浅析热风炉炉顶内衬结构形式

浅析热风炉炉顶内衬结构形式(鞍钢修建公司)摘要：热风炉炉顶是热风炉的关键部位，关系到热风炉寿命。炉顶内衬结构是热风炉类型的重要特征，决定热风炉炉型和炉衬寿命长短。本文总结了目前热风炉炉顶内衬结构及其耐材砌筑方式。对多种炉顶结构进行分析比较，供技术改造高炉选择热风炉类型时借鉴参考。关键词：热风炉炉顶内衬高温长寿1引言热风炉是高炉的主要热工设备，每座高炉一般配置3～4座热风炉。目前主要有外燃式、内燃式、顶燃式、球式等几种类型。据资料介绍，曾对国内133座高炉的441座热风炉进行调查：配置4座热风炉的高炉有42座，占调查高炉总数的31.58%；配置3座热风炉的高炉有91座，占调查高炉总数的68.42%。热风炉炉型采用外燃式的有63座，占调查热风炉总数的14.29%；采用内燃式的有303座，占调查热风炉总数的68.7%；顶燃式62座，占调查热风炉总数的14.06%；球式13座，占调查热风炉总数的2.94%。全国数以千计的热风炉，除小型高炉采用球式外，大多数都采用不同类型的外燃式、内燃式、顶燃式热风炉。高炉高产长寿要求热风炉高温长寿，热风炉炉顶内衬结构是热风炉高温长寿的关键部位之一。关系到炉顶结构的稳定性和热工制度的合理性，并有利于气体的流动。设计炉顶的最佳结构，选择优质耐火材料是实现热风炉高温长寿的关键。2炉顶内衬结构形式热风炉炉顶内衬结构型式外燃式有马琴型、地得型和新日铁型；内燃式有半球型、园锥型、悬链线型；顶燃式多为半球型拱顶；球式亦有半球型、园锥型拱顶。2.1外燃式热风炉炉顶2.1.1马琴型拱顶马琴型炉顶结构的特点是拱顶对称性好，炉顶结构稳定，有利于气体流动，这种炉顶结构，由于蓄热室和燃烧室直径不同，蓄热室采用缩口形式，自下而上直径逐渐缩小，过渡到和燃烧室等径。缩口是一个上小下大的环形空心圆锥台砌体。鞍钢6号高炉马琴型外燃式热风炉缩口的锥角为62°58＇。这种炉型在某种程度上能使气流在蓄热室内更合理分布。燃烧室建筑在15m高架平台上，采用陶瓷燃烧器。1976年投产以来，热风温度大幅度提高，热风炉运行26年后，2002年风温还保持在1050～1100℃，经济效果甚佳，炉型设计基本合理。马琴型炉顶，两室中心距为6800mm，两室球顶等径(R=2075mm)。炉顶由两室的各四分之一球顶和等径的半圆形通道碹连接而成。炉顶衬砖分别坐在燃烧室和蓄热室缩口上部呈环形的箱形梁上，因此炉顶衬砖全部重量通过环形梁坐在炉壳上。炉顶内衬采用的是高密度异型硅砖，由400mm硅砖、230mm轻质高铝砖或轻质硅砖和113mm珍珠岩砖砌成。为使四分之一球顶和半圆形拱顶有足够的强度，吸取了本钢地得型外燃式热风炉砌筑经验，在与拱脚砖水平线成30°角的拱顶砖与炉壳间用坚硬致密的粘土砖砌实，靠炉壳衬40mm厚的石棉板。而在其以上拱顶绝热砖砌体与炉壳间，则填充水渣绝热填料。2.1.2地得型拱顶本钢、安钢、济钢的地得型外燃式热风炉，是新型高温热风炉。本钢外燃式地得型热风炉的燃烧室建筑在8m高架平台上，而且在燃烧室钢壳上部设有三段波纹补偿膨胀圈，膨胀圈和炉壳是整体，只受纵向负荷作用。由于蓄热室和燃烧室不等径，两室连接采用变径过渡喇叭碹，即非对称扩散型连接两室不等径球顶。炉顶拱顶结构则由燃烧室、蓄热室上部各1/4球顶以及和它们相切(实际和切点相差15.47°)的不等径半圆锥形拱顶(喇叭碹)组成。拱脚砖处安设有钢箍，整个拱顶重量全部坐在钢箍和箱形梁上。由于整个拱顶罩在蓄热室和燃烧室炉墙外边，而不坐在炉墙上，这就要求拱脚下大墙和蓄热室、燃烧室炉墙之间既能上下膨胀滑动，又能密封良好。蓄热室和燃烧室的中心距为7025mm，两室球顶半径比为4045/2170=1.86。由于两室球顶半径差值较大，过渡喇叭碹跨度也较大。中心合门处每环5块砖采用吊挂砌筑，用特制的直径为26mm的销子砖，将中心5块拱碹砖串起，成为一个整体，并垂直于喇叭碹中心线，以防砖环扭曲和合门不当致使砖环塌落。炉顶内衬由450mm异型高铝砖、113mm轻质粘土砖和113mm硅藻土砖砌成。砌体与炉顶钢壳间填充水渣绝热填料。2.1.3新日铁型拱顶新日铁型外燃式拱顶是一种新型炉顶结构。鞍钢7号、10号高炉和上海宝山钢铁总厂1、2、3号高炉都分别建有四座新日铁型外燃式热风炉。鞍钢7号高炉新日铁型外燃式热风炉燃烧室建筑在12m高架平台上。燃烧室球顶和蓄热室球顶用连接管连接，并在连接管上设置有特制的三段波纹补偿膨胀圈。两室中心距为12150mm，蓄热室缩口和马琴型相同，蓄热室直径由8000mm逐渐缩小过渡到与燃烧室等径3500mm。缩口环形圆锥的锥角为63°36＇。球顶、连接管、缩口均用异型高铝砖砌筑，这种炉型炉顶连接管及相关砖砖型复杂，砌筑难度较大。鞍钢7号高炉外燃式热风炉炉顶内衬由400mm高铝砖、230mm轻质粘土砖和113mm硅藻土砖砌成。热风炉全高55.7m，上部高温区采用高铝砖内衬，使用高强度磷酸盐泥浆，陶瓷燃烧器采用磷酸盐混凝土预制块。热风炉自1977年投产以来，除炉顶连接管、拱顶相关砖更换及其他部位少量检修外，其余各部位内衬侵蚀甚微。热风炉全部使用高炉煤气烧炉，采用交叉并联操作制度，1978年6月，平均风温就达到1130℃。2002年风温还保持在1090～1100℃。实践表明，外燃式新日铁型热风炉炉型设计合理。2.2内燃式热风炉炉顶2.2.1半球型拱顶半球形拱顶是内燃式热风炉炉顶的主要结构型式。半球型拱顶属弹性拱顶结构，承受一定的压应力，但不具备抗拉、抗弯性能。炉顶结构分为普通半球拱顶和加厚型半球拱顶(或称加厚型大帽子)。两种结构除拱脚下大墙厚度和炉壳钢结构直径不同外，球顶本身形状相同，砖型相似，同一球顶相邻砖环的砖型几何尺寸相似，具有同一相似准数。通常球顶半径与热风炉半径相等，拱顶曲面各点的曲率半径恒等于热风炉半径。但是，有的热风炉为加厚拱顶的砌砖厚度，或增大炉顶内衬砌体与炉顶钢壳之间的间隙，常见在拱脚下将炉墙加厚，炉墙逐层探台使热风炉半径逐渐过渡缩小，趋于和炉顶半径等径。鞍钢1000m3级高炉热风炉球顶内径R3185mm，内衬球顶的球心和炉顶钢壳的球心，纵向高度相差约500mm左右，使其内衬球顶顶部在热态下有充分的膨胀余地，不致于由于内衬膨胀而挤压顶部钢壳。半球形拱顶的显著优点是高温稳定性好。为减少炉壳承受的水平分力作用，在拱脚砖后安有一个环形钢箍，钢箍和炉壳不连接，在热态下钢箍随球顶拱脚砖向上膨胀。炉顶内衬直接坐在蓄热室大墙上，内衬通常由450mm高铝砖或粘土砖、230mm轻质粘土砖、115～230mm硅藻土砖砌成。衬砖与炉顶钢壳间有230～450mm的绝热填料层。2.2.2园锥型拱顶园锥型拱顶由空心园锥台和球冠组成。鞍钢9号高炉热风炉圆锥台的倾角为60°，顶部球冠圆心角为120°，球冠弦长3594mm，约为热风炉钢壳直径的1/3；圆锥台斜边长2396mm，为热风炉直径的1/3；拱顶全高4845mm，其中圆锥台高度3807mm，球冠高度(突起)1038mm，整个拱顶高度约为热风炉直径的7/10(0.7d炉）。锥角的大小应以有利于气体流动、热工性能的合理性和尽量减少拱顶砖对箱形梁的侧压力来设计，以确保结构的稳定性。拱顶通过拱脚下部大墙坐在箱形梁托砖盘上，全部重量通过箱形梁传到炉壳上，传至基础。锥形拱顶的空心圆锥台是一个上小下大的环形砌体，自下而上呈缩口形式，缩口下沿有环形钢箍，钢箍直径为9900mm，高度为230mm。圆锥台缩口、球冠均采用高铝质异型砖砌筑。缩口圆锥内衬砖层厚度为：高铝砖460mm、轻质粘土砖230mm、硅藻土砖230mm、绝热填料层125mm。而球冠内衬则是由400mm高铝砖、230mm轻质粘土砖、230mm硅藻土砖及61mm硅酸铝纤维绝热板组成。2.2.3悬链线形拱顶热风炉拱顶形状为悬链线形，荷兰最早设计的霍戈文热风炉，现为DANIELICORUSEUROPEBV公司设计。炉顶炉壳直接支撑耐材，依靠拱顶自身重量和拱顶砌体之间的锁紧结构，使拱顶处于整体压紧状态，消除向外的推力，改善了砌体受力条件，增强了结构的稳定性。稳定性好，能承受温度和送风压力的变化。悬链线形拱顶具有气体流动和温度场分布合理，有利于改善高温烟气流在蓄热室断面上的均匀分布。悬链线形拱顶在机械稳定性和热应力稳定性以及气体流动方面都优越于其它结构形式拱顶。拱顶与蓄热室、燃烧室炉墙分离脱开，荷载由炉壳承受使两者的膨胀互不影响，从而改善了拱顶内衬砌体的受力状态。因此，悬链线形结构拱顶是内燃式热风炉合理炉顶结构。DCE公司承诺热风炉一代炉役25年，热风温度1200～1250℃±1%。鞍钢新1号高炉热风炉引进悬链线形拱顶关键技术和材料，设计采用1层高密度低蠕变硅质增厚的铰链砖、关节砖，拱顶砖为双楔、双舌槽，增强了拱顶的稳定性和结构强度，使拱顶耐火砖的锥体部分更长，更稳定。炉顶内半径R4037mm，铰链砖水平内径11024mm。拱顶内衬由低蠕变高密度硅质铰链砖、关节砖、拱顶砖343mm，隔热砖IH229mm、IE229mm、隔热浇注料IF60mm砌成。2.3顶燃式热风炉炉顶顶燃式热风炉是将燃烧室置于热风炉顶部，国外称为无燃烧室热风炉。结构特点是完全取消了燃烧室，将燃烧器直接安装在热风炉的拱顶部位，以拱顶空间作为燃烧室。2.3.1顶燃式拱顶顶燃式热风炉的拱顶仍是一个半球形顶，在球顶下部有四个均布的与圆周成切线并向上倾斜25度的燃烧口，如首钢2号高炉顶燃式热风炉。顶燃式热风炉的燃烧器位置有以下几种：一种是安装在拱顶正中心；一种是安装在拱顶下侧面。在侧面，有的使气流与圆周相切成45°角进入拱顶；有的在两侧对称安装两个燃烧口，使气流与圆周相切成60°角进入拱顶；另一种就是首钢那种形式。顶燃式热风炉的拱顶结构是一个重要部位，拱顶结构分普通半球形和加厚型两种。首钢顶燃式热风炉球顶衬砖和蓄热室大墙分离，单独坐在炉壳上的两层拱脚钢架上。拱顶的衬砖和蓄热室大墙衬砖间留有交错式的膨胀缝，缝中填充耐火纤维。为适应拱顶1300～1500℃的温度，拱顶衬砖采用高温性能良好的高密度硅砖，硅砖厚度为345mm，依次是各为230mm的轻质粘土砖和硅藻土砖，最外层则是耐火纤维石棉绝热层。拱顶部分的燃烧口、热风出口的位置和烧嘴的合理结构，对顶燃式热风炉的寿命影响很大。烧嘴的安装必须满足燃烧时火焰短，燃烧器构件寿命长，拱顶表面不受强烈的辐射作用，以及热气流在砖格子内能均匀分布的要求。而热风出口有的从顶部单独引出，有的和燃烧口合二为一，全部阀门控制可集中在炉顶平台或地面操作。2.3.2顶燃式炉型优点顶燃式热风炉与内燃式、外燃式热风炉相比较，具有以下优点：(1)顶燃式热风炉蓄热面积比内燃式增加20%～30%。(2)顶燃式热风炉比外燃式热风炉结构稳定性强，钢壳结构均匀对称，气流分布均匀，传热均匀。(3)顶燃式热风炉短焰燃烧器直接安装在炉顶部位，使高温热量集中在拱顶部位，热损失减少，有利于提高拱顶温度。(4)热效率高，顶燃式热风炉燃烧期高温烟气由上向下流动，烟气流动过程中向蓄热室传热，在高度方向形成了均匀稳定的温度场分布。热风炉送风期，冷风由下向上流动，温度由低变高，这是一种典型的逆向强化换热过程，提高了热效率。首钢2号高炉实测热效率为81%，(5)布置紧凑，占地面积小。在高炉容积相同的条件下，顶燃式热风炉比外燃式热风炉节约钢材30%，节约耐材15%，节约投资20%，特别适合我国钢铁企业现有高炉原地扩容技术改造采用。3炉顶内衬耐火材料炉衬耐火材料是实现热风炉高温长寿的重要条件，因此必须根据热风炉各部位工作状态和耐材破损机理模拟计算，确定砌体各部位温度分布，并按温度分布状况选择各部位砌体组成及耐火材料材质，即与高风温相适应的热工性能良好的优质耐火材料。热风炉上部高温区及拱顶按使用硅质耐火材料设计，硅砖具有高温蠕变率极低，高温热工性能良好等优点，能适应1250～1350℃高风温要求。硅砖的优点在于它的荷重软化变形温度高，荷重软化温度接近其耐火度，高温时有良好的体积稳定性，能长期在高温下工作。当温度高于600℃至接近其熔点条件下，有良好的温度变化稳定性，导热系数大，但热容量小，