武会卿 魏红玉 符政学 刘力铭 刘力源

山西建邦集团、豫兴公司

摘要：山西通才1860m³高炉配套的4座豫兴悬链线顶燃式热风炉自2012年7月建成投产以来，实现月均风温1300℃，高风温安全高效运行6年10个月至2019年4月高炉扩容大修，至今该套热风炉已经高效安全高风温使用整整8年。热风炉停炉后，通才和豫兴公司技术专家进炉对热风炉炉体情况进行了系统检查，结合检查结果，重点从热风炉的结构设计和耐材选择两个方面，阐述热风炉的长寿经验。

关键词：豫兴 悬链线 顶燃式 热风炉 高温长寿

　　山西通才工贸有限公司，2012年7月10日投产的1860m³高炉所配套的4座热风炉均采用豫兴悬链线顶燃式热风炉技术，设计风温1320℃，单炉送风60分钟，采用“两烧两烧交错并联送风制度”，设计寿命25年。投产以来创造了最高月均风温1314.7℃，最高小时风温1346℃的中国高风温历史纪录，已超过1250℃的日均送风风温安全高效运行了6年10个月。至2019年4月停炉检查，通才和豫兴公司组成专家团队对热风炉高风温运行后的炉体内部结构进行了系统调查，发现除1号热风炉拱顶中下部出现0.5㎡面积的局部硅砖轻微剥落外，其余热风炉和4座热风炉热风出口结构、燃烧器结构、喷嘴结构、拱顶结构、格子砖结构均完好无损。下面结合此次炉体调查结果，重点从热风炉结构设计和耐材选择两个方面对豫兴悬链线顶燃式热风炉的长寿经验进行总结和分析。

一、山西通才配套的豫兴悬链线顶燃式热风炉基本设计参数和运行情况。

　　山西通才1860m³高炉配置了4座豫兴顶燃式热风炉加2座豫兴顶燃式预热炉，热风炉设计风温为1320℃ ,拱顶温度1420 ℃，采用空气、煤气双预热，助燃空气二次预热，全烧高炉煤气，热风炉高温区采用硅砖，设计寿命25年。热风炉采用了五方面豫兴专有技术，热风炉系统烧炉、送风、换炉实现自动和手动控制。4座热风炉工作时，采用两烧两送交错并联送风制度，该高炉悬链线顶燃式热风炉的主要技术性能见表1，2012年10月份运行情况见表2。

表1豫兴悬链线顶燃式热风炉主要设计技术参数

表2 山西通才1860m³高炉配套热风炉 10月份1-28日风温(℃)

二、山西通才配套的豫兴悬链线顶燃式热风炉停炉检查基本情况。

　　2019年4月10日山西通才1860m³高炉扩容中修(炉底炉缸没修)，配套的豫兴顶燃式热风炉陆续停止烧炉按计划凉炉;4月19日，山西通才和豫兴公司热风炉工段专家和热风炉维修专家进入凉炉后的热风炉查看。经仔细检查确定：热风炉热风出口完好无损，燃烧器结构完好无损，煤气、空气喷嘴完好无损，但1号热风炉悬链线拱顶塞头部位有大约0.5㎡的塞头砖1.5米左右的中下部有轻微剥落，剥落深度大约10公分左右;格子砖床面平整没有凸凹不平现象发生，但伴有轻微渣化现象，经过观测格子砖砖眼发现有轻微错位错台现象。

　　4月20日，2号和3号炉停止烧炉;4月30号，上述人员进入2号、3号炉查看。经仔细检查确定：2号、3号炉热风出口完好无损，燃烧器结构完好无损，煤气、空气喷嘴完好无损，悬链线拱顶塞头部位完好无损，但2号炉人孔偏上有1.5㎡的局部硅砖剥落，剥落深度约为100mm;2号、3号炉格子砖床面平整没有凸凹不平现象，伴有轻微渣化现象，经过观测格子砖砖眼发现有轻微错位错台现象。

　　本次停炉检查因计划安排未对4号炉进行入炉检查，但结合热风炉日常运行的监测数据及对1、2、3号炉的入炉检查，我们都能够大概率确定4号炉炉内结构未受到严重损坏。此次检查，上述人员同时对热风管道进行了详细检查，发现热风管道砖整体完整，三岔口浇筑区域完好，但三岔口浇筑和管道对接部位对接不吻合，有浇筑和管道砖对接不平现象发生。

　　对于1号高炉塞头砖轻微剥落的问题，专家们经过分析认为是由于设计消除应力不到位造成。2号高炉出现的热风炉拱顶硅砖局部剥落的问题，专家们经过分析一致认为跟烘炉、凉炉操作不当有直接因果关系;在日常使用热风炉过程中注意烘炉冷气体流速及压力，避开温差较大的火焰直接喷射，就可以避免此类现象的发生。

　　虽然此次热风炉停炉检查发现了上述几个问题，但此次入炉检查也说明了豫兴悬链线顶燃式热风炉炉体设计足以满足1300℃高风温要求的;而其燃烧器的使用寿命甚至会大于热风炉本体的使用寿命。这些都展示了豫兴悬链线顶燃式热风炉所具有的高温长寿的优异性能，对进一步优化热风炉设计、积累国内1300℃高温热风炉应用经验提供了良好的现实依据。

三、山西通才配套的豫兴悬链线顶燃式热风炉高温长寿原因分析。

　　山西通才1860m³高炉配套的豫兴悬链线顶燃式热风炉能够在实现最高月均风温1314.7℃、小时风温1346℃、日常风温1250℃以上安全有效运行至今整8年，主体结构和主要部件没有发生重大损耗;这与其先进的炉型设计结构和高品质的耐材选择有着直接关系。

　　(一)热风炉重要部件结构设计及选材

　　1.热风炉燃烧室的拱顶结构设计与选材

　　豫兴悬链线顶燃式热风炉拱顶所构成的空间就是其燃烧室，其形状上部是以悬链线为母线旋转而成的碗状壳体,拱顶结构的下部是一定高度的圆筒壳体。悬链线拱顶的主要设计理念，就是把拱顶和具有热应力的大墙结构断开，并在拱顶内衬、拱顶轻质砖、拱顶炉壳之间采用了全方位的应力消除设计理念，促使耐火材料在加热后不存在应力作用从而使其具有了良好的承压能力与稳定的结构。

　　燃烧室是在钢板制作的外壳内由多层性质不同的耐火型材砌筑而成。炉墙结构从内到外分别是：高温抗粘附砖或红柱石砖作为承重砖，其厚度均为450mm;轻质硅砖GGR -1.0厚度为230mm;轻质粘土砖LG -0. 8厚度为230mm;耐火纤维棉厚度为50mm(或80mm);钢壳内为隔热的部位喷涂料厚为50mm。

　　热风炉悬链线拱顶燃烧室虽为力学上一种自稳定结构，但在高温环境下要保持稳定也需要选择合适的耐材。由于燃烧室中烟气温度的变化与不均都会导致炉墙结构的局部改变或产生较大内应力，这常常是燃烧室损坏的根本原因，因而对材料的高温热稳定性要求较高，它既要耐高温、又要有抗热震性、还要有大的耐压强度。通常要釆用荷软温度在1450℃以上，热震在20次以上，耐压强度在45兆帕的红柱石高铝砖砌筑。在拱顶温度比较高且均匀稳定的条件下，采用高温热稳定性好的防粘附砖也是一种使结构稳定的选择。而选取高铝聚轻球砖就是为了能在热风温度下起到承载与保温的作用，避免当热风窜入保温层使普通轻质砖熔融收缩而出现保温层失效，导致炉壳在高温下软化而失去强度，发生炉壳损坏与热风溢出或出现拱顶垮塌等现象。

　　为了拱顶结构的精确度，热风炉采用多种不同尺寸的拱顶砖型砌筑;为了拱顶的稳固性，采用相互咬合且层层相扣的耐火砖砌筑。由于燃烧室拱顶最后是支撑在燃烧器的砌筑墙体上，为了拱脚的稳定专门设计特种拱脚砖型结构。燃烧室拱顶最后是支撑在炉壳上并与蓄热室大墙间釆用应力分隔的滑动式迷宫连接，以保证整个燃烧室在运行状态下的稳定，这是热风炉长期安全稳定运行的基础。

　　2.燃烧器特定的结构设计与选材

　　豫兴悬链线顶燃式热风炉的燃烧器采用的是煤气与空气周向交错上喷的环形陶瓷燃烧器结构，其设置在蓄热体大墙与钢壳之间的温度较低的区域(温度约在500-900℃之间)，不会直接受燃烧室高温的影响。燃烧器内温度变化特征一般是在燃烧阶段温度较低而送风阶段温度较高，唯有喷嘴部位是暴露在温度较高的燃烧室区域。应该指出燃烧器本身是多孔与多通道的结构，存在结构应力分布不均，会在温度变化导致的热变形作用下出现结构性损坏。此外，燃烧器作为燃烧室的支撑基础，其结构的稳定性就显得更加重要。因此,从燃烧器整体结构的稳定性上考虑，一定要使用热稳定性高的耐火材料制品。豫兴公司开发的高热稳定性的抗热震砖(HRK),使燃烧器在长期的温差变化下保持结构稳定而不会出现局部或整体的变形与损坏;燃烧器的内墙部位(也是蓄热室内墙)是釆用红柱石高铝砖(上部)和硅砖(下部)来砌筑，因其耐高温、抗热震、高承压的特性使该部位能在高温下保持结构稳定，这对处于较低温度区域的燃烧器本体结构的稳定也是至关重要的。

　　燃烧器环道墙体也是由带凸凹槽的砖砌筑，这就使得砖体的局部收缩与膨胀在凸凹槽作用下可形成整体的收缩与膨胀，有效防止燃烧器中出现较大的局部应力，特别是空气与煤气环道及喷嘴等结构应力集中的部位。为了防止煤气环道与空气环道之间可能出现的串风现象，在相关砖层中铺设不锈钢隔板，以最大限度地保证煤气通道的使用安全。

　　3.蓄热室大墙结构设计与选材

　　基于蓄热体大墙的工作环境与本身结构，其墙体的温度变化范围从上到下是比较大的，因而对耐火材料材质的要求也各不相同。同时，燃烧室与燃烧器的质量是支撑在炉壳的钢结构上，蓄热室大墙的荷重主要是自身的质量及相关的热应力。因此，在满足蓄热体自身承重要求和热应力承受能力的前提下，对蓄热体的内层砖从上到下分别采用：高温抗粘附砖(GZF-95)、红柱石砖(HRL-65)、红柱石粘土砖(HRN -45) 其厚均为230mm;之外的各砌筑层从上到下均釆用轻质硅砖(GGR-1.0)厚230mm、轻质粘土砖(NG-0.8)厚230mm、耐火纤维棉厚50mm、隔热喷涂料厚50mm。经计算，炉身及托圈部位炉壳温度最大值为80℃左右;炉身下部炉壳温度最大值为50℃以下。这样的安排与传统设计比较，其承载能力和保温性能上均有突出的优势。

　　4.格子砖结构设计与选材

　　为了保证热风炉足够的换热面积与蓄热能力，蓄热体采用格孔互通的锥孔格子砖、其孔径在25 mm左右，孔间距比S/d在1.62、单块高度100-120mm完整孔数19个。格子砖的材质从上到下按温度高低分为不同的三段，其材质分别是：硅质格子砖GZF-95、红柱石砖HRL-65、与红柱石粘土砖HRN -45。

　　5.炉壳的设计及材料选择和高温段炉壳焊缝应力消除。

　　热风炉炉壳的稳定性是影响热风炉稳定长寿的重要因素之一，炉壳焊缝网状开裂是制约我国大型热风炉寿命的常见因素，为了保证炉壳的稳定长寿必须准确计算炉壳尺寸并选择合适的材料。热风炉设计的送风压力一般为4-5公斤，依据炉壳直径计算在1200-1300℃高风温工况下运行时，燃烧室炉壳直径最大、需要承受的压力达到每平方米3000-6000吨之多;因此热风炉的炉壳不仅是一个承受重力的结构，更是一个大压力容器，必须依据压力容器的标准来计算炉壳的几何尺寸及厚度。如果按照一般经验公式计算，山西通才热风炉锥段部位设计值比豫兴公司按照压力容器计算的设计值少20%-40%，这将导致炉壳过薄无法达到预期的使用寿命，因此必须要正确设定编制计算软件、精准计算炉壳尺寸。此外炉壳钢材是影响炉壳焊接缝质量的关键因素之一，豫兴公司使用S、P含量更小的Q345R钢材，相比现行热风炉使用的Q345C钢材有效增强了炉壳的焊缝强度，避免了焊缝热脆现象的发生，增强了炉壳整体的稳定性和安全性。上部高温段炉壳焊接时，焊缝采用专用应力消除振动设备消除应力，效果较好，至今无一个焊缝开裂。

　　6.热风管内砌砖的结构设计及其与燃烧室的连接

　　热风管的内砌砖采用结构稳定且耐高温的红柱石刚玉砖(HRG-75),为了在管路应力变形较大的条件下保持结构的稳定，通常采用带有径向子母扣和轴向“Z”字形的异型砖结构。这样，无论在受到纵向还是径向应力作用下发生变形时，热风管的砌体都能通过相对的滑移来消除作用在其上的内应力，且不破坏其密封性和砌体构件的完整性。

　　热风管道在输送高风温过程中的稳定更重要，在我国大小高炉热风炉管道都不同程度的出现过三岔口、热风出口掉砖、塌陷、椭圆，管口发红等影响高风温安全输送问题，因此，改造优化三岔口、热风出口的结构，适应高风温已经迫在眉睫。豫兴悬链线顶燃式热风炉就对三岔口结构进行了优化，釆取里一系列措施，整个管道釆用Z字型密封结构，使管道在自由膨胀自由收缩情况下，保证不漏风、管道不发红。使得三岔口完全能在1250 -1300℃之间寿命与炉体同步。

　　热风管与燃烧室连接处的结构设计对热风炉的燃烧室、热风管道以及热风阀的安全稳定运行至关重要的，不合理的设计会在金属炉壳和耐材结构的载荷应力与热应力的相互作用下破坏热风管内与燃烧室墙壁间的砖砌体以及安装在热风管上的热风阀，进而影响热风炉整体使用年限。因此，豫兴悬链线顶燃式热风炉设计釆用两环砖或一环半砖之外再砌筑组合砖的结构，使内环砖在保留一定环缝后与热风管相连接，外环砖成为燃烧室墙体的一部分，外环砖外再砌筑组合砖。同时，热风管道在一个范围内都采用重质砖砌筑，这样就能在炉壳热胀向上位移和燃烧室砖砌体因热缩向下位移时有效地吸收或抵抗连接处的各种应力，而不至于造成严重损坏而引起拱顶受损的后果。此外，热风阀不能紧接着安装在热风炉的热风出口处，一则受炉膛辐射始终处于高温状态，再则易于受到热风管与燃烧室炉墙内应力不平衡的影响而造成热风泄露以至于局部受损，最终影响热风炉正常运行。对于煤气与助燃空气入口管，也在一定程度上存在结构应力问题，其与燃烧器的连接也应釆取相应的技术措施。

　　7.燃烧室与蓄热室间的迷宫连接方式

　　由于燃烧室长期处于高温环境，且温度变化比较小，因而周期性体积变化比较小。但是蓄热室却不同，虽然周期性的温度变化不大，但长筒状的结构(高、径之比值较大)而使温差改变引起的高度方向的砖绝对热胀冷缩的变化量就较大。为了保证整个炉体结构的稳定与安全，必须将燃烧室结构与蓄热室结构分开支撑，使相互间没有大的作用力。燃烧室支撑在热风炉的外钢壳之上，而蓄热室落座在热风炉基础上，相互之间采用迷宫滑移缝的方式连接。这样，燃烧室与蓄热室各自的膨胀与收缩都是自由的，相互间没有明显的作用力。由于燃烧室不与蓄热室关联，在高度上的变化就比较小，其相对的稳定就不会给连接的管道带来附加应力。

　　(二)热风炉本体的耐火材料选择

　　前面已经指出，燃烧器与燃烧室主要由(红柱石-65)砖、抗热震(HRK)砖、红柱石粘土(HRN-45)砖, 以及相应的轻质砖综合砌筑而成。而为了保证热风炉本体、拱顶燃烧室和环形燃烧器的机构稳定性和质量，其耐材主要由豫兴公司生产并提供，其主要性能见表3及表4。

表4 通才1860m³高炉热风炉材料表

本表为一座估量

四、小结

　　山西通才1860m³高炉配套的豫兴悬链线顶燃式热风炉通过合理设计炉型结构，采用悬链线拱顶结构、布置于拱顶基脚的环形燃烧器结构和格孔互通的锥孔格子砖技术及其他连接砌筑技术，有效分散了热风炉各结构件内部及相互之间的热应力，使热风炉具有了长寿稳定的基础;通过合理选择和搭配耐火材料有效保了证热风炉使用寿命内的安全稳定。其在满足日均1300℃送风风温的高温条件下安全稳定运行了6年10个月，经入炉检查未发现较严重的炉体及重要结构件损坏现象，证明了豫兴悬链线顶燃式热风炉所具有的高温长寿特性，为进一步优化热风炉设计、积累国内1300℃高温热风炉应用经验提供了良好的现实依据。