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热风炉技术

豫兴公司董事长刘世聚解读如何避免顶燃式热风炉炉壳开裂

发布时间:2019-09-25点击量:73

           豫兴公司董事长刘世聚解读——

         如何避免顶燃式热风炉炉壳开裂?

 

夏杰生

顶燃式热风炉自2003年引进我国发展至今,因其具有炉体低、风温高、占地面积小、投资少、投产快等诸多优点,在我国钢铁市场得到快速发展。行业内新建和产能置换的高炉几乎100%配置为各种顶燃式热风炉。但是,顶燃式热风炉技术也并非完美无瑕,频繁出现热风出口高温损坏、拱顶损坏和炉壳严重开裂,严重影响了风温和企业效益。尤其是近几年来我国几座数千级高炉配套的热风炉炉壳开裂时有发生。例如,投产4个年头的某钢铁公司2号高炉顶燃式热风炉第十五代炉壳及周边焊缝频繁开裂。去年5月,投产不足2年的某钢铁公司1号高炉顶燃式热风炉出现第14、第15、第16、第17带较为严重的炉壳焊缝周边开裂现象,使高压输送高风温热风炉的安全使用存在巨大威胁。


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 创造月均风温1314.7℃中国记录山西通才1860m³高炉豫兴悬链线顶燃式热风炉

                         

 找出了开裂的主要原因

 

今年上半年,在某钢铁公司组织召开的顶燃式热风炉炉壳开裂原因分析交流沟通会上,河南省豫兴热风炉工程技术有限公司(下文简称豫兴公司)专家结合某钢铁企业2号高炉使用4年的顶燃式热风炉和该公司1号高炉顶燃式热风炉结构特点和本公司研究成果,对炉壳开裂现状做了详细的技术分析,提出了关于顶燃式热风炉的优化改进建议,得到了与会专家的认同。

豫兴公司专家在会上公布了针对高风温顶燃式风炉炉壳钢板受压力作用选择的厚度依据国家热风炉设计规范、相应压力容器设计规范、耐火材料结构的设计规范进行了详细的盲板力、热应力分析计算,找出了导致炉壳开裂的综合因素如下:

一是几座高炉配套的热风炉均实现了1250℃~1300℃区间高风温,由于巨大盲板力和耐材热应力集中且受热风炉锥形钢壳结构限制释放受限及设计炉壳厚度不足部位的炉壳焊缝出现开裂;二是炉壳焊缝本身因存在应力而薄弱,从而在应力和盲板力集中作用下导致炉壳开裂。

豫兴公司董事长刘世聚详细诠释了对炉壳开裂的顶燃式热风炉炉壳的厚度进行计算的过程:其计算依据炼铁设计规范和设计行业忽视的压力与炉壳关系的压力容器设计规范。某钢铁企业1号高炉实现1250℃~1300℃高风温的顶燃式热风炉炉,送风压力0.45Mpa,燃烧室炉壳直径13.5m,计算盲板力为6437吨(R²*压力*π),热风炉炉壳分25段,经过综合计算和原来的炉壳设计厚度进行列表对比,其中第14、15、16、17带原炉壳和计算偏差值太大(参见设计值和豫兴计算值对比表),炉壳分别薄了19%~39.3%,计算1带~13带炉壳和计算结果吻合,18带~24带炉壳又超厚 5%~53%。目前,热风炉设计规范采用炉壳直径乘以经验模数确定各对应部位炉壳厚度,没有考虑送风压力。当炉壳超薄时,焊缝处还存在残余应力使抗盲板力和抗耐材热应力能力下降,而恰恰耐火材料膨胀产生的热应力受上小下大炉壳限制和设计吸收热应力能力不足时,巨大的热应力就会对薄弱的炉壳在盲板力的综合作用下频繁运动,导致炉壳焊缝损坏。如果炉壳有足够的厚度,焊缝应力消除又非常到位,炉壳开裂就不会存在,而损坏的是热风出口和拱顶耐材。因此,热风炉炉壳设计超薄,是炉壳开裂的主要因素,而非焊缝应力消除不足造成。

由于顶燃式热风炉锥形拱顶是砌筑在热风出口直段之上的,而锥形拱顶又是上小下大的倒喇叭口结构,直段和锥形拱顶全部采用的是高膨胀的硅砖耐火材料,硅砖的膨胀率为1.25%-1.3%,这样就形成了耐火材料的叠加热应力累积,例如1号大型高炉热风炉直段靠近炉壳部位预留120mm的膨胀棉来调节不可控的炉壳椭圆、砌筑椭圆以及喷涂不规范吸收膨胀,从而可避免膨胀应力损坏炉壳,但顺着直段往上审核设计图,直至锥形拱顶与预燃室迷宫联接处的吸收膨胀、调节炉壳椭圆、调节砌筑不规范和喷涂不规范的膨胀棉仍旧为120mm,热风出口直段下的迷宫至锥形拱顶与预燃室联结处的高度为13.8m,依据耐材产生膨胀率1.25%和1.3%计算,其膨胀量分别为172.5mm和179.4mm,这组数据如果再增加炉壳焊接、砌筑、喷涂以及耐材的膨胀量不规范,其吸收应力和膨胀的纤维棉应预留180mm至230mm。同时由于炉壳厚度偏差导致抗盲板力和热应力强度薄弱,导致炉壳开裂。如果炉壳厚度足够,抗盲板力和热应力的能力足够强,可以是炉壳完好无损不会损坏和出现炉壳开裂,在这种设置状态下损坏的是热风出口,严重者导致热风出口垮塌和锥形拱顶垮塌,这在我国顶燃式热风炉发生率高达90%以上。


豫兴I型热风炉建成投用后【1080m3高炉】卡鲁金热风炉陆续改造进行中.jpg

 首创三段式改豫兴悬链线顶燃式河北澳森1288m³高炉热风炉


提出了解决开裂难题的科学方法

 

豫兴公司专家提出解决上述问题的最好办法,就是消除应力作用,认真审查和计算热应力和炉壳在对应压力作用下的实际设计厚度,还要预留足够调节吸收膨胀空间的膨胀棉。其具体解决方案有下列几种:

一是新建的热风炉采取将锥形拱顶与热风出口直段一分为二,减少叠加热应力的累积,使上小下大锥形炉壳限制的耐材热应力转移至炉壳之上。而炉壳上下联接采用逐渐扩大方式和增加托板以及筋板方式来提高抗环向盲板力强度,是抗盲板力能力成倍增加,同时又能使热风出口之上的砌体热应力能够自由释放,也不受施工、安装、材料、性能综合因素影响,消除了应力、弱化了盲板力,防止热风出口与拱顶组合燃烧室结构的损坏,使炉壳发红、锥形拱顶垮塌等风险降为零。

二是增加炉壳外围的环向加强抱箍,是炉壳抗盲板力得到更大的提高。

三是热风炉是高压容器,设计必须依据压力容器设计规范,精确计算确定炉壳各部位几何尺寸,避免高温下的压力运动对炉壳的损坏。

四是焊接缝处设计好坡口,采用分层焊接技术,防止夹渣于焊缝之间。焊接好后对焊缝要做消除应力处理,避免应力的存在。

五是对于某钢铁公司1号大型高炉顶燃式热风炉,其燃烧室高温高压区域的第14-17带炉壳解决办法;在不停炉条件下对对应的炉壳带新增加一层加固防爆作用的钢板焊接覆盖或者是停炉切割对应炉壳更换为具有抗击6437吨盲板力能力新炉壳(依据0.45Mpa风压和压力容器计算公式),采用那里开裂就补焊那里的方式,没有根本解决薄弱缺陷隐含的安全隐患。也可以降低送风压力、降低风温、避免重大安全事故发生。对于炉壳焊缝应力没有消除而发生开裂的说法,要科学计算验证炉壳焊缝开裂与压力的关系。参照热风炉18-25带以上炉壳的厚度计算值偏厚5%-53%,炉壳焊缝没有任何腐蚀,也没有油漆褪色迹象,也没有任何焊缝开裂或裂纹现象发生,形成鲜明的对比,证明盲板力热应力和炉壳厚度不足相关联。因此,增加一层钢板或更换钢板,降低风温,降低风压,提高防爆抗压安全系数,是至关重要的安全问题。

 

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首创内燃式改豫兴悬链线顶燃式山西建龙1497m³高炉热风炉


合理的改造方案取得良好的改造效果

 

豫兴公司根据顶燃式热风炉燃烧室炉壳开裂原因分析和解决方案,设计时采取上述一、二、三、四项技术措施(参见应力消除和抗盲板力设计示意图),彻底避免了热应力损坏和数千吨盲板力对炉壳和炉体的综合损坏,均取得良好的效果。下列为设计经典案例:

2017年至今,河钢集团乐亭3X3000m³高炉、中铁装备制造3X2500m³高炉、唐山津西钢铁公司2×2000m³高炉、秦皇岛安丰钢铁公司1080m³高炉、内蒙古赤峰远联钢铁公司1350m³高炉、辽宁嘉辰钢铁公司1350m³高炉等钢铁企业均采用了扩大段将热应力转移和强化炉壳抗盲板力技术诀窍的四段式顶燃式热风炉技术。值得一提的是,山西建邦集团通才公司1860m³高炉悬链线顶燃式热风炉 于2012年7月10号投产至今,燃烧器、拱顶、热风出口格子砖完好无损。2012年的10月、11月实现两个月平均高风温1314.7℃,拱顶温度和送风温差小于94℃,氮氧化物排放小于50毫克,各项指标在我国行业至今未被超越,热风炉送风压力为0.45Mpa,热风炉最大炉壳直径10m,炉壳钢板材质选择为Q345R,计算燃烧室盲板力3532吨,使用至今接近8年,没有炉壳焊缝开裂现象发生,也没有像其他顶燃式热风炉出现的炉体损坏现象发生。实践验证豫兴热风炉技术是成熟的,说明豫兴热风炉的热工计算和炉壳设计规范计算是准确的,达到压力高温条件下的安全系数和高风温长期使用环境下的结构是稳定的。

依据豫兴公司提出的建议,某钢铁企业的3号高炉顶燃式热风炉重新进行了的部分优化设计,尽管这些细节技术处理建议微不足道,但也实实在在地可以解决炉壳开裂和热风出口损坏问题,也可以解决迷宫漏风和支撑座承重不稳定问题。这表明豫兴公司持续优化改进顶燃式热风炉稳定长寿节能高效高产高风温方面的突出贡献。

因此,只要顶燃式热风炉的燃烧室结构设计合理、解决好燃烧室结构应力集中缺陷、掌握抗盲板力钢板的设计㎏精度,热风炉结构就稳定,就一定能避免炉壳开裂、热风出口损坏和拱顶垮塌,使顶燃式热风炉在实现节能、长寿、高产、高效、高风温发挥更大的作用。


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 创造拱顶直径12.3米中国记录纵横丰南豫兴悬链线顶燃式热风炉

 

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