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    如何根据高炉热风炉的工作特性选择内衬耐火材

    2019-04-13

    高炉热风炉是高炉的重要附属设备之一,它是一种蓄热式的热交换器,能为高炉的有效操作提供一定温度的热风,也就是说它将鼓入高炉中助焦炭燃烧的空气由常温加热到高 温(约12001350°C),其风量应充足,供给要连续 。因 此,每座高炉一般需配备34 座热风炉,以便加热与送风能交替进行 。

    近来,高炉炼铁技术现代化的内容之一就是采用高风温技术,也是炼铁生产必不可少 的重要条件之一 。所以,无论国外、国内都始终把提高热风炉风温工作摆到重要日程上来 。实践经验证明,热风温度提高,不仅可以降低焦比,而且还能增加铁水量,同时,高风温是高炉喷煤的必要条件 。现场表明:在一定温度范围内,高炉风温每提高100°C,每吨铁可降低焦比1520kg,提高产量3% 。国外不少高炉长期使用的风温均已超过 1200°C 。

    热风炉要达到高风温,除了高炉的操作条件、高温热源、热风炉结构等因 素外,必须要有既能长期承受高温,又能满足热风炉工艺需要的耐火材料作保障 。热风炉用耐火材料 要能经受住高温和高压,高温抗蠕变性好,砖的热容量大,热传导性好,有利于热交换和提高风温 。热风炉用耐火材料的选择主要是由热风温度决定的,当热风温度低于900°C时, 一般选用黏土砖砌筑;当风温髙于900°C时,髙温部位的炉衬和格子砖则采用高铝砖、莫 来石砖、硅线石砖和硅砖等 。

    热风炉内各部位操作条件及破损特征不同,所用耐火材料理化性能的要求也不同 。热 风炉用砖基本上可以分为高温区及中低温区两大部分 。

    髙温区用砖包括:燃烧室上部砖,蓄热室上部格子砖及上部大墙砖,炉顶砖等 。中低 温用砖区包括:燃烧室中下部砖,蓄热室中下部格子砖及中下部大墙砖,各出口用砖等 。

    中低温区用砖量大,占全部热风炉内用砖量的三分之二左右,这部分可用比较致密的 黏土砖或高铝砖 。高温区因 生产操作及风温水平的差异,对耐火砖理化性能的要求也有所 区别 。如对炉顶砖的热稳定性应特别重视,以防止因 温度急变而剥落或断砖堵死格孔;燃 烧室及蓄热室上部要求有较高的高温结构强度,较低的重烧线收缩,良好的抗渣性等,以 防止燃烧室的高温变形、倾斜及格子砖的沉陷、格孔错乱等 。对格子砖还要求热传导性 好,热容量大,吸热和放热都比较快 。这些要求应根据热风炉的风温水平而定 。

    热风炉在工作时,炉衬受到热交换过程中温度急剧变换的作用,高炉煤气带入灰尘 的化学侵蚀作用,机械荷载作用,燃烧气体的冲刷作用等 。热风炉炉衬的损毁原因 主要有:

    (1) 热应力 作用 。热风炉在加热时,燃烧室的温度很高,炉顶温度可达到1500 1560°C,从炉顶沿炉墙和格子砖向下,温度逐渐降低;送风时,高速冷风从蓄热室底部吹 进,并逐渐被加热 。由于热风炉不停的加热送风、热风炉炉衬和格子砖经常处于急冷急热 变化之中,砌体出现裂纹、开裂和剥落 。

    (2) 化学侵蚀作用 。煤气和助燃空气中含有一定数量的碱性氧化物,燃烧后的灰分中 含有20%的氧化铁、20%氧化锌和10%的碱性氧化物,这些物质的绝大部分是排出炉外的,但少数成分粘附在砌体表面,并向砖体内渗透 。日积月累,从而导致砖衬组织受损,发生龟裂,强度降低 。

    (3) 机械荷载作用 。热风炉是一种较高的构筑物,其高度一般在3550m之间 。蓄热室格子砖下部承受的最大静荷重达0.8MPa,燃烧室下部承受的静荷重也较高,在机械荷重和高温作用下,砌砖体发生收缩变形和产生裂纹,影响了热风炉的使用寿命 。

    (4) 压力 作用 。热风炉周期性地进行燃烧和送风,燃烧期内处于低压状态,送风期处 于高压状态 。传统的大墙和拱顶结构,其拱顶与炉壳间留有较大的空间,大墙与炉壳设置 的填料层在长期高温作用下收缩及自然压实后也留下一定的空间 。由于这些空间的存在, 受高压气体的压力 作用,砌体承受了很大的向外推力 ,易造成砌体倾斜、开裂和松动,然后砌体外的空间周期性地通过砖缝进行充压和卸压,进而加剧对砌体的破坏 。

    热风炉用耐火材料的作用是隔热和承受高温荷载,故确定各部位用炉衬材料的材质和 厚度时,应根据砌体所承受的温度、负荷和隔热的要求,以及烟气对砌体的物理、化学作用等条件而定 。

    西欧国家热风炉炉顶、炉墙和格子砖上部,普遍采用硅砖砌筑;热风炉的中、下部炉 墙和格子砖,则分别采用高铝砖和黏土砖 。俄罗斯高炉热风炉的传统材质为:炉顶和上部 砌体采用ω (Al203)为62%72%的髙铝砖砌筑,中下部砌体则用ω (Al203)为38% 的黏土砖;最近,热风炉的风温显著提高,因 此炉顶和上部67m高的部位一般采用低 膨胀性硅砖砌筑,其余部位根据温度的不同,分别采用莫来石砖、刚玉砖、高岭土砖和黏 土砖 。

    日本热风炉根据不同的使用部位,选用了不同品种和牌号的耐火砖,做到物尽其用, 同时,要充分考虑耐火砖的高温蠕变性能,以便在长期工作中,确保生产安全 。

    热风炉炉顶是热风炉内的高温区,炉顶部位的耐火材料,特别是直接与热空气和热烟气接触的砌砖层,必须要具有良好的抗热震性和抗蠕变性 。一般采用硅砖或低蠕变高铝砖,隔热层则为黏土隔热砖 。选用隔热材料时,应特别注意工作的热面温度应不高于其允 许使用温度 。

    热风炉大墙即热风炉炉体围墙,其炉衬包括工作层耐火砖、隔热层轻质砖和填料 。大 墙的上部承受较高的温度,中下部承受的风温较低 。大墙上部工作层一般采用低蠕变高铝砖或硅砖,大墙中下部一般采用高铝砖和黏土砖 。隔热层,一般根据不同部位采用不同等级的隔热砖、耐火陶瓷纤维或填料 。

    热风炉隔墙是将燃烧室和蓄热室分隔开来的耐火墙 。隔墙与炉顶不能完全砌死相互抵触,要留有一定的膨胀缝(200250mm),为使气流分布均匀,隔墙要比蓄热室格子砖高400700mm 。隔墙的下部,两侧温差很大,热膨胀的差值也很大,使隔墙砌体不断产生弯曲而出现裂缝 。隔墙的上部一般采用低蠕变高铝砖或硅砖,中下部一般采用高铝砖和黏土砖 。

    燃烧器是用来将煤气和空气混合并送进燃烧室燃烧的设备 。就材质来讲,有金属(机械)燃烧器和陶瓷燃烧器 。目前多采用陶瓷燃烧器 。

    送风期,陶瓷燃烧器上表面温度略低于风温;燃烧期,稍高于空气、煤气入燃烧器前 温度,因 此,在一个周期里燃烧器上部温差很大,特别是在换炉瞬间,燃烧器上部温升 (或降)特别迅速 。为了保证燃烧器砌筑体的气密性、整体性和使用寿命,要求耐火材料的线膨胀系数小、抗蠕变性好 。20世纪80年代以前,我国陶瓷燃烧器几乎都用高铝质磷 酸耐火浇注料或矾土耐火浇注料预制件,经过20多年生产实践,这种材质对中、小高炉热风炉和风温1100°C左右的陶瓷燃烧器是适用的 。在使用高铝质磷酸盐耐火浇注料时, 砌筑前应烘烤到600°C左右,以防止在安装和使用中预制体开裂 。进入90年代以后,由于热风炉大型化和高风温的要求,现在多采用高铝堇青石耐火材料,少数陶瓷燃烧器用莫来石堇青石材料,陶瓷燃烧器下部,除少数用硅线石材料外,几乎都用高铝或黏土耐火材料 。

    蓄热室高温区域格子砖最主要的要求是具有较好的高温体积稳定性、耐侵蚀性以及抗蠕变性能,硅砖正好具备这些方面的特性且价格便宜,因 此在国内外高风温热风炉上得到广泛的应用 。根据国内的具体情况,当热风炉炉顶设计温度不小于 1400°C,在高炉燃料燃烧好、操作水平高的前提下,热风炉高温区优先选用的耐火材料应是硅砖,同时对硅砖的残余石英必须控制在不大于2% 。采用硅砖的热风炉 需要注意必须仔细确定其硅砖使用的下限,并在此设置可靠的温度检测装置,保证在生产操作(包括休风停炉)过程中硅砖最低使用温度不低于800°C 。当热风炉炉顶设计温度不高于1400°C时,采用低蠕变、高密度的高铝质耐火材料更适合我国的实际,并可充分利用我国丰富的铝矾土资源 。目前,国外高铝质耐火材料的抗蠕变指标已达到较优的水平,如荷兰霍戈文的HD砖在1350°C,0. 2MPa,50h条件下, 其蠕变率不大于0.2%;日本品川的AC-8M砖指标1300°C,0.2MPa,50h蠕变率 不大于0. 2%;目前我国高铝质耐火材料的蠕变率指标在相应条件下均为不大于 1%,同世界先进水平相比还有较大的差距,同时鉴于我国生产低蠕变高铝砖的现状,在严格考核砖的蠕变指标的同时还必须控制制品所含杂质,特别是碱金属与碱土金属的含量 。

    对蓄热室中、下部格子砖,通常采用高铝质和黏土质耐火材料 。随着大型热风炉蓄热室高度的增加,上部格子砖对下部耐材的压力 也越来越大,另外,根据国外对大型高温热风炉格子砖的破损调查,下部格子砖因 周期温度波动引起格子砖的龟裂、破碎的现象在不断增加,因 此对下部黏土砖除必须继续控制其蠕变特性外,对制品常温耐压强度、热震稳 定性次数(耐急冷急热性)提出了更高的要求 。

    球式热风炉的蓄热室中釆用耐火球代替格子砖 。用耐火球代替格子砖的球式热风炉, 在小型高炉有应用 。耐火球拥有热表面积大、热容量大、热交换面积大、风温高等优越的热工特性 。在高温区选用的耐火球材质常见的是高铝质耐火材料,低温区选用黏土质耐火材料 。

    热风炉孔口较多,工作条件十分恶劣,因 而孔口的砌体寿命在其整体结构中往往是薄弱环节 。为了提高其寿命,人们想方设法从各方面提高其整体性、稳定性及所用耐材的高 温特性 。组合砖技术就是集这几方面措施为一体的一项综合技术 。组合砖技术在国外应用 较广泛,我国自宝钢引进该技术后也迅速得到推广并广泛应用 。

    为了降低热风炉炉壳及各种管道的表面温度,以延长其使用寿命和减少热损失,目 前,大多数热风炉都采用了多种材质的耐火喷涂料 。

    如宝钢4座4000m3级高炉,在热风炉燃烧室、蓄热室球顶部和联络管部位喷涂了耐酸质喷涂料(厚度为5070mm),燃烧室直筒部位及蓄热室中部喷涂了中重质 喷涂料,厚度为4577mm;蓄热室下部喷涂矿渣棉材料,厚 4651mm;唐钢1260m3高炉的热风炉高温区喷涂了耐酸涂料,厚65mm;中 低温区喷涂了涂料,厚度为50mm;马钢2500m3高炉热风炉也采用了先进的喷 涂技术和喷涂料,其中热风炉球项为130耐酸喷涂料,其他部位为普通喷涂料 。

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