爐均實現了1250℃~1300℃區間高風溫,由于巨大盲板力和耐材熱應力集中且受熱風爐錐形鋼殼結構限制釋放受限及設計爐殼厚度不足部位的爐殼焊縫出現開裂;二是爐殼焊縫本身因存在應力而薄弱,從而在應力和盲板力集中作用下導致爐殼開裂。

豫興公司董事長劉世聚詳細詮釋了對爐殼開裂的頂燃式熱風爐爐殼的厚度進行計算的過程:其計算依據煉鐵設計規范和設計行業忽視的壓力與爐殼關系的壓力容器設計規范。某鋼鐵企業1號高爐實現1250℃~1300℃高風溫的頂燃式熱風爐爐,送風壓力0.45Mpa,燃燒室爐殼直徑13.5m,計算盲板力為6437噸(R2*壓力*π),熱風爐爐殼分25段,經過綜合計算和原來的爐殼設計厚度進行列表對比,其中第14、15、16、17帶原爐殼和計算偏差值太大(參見設計值和豫興計算值對比表),爐殼分別薄了19%~39.3%,計算1帶~13帶爐殼和計算結果吻合,18帶~24帶爐殼又超厚 5%~53%。目前,熱風爐設計規范采用爐殼直徑乘以經驗模數確定各對應部位爐殼厚度,沒有考慮送風壓力。當爐殼超薄時,焊縫處還存在殘余應力使抗盲板力和抗耐材熱應力能力下降,而恰恰耐火材料膨脹產生的熱應力受上小下大爐殼限制和設計吸收熱應力能力不足時,巨大的熱應力就會對薄弱的爐殼在盲板力的綜合作用下頻繁運動,導致爐殼焊縫損壞。如果爐殼有足夠的厚度,焊縫應力消除又非常到位,爐殼開裂就不會存在,而損壞的是熱風出口和拱頂耐材。因此,熱風爐爐殼設計超薄,是爐殼開裂的主要因素,而非焊縫應力消除不足造成。

由于頂燃式熱風爐錐形拱頂是砌筑在熱風出口直段之上的,而錐形拱頂又是上小下大的倒喇叭口結構,直段和錐形拱頂全部采用的是高膨脹的硅磚耐火材料,硅磚的膨脹率為1.25%-1.3%,這樣就形成了耐火材料的疊加熱應力累積,例如1號大型高爐熱風爐直段靠近爐殼部位預留120mm的膨脹棉來調節不可控的爐殼橢圓、砌筑橢圓以及噴涂不規范吸收膨脹,從而可避免膨脹應力損壞爐殼,但順著直段往上審核設計圖,直至錐形拱頂與預燃室迷宮聯接處的吸收膨脹、調節爐殼橢圓、調節砌筑不規范和噴涂不規范的膨脹棉仍舊為120mm,熱風出口直段下的迷宮至錐形拱頂與預燃室聯結處的高度為13.8m,依據耐材產生膨脹率1.25%和1.3%計算,其膨脹量分別為172.5mm和179.4mm,這組數據如果再增加爐殼焊接、砌筑、噴涂以及耐材的膨脹量不規范,其吸收應力和膨脹的纖維棉應預留180mm至230mm。同時由于爐殼厚度偏差導致抗盲板力和熱應力強度薄弱,導致爐殼開裂。如果爐殼厚度足夠,抗盲板力和熱應力的能力足夠強,可以是爐殼完好無損不會損壞和出現爐殼開裂,在這種設置狀態下損壞的是熱風出口,嚴重者導致熱風出口垮塌和錐形拱頂垮塌,這在我國頂燃式熱風爐發生率高達90%以上。


豫興I型熱風爐建成投用后【1080m3高爐】卡魯金熱風爐陸續改造進行中.jpg

 首創三段式改豫興懸鏈線頂燃式河北澳森1288m3高爐熱風爐


提出了解決開裂難題的科學方法

 

豫興公司專家提出解決上述問題的最好辦法,就是消除應力作用,認真審查和計算熱應力和爐殼在對應壓力作用下的實際設計厚度,還要預留足夠調節吸收膨脹空間的膨脹棉。其具體解決方案有下列幾種:

一是新建的熱風爐采取將錐形拱頂與熱風出口直段一分為二,減少疊加熱應力的累積,使上小下大錐形爐殼限制的耐材熱應力轉移至爐殼之上。而爐殼上下聯接采用逐漸擴大方式和增加托板以及筋板方式來提高抗環向盲板力強度,是抗盲板力能力成倍增加,同時又能使熱風出口之上的砌體熱應力能夠自由釋放,也不受施工、安裝、材料、性能綜合因素影響,消除了應力、弱化了盲板力,防止熱風出口與拱頂組合燃燒室結構的損壞,使爐殼發紅、錐形拱頂垮塌等風險降為零。

二是增加爐殼外圍的環向加強抱箍,是爐殼抗盲板力得到更大的提高。

三是熱風爐是高壓容器,設計必須依據壓力容器設計規范,精確計算確定爐殼各部位幾何尺寸,避免高溫下的壓力運動對爐殼的損壞。

四是焊接縫處設計好坡口,采用分層焊接技術,防止夾渣于焊縫之間。焊接好后對焊縫要做消除應力處理,避免應力的存在。

五是對于某鋼鐵公司1號大型高爐頂燃式熱風爐,其燃燒室高溫高壓區域的第14-17帶爐殼解決辦法;在不停爐條件下對對應的爐殼帶新增加一層加固防爆作用的鋼板焊接覆蓋或者是停爐切割對應爐殼更換為具有抗擊6437噸盲板力能力新爐殼(依據0.45Mpa風壓和壓力容器計算公式),采用那里開裂就補焊那里的方式,沒有根本解決薄弱缺陷隱含的安全隱患。也可以降低送風壓力、降低風溫、避免重大安全事故發生。對于爐殼焊縫應力沒有消除而發生開裂的說法,要科學計算驗證爐殼焊縫開裂與壓力的關系。參照熱風爐18-25帶以上爐殼的厚度計算值偏厚5%-53%,爐殼焊縫沒有任何腐蝕,也沒有油漆褪色跡象,也沒有任何焊縫開裂或裂紋現象發生,形成鮮明的對比,證明盲板力熱應力和爐殼厚度不足相關聯。因此,增加一層鋼板或更換鋼板,降低風溫,降低風壓,提高防爆抗壓安全系數,是至關重要的安全問題。

 

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首創內燃式改豫興懸鏈線頂燃式山西建龍1497m3高爐熱風爐


合理的改造方案取得良好的改造效果

 

豫興公司根據頂燃式熱風爐燃燒室爐殼開裂原因分析和解決方案,設計時采取上述一、二、三、四項技術措施(參見應力消除和抗盲板力設計示意圖),徹底避免了熱應力損壞和數千噸盲板力對爐殼和爐體的綜合損壞,均取得良好的效果。下列為設計經典案例:

2017年至今,河鋼集團樂亭3X3000m3高爐、中鐵裝備制造3X2500m3高爐、唐山津西鋼鐵公司2×2000m3高爐、秦皇島安豐鋼鐵公司1080m3高爐、內蒙古赤峰遠聯鋼鐵公司1350m3高爐、遼寧嘉辰鋼鐵公司1350m3高爐等鋼鐵企業均采用了擴大段將熱應力轉移和強化爐殼抗盲板力技術訣竅的四段式頂燃式熱風爐技術。值得一提的是,山西建邦集團通才公司1860m3高爐懸鏈線頂燃式熱風爐 于2012年7月10號投產至今,燃燒器、拱頂、熱風出口格子磚完好無損。2012年的10月、11月實現兩個月平均高風溫1314.7℃,拱頂溫度和送風溫差小于94℃,氮氧化物排放小于50毫克,各項指標在我國行業至今未被超越,熱風爐送風壓力為0.45Mpa,熱風爐最大爐殼直徑10m,爐殼鋼板材質選擇為Q345R,計算燃燒室盲板力3532噸,使用至今接近8年,沒有爐殼焊縫開裂現象發生,也沒有像其他頂燃式熱風爐出現的爐體損壞現象發生。實踐驗證豫興熱風爐技術是成熟的,說明豫興熱風爐的熱工計算和爐殼設計規范計算是準確的,達到壓力高溫條件下的安全系數和高風溫長期使用環境下的結構是穩定的。

依據豫興公司提出的建議,某鋼鐵企業的3號高爐頂燃式熱風爐重新進行了的部分優化設計,盡管這些細節技術處理建議微不足道,但也實實在在地可以解決爐殼開裂和熱風出口損壞問題,也可以解決迷宮漏風和支撐座承重不穩定問題。這表明豫興公司持續優化改進頂燃式熱風爐穩定長壽節能高效高產高風溫方面的突出貢獻。

因此,只要頂燃式熱風爐的燃燒室結構設計合理、解決好燃燒室結構應力集中缺陷、掌握抗盲板力鋼板的設計㎏精度,熱風爐結構就穩定,就一定能避免爐殼開裂、熱風出口損壞和拱頂垮塌,使頂燃式熱風爐在實現節能、長壽、高產、高效、高風溫發揮更大的作用。


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 創造拱頂直徑12.3米中國記錄縱橫豐南豫興懸鏈線頂燃式熱風爐

 

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