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        對頂燃式熱風爐拱頂結構缺陷的研究和優化

        對頂燃式熱風爐拱頂結構缺陷的研究和優化

        • 分類:四段式技術
        • 作者:
        • 來源:
        • 發布時間:2021-05-15 19:58
        • 訪問量:

        【概要描述】

        對頂燃式熱風爐拱頂結構缺陷的研究和優化

        【概要描述】

        • 分類:四段式技術
        • 作者:
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        • 發布時間:2021-05-15 19:58
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        對頂燃式熱風爐拱頂結構缺陷的研究和優化

        河南省豫興熱風爐工程技術有限公司  劉世聚

         

         

        頂燃式熱風爐技術(如圖1)

        根據輔助設施的配置,可以實現1150-1300度送風溫度,設計壽命一般20年以上。近幾年在我國高爐工程上配套率較高。


        頂燃式熱風爐技術自引進我國投入運行至今已經經歷十年以上的實踐應用,與投資巨大、占地面積大的外燃式熱風爐和蓄熱室內擁有隔墻易短路的內燃式熱風爐相比較,其風溫高、投資省,深得用戶青睞。頂燃式熱風爐的優越特點已經眾所周知,在本文中不再贅述。

        頂燃式熱風爐雖擁有居多優越特點,但在實踐應用中出現了較多拱頂垮塌、熱風出口持續高溫、煤氣燃燒器損壞嚴重等直接影響熱風爐的風溫、進而將增加企業成本。目前,筆者收集該結構問題大約150例之多,最嚴重的是錐形拱頂大面積垮塌,經過長期跟蹤、研究,逐漸發現熱風爐燃燒室結構設計受力不合理且具有致命的硬傷:頂燃式熱風爐的錐形拱頂是坐落在熱風出口的大墻之上,是多方向應力集中復雜的拱頂和熱風出口連體結構設置,這種致命缺陷,會使熱風爐結構難以實現10-20年的正常壽命。所以,頂燃式熱風爐結構缺陷的優化研究,可以解決頂燃式熱風爐各種致命問題,還原頂燃式熱風爐結構穩定、長壽、高效、節能高風溫的本來面目。  

        案例:河北省某鋼鐵公司1號2500m³高爐、河南省南陽某鋼鐵公司1350m³高爐、河北省石家莊某鋼鐵公司6座1260 m³高爐、浙江省某金屬制品廠680 m³高爐、河北省唐山市某鋼鐵公司6座1080 m³高爐等近150座配套的頂燃式熱風爐結構均出現的拱頂垮塌、高溫等結構問題進行了跟蹤調查。

        針對上述問題,采取理論和實際相結合,對燃燒室結構存在的缺陷和設計不足,進行剖析研究,采取相對應的初步優化措施:

        1. 錐形拱頂受力結構不合理的優化

        問題研究:


        燃燒室拱頂受力合理是熱風爐穩定長壽的關鍵。圖2頂燃式熱風爐燃燒室拱頂結構的多方向受力示意,如箭頭所示,存在著重力、下滑力、剪切力、送風高壓力、回縮力等綜合應力作用,且燃燒室錐形拱頂是直接坐落在燃燒室大墻和熱風出口之上,采用優良且具有膨脹系數大的硅磚做內襯,在高溫使用條件下,根據耐火材料的膨脹系率計算,燃燒室大墻以及相連一體的拱頂內襯的疊加膨脹量,根據溫度高低和燃燒室結構高低逐漸膨脹,一般膨脹量大約在15-25公分左右,尤其是熱風出口部位有相向的膨脹力相互作用,導致數百噸的錐形拱頂燃燒室在拱頂拐點處其各種應力集中,首先出現熱風出口高溫、發紅、保溫材料燒失,隨即陸續出現拱頂垮塌,造成燃燒室結構短壽而影響風溫。拱頂的設計缺陷是其損壞的重要因素,參照熱風爐設計圖紙,燃燒室內襯磚和爐殼之間采用的是強度較低、高溫性能較低的保溫材料,當拱頂各種應力作用到此時,高溫煙氣在高壓高溫條件下,會從大墻和短管對接處的漲移縫將高溫泄露出來導致輕質磚燒壞,出現爐殼與燃燒室爐襯之間真空無支撐,在拱頂的應力作用下歪倒、形成S彎狀的損壞(參照圖6、7、8、9、10)。

          為了準確把握,熱風爐拱頂結構損壞的主要原因,我們和北京科技大學專業實驗室組成一個測試團隊,直接奔赴山西通才工貿公司對其1860m³高爐熱風爐熱風出口、三岔口、爐殼、管道和煙道廢氣成分進行了全面測試分析,通才1860m³高爐高風溫熱風爐結構、管口結構、各種應力采取相應的優化加強措施,尤其熱風出口部位,在爐殼厚度達到36毫米,熱風出口的上下部位增加了加強環箍(參照圖3、4、5),在送風時仍有0.03%-0.04%的變量,依據此數據推測,熱風爐送風時的鼓風推力對熱風出口爐殼部位的作用力是巨大的。這也就不難理解熱風爐燃燒室拱角和拱角拐點局部所承受的應力復雜的,如果采用拱頂和熱風出口分離設置,拱頂單獨支撐在爐殼之上,將有效的解決這一重大缺陷。

        但就鼓風壓力對爐殼結構變量和管道變量的影響,北京科技大學在現場測試和數學計算進行了研究,其結果如下,下面是對燃燒室爐殼部位有無優化措施在送風壓力作用下的數學計算結果:

        某鋼鐵廠頂燃式熱風爐的分布,如圖11所示,計算時與熱風爐工況相同,即1、2號熱風爐處于燒爐期,3號熱風爐處于送風期。參照圖11右部,為頂燃式熱風爐和熱風主管間不存在優化措施時,送風期3號熱風爐爐殼的變形情況。圖12為熱風爐和熱風主管間為傳統設置結構時,而沒有實施優化措施時,送風期3號熱風爐爐殼的變形情況。

        11  某鐵廠頂燃式熱風爐分布圖

        12為3號頂燃式熱風爐送風期周向變形示意圖,同樣將鋼殼的形變量放大100倍。從圖中可以看出熱風爐熱風出口附近鋼殼變形情況,熱風出口處最大,爐殼沿徑向膨脹,同時向熱風主管側偏移。

               

        12  3號頂燃式熱風爐熱風出口處周向變形示意圖(放大100倍)

        13為3號頂燃式熱風爐在熱風主管和爐殼之間焊接上大拉桿時,送風期熱風出口處周向變形示意圖。與沒有焊接大拉桿時相比,熱風出口處的變形情況有一定改善,但熱風出口處的變形仍然比較明顯,且熱風爐整體向遠離熱風主管側偏移了,其他區域的爐殼更趨于橢圓形,而擠壓爐內的大墻和蓄熱體。

         

        13   3號頂燃式熱風出口處周向變形示意圖(考慮大拉桿,放大100倍)

        實踐中實際爐殼的變量如圖14、15、16,由此可以得出,在沒有大拉桿和只有大拉桿時,熱風出口爐殼變形比較嚴重,從而擠壓爐內和熱風管內的耐火磚,使其在長期使用中結構變得不穩定,必須在熱風出口附近的爐殼上采取進一步的優化措施,讓整個爐殼來均分熱風管左右變形不均勻對爐殼變形的影響,同時優化措施能對熱風出口附近爐殼變形起到約束的作用,減小熱風出口附近爐殼的變形。

        14、15、16   熱風爐熱風出口損壞情況

        通過數模計算和實踐案例,證明了熱風爐出各種應力作用外,送風的壓力對燃燒室和熱風出口的損壞不可小視,必須進行綜合優化。

        優化措施:

        采取獨立燃燒室拱頂結構后,其熱風爐內襯缺陷消除,同時還要對熱風爐熱風出口結構、鋼殼外部結構實施優化措施以減少熱風爐的送風高壓力、回縮力對燃燒室直段爐殼和內襯的橢圓變形作用,并保持燃燒室拱頂結構的穩定和長壽。

        頂燃式熱風爐的任何設計缺陷都將在投入運行數年間發生問題而影響風溫

        和產量,但拱頂結構的垮塌會造成長時間的停產維修和更大的損失。因此,已經投入運行的拱頂結構的優化工程量雖然較大,但必須進行必要的優化措施,在新建的高爐配置的帶預燃室的頂燃式熱風爐設計中直接采用將拱頂與熱風出口的大墻分離,使燃燒室拱頂結構獨立支撐在爐殼之上,拱頂結構和熱風出口結構穩定,各種應力轉移和分散,熱風爐就能達到設定的30年壽命。

        獨立拱頂頂燃式熱風爐采用的是四段式(參照圖17):預燃室單獨支撐在爐殼之上,錐形拱頂單獨支撐在爐殼之上,燃燒室熱風出口直段單獨支撐在爐殼之上,蓄熱室為單獨一段,受力結構得到徹底的優化。

        17

        從獨立拱頂熱風爐結構設計圖17和原帶預燃室的頂燃式熱風爐結構設計圖2對比,明顯看出:獨立拱頂頂燃式熱風爐的拱頂受力結構和熱風出口結構得到合理改善,不會發生設計圖6、7、8、9、10的拱頂結構損壞和熱風出口垮塌的弊端。

        2、 熱風出口和拱頂受力不合理:高溫、掉磚、橢圓為主要表現特征

        問題研究:

         

        在熱風爐解刨中熱風出口部位高溫發紅、橢圓、掉磚幾乎涉及到每一座頂燃式熱風爐,河北某廠2500m³高爐熱風爐熱風出口采用的是硅質耐火材料,而云南玉溪市某鋼鐵公司熱風爐出口采用的是剛玉莫來石低蠕變高鋁磚,荷重軟化溫度均大于1600度和1650度之間,是熱風爐耐火材料中的極品,上述兩個企業的熱風爐使用周期均在3-5年,熱風出口塌陷、掉磚的現象應該與熱風出口材質沒有因果關系。優秀的材質說明熱風出口結構的缺陷存在。分析如下:一、熱風出口的設計采用的均是花瓣磚和旋磚,花瓣磚均是手工成型,其厚度均在150-200毫米,旋磚厚均在100-120毫米,單塊磚重基本在15-20公斤左右,而旋磚都在10公斤左右,熱風出口磚塊大、無論是燒成或是成型質量均比大墻磚要差(熱風爐大墻磚厚度設計全是75毫米),這是較厚磚坯成型時受力小、磚體幾何形狀復雜,成型強度低、高溫燒成難度大,還會導致砌筑質量差。所以,當燃燒室拱頂處在高溫環境各種應力和高溫壓力作用在熱風出口磚之上時,就會隨著時間的推移逐漸導致熱風出口下陷變形。二、頂燃式熱風爐的熱風出口設置的位置不當,熱風出口中心線均在爐殼的拐點部位,同時也是在預燃室的拱角部位,這樣的受力和熱風出口磚結構均較差。目前,國內設計院都將此結構進行了認真的優化,但問題沒有得到根本的對癥解決。三、熱風爐是壓力容器,每平方米承受30-50噸的壓力,當送風期,由于壓力的作用使熱風出口部位的爐殼截面發生橢圓變量,當送風結束,爐殼又反彈恢復原狀,這種變量是不可小視的熱風出口組合磚結構的關鍵因素。(參照圖20、圖21、圖22、)。

        優化措施:

        因此,熱風出口磚應該采用厚度較薄的薄片磚,使熱風口磚在成型時受力更大,熱風出口磚型的大小和大墻磚塊大小相比,熱風出口磚塊厚度應該比大墻磚厚度要薄,才能坯體強度更高、燒成時更容易燒透形成結晶體,燒成質量更穩定,適應熱風出口薄弱部位支撐各種應力的惡劣環境要求。同時,需要指出,必須將熱風出口中心線設置在爐殼和拱頂直墻的直段,還要采取一定的措施,解決熱風出口的各種應力受力問題。熱風爐送風期的高壓產生的幾十噸壓力,就像火箭和氣球一樣,當從熱風出口處釋放擁有巨大壓力且溫度很高的煙氣時,對爐殼和熱風支管以及主管道丁字口產生巨大的作用力會使熱風出口局部爐殼和三岔口局部管殼產生變量,當送風結束轉換為燃燒時,鋼殼具有彈性回縮,而熱風出口和支管耐火材料為塑性的固體,久而久之損壞熱風出口、三岔口結構,要采取綜合優化措施,穩定熱風出口結構,避免了熱風出口的垮塌。

        3、  氮氧化物生成的溫度極限,是提高風溫受限

        問題研究:

        目前,內燃式熱風爐送風溫度和拱頂溫度的溫差為150-200度左右,頂燃式熱風爐的送風溫度和拱頂溫度差為120-150度左右。懸鏈線頂燃式熱風爐的送風溫度和拱頂溫度差為64-94度,查找歷屆煉鐵年會的有關學術報告中的論文,以及楊天均校長金屬導報發表的文章提出:當拱頂溫度大于1420度時,會有大量的氮氧化物生成,對爐殼和環境都會有影響。因此,風溫可以控制在1289度正負20度,這將在保證高風溫的同時,又能避免氮氧化物的生成對爐殼的腐蝕。某鋼鐵廠2號高爐熱風爐的燃燒室錐形拱頂爐殼網狀裂紋多、補焊多,近期已經對2號高爐1號、2號熱風爐的燃燒室錐形拱頂爐殼進行切割更換。這是否是氮氧化物的晶間腐蝕作用還待深入研究確定,但鋼殼網狀裂紋多,爐殼焊縫焊補位置較多,這就說明當空氣過剩系數較大,又想把風溫提高到相當的理想風溫,就應該考慮晶間腐蝕對熱風爐爐殼壽命的影響,必須采取措施予以預防和遏制。

        優化措施:

        目前,行業學會登載的一些技術專家的學術文章中,提供了大量實踐案例和測試研究報告,提出防止晶間腐蝕的措施就是必須控制拱頂溫度不得大于1420度。豫興公司經過長期的技術研究,提高混合燃燒方式,縮短火焰的長度、降低空氣過剩系數,也可以有效提升風溫和降低預燃室拱頂溫差,也會有效的降低錐形拱頂溫度和送風溫差??梢杂刑嵘硐腼L溫的空間。另一方面,提升風溫在1280度正負20度是控制拱頂溫度低于1420度避免氮氧化物晶間腐蝕的辦法。

        當然采用懸鏈線頂燃式熱風爐可以從根本上解決拱頂溫度和送風溫差,混合

        燃燒均勻、煙氣流場和冷風流場雙均勻,燃燒室結構長壽穩定,并有效的防止氮氧化物的生成,減少了污染,有較大提升風溫的空間,是高風溫技術的一種選擇。

        采用懸鏈線頂燃式熱風爐對這種燃燒室拱頂結構實施切割優化改造,也是穩定、長壽熱風爐結構的一種理想選擇。

        總結:采用獨立拱頂的拱頂結構,有效的將拱頂的各種應力轉移至爐殼之上,讓熱風爐出口和拱頂雙穩定,避免了熱風出口和拱頂的損壞。值得一提的是無論頂燃式熱風爐結構和性能的優劣,都能完成煤氣、空氣的混合燃燒過程,即使有結構問題,都能采取一些維修和補救措施繼續使用,唯獨拱頂結構的損壞其后果就非常嚴重,就必須采取停爐約50-60天的時間進行大修,這就造成巨大的經濟損失。因此,拱頂結構的穩定對熱風爐的正常運行、高風溫、節能起著舉足輕重的重要作用。通過研究和優化設計,可以完善頂燃式熱風爐結構和性能,是熱風爐穩定的實現高風溫、長壽命、節能、減排的最佳效果。

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