頂燃式熱風(fēng)爐技術(shù)有著內(nèi)燃與外燃式熱風(fēng)爐無可比擬的優(yōu)點，最早于20世紀(jì)70年代末在首鋼2號高爐（1327m3）上成功應(yīng)用，即首鋼大帽子頂燃式熱風(fēng)爐。2002年，卡魯金小帽子頂燃式熱風(fēng)爐技術(shù)進(jìn)入我國，該技術(shù)在國內(nèi)才得到了大力推廣。近年來，各鋼鐵企業(yè)230m3至5500m3高爐新建或改造項目絕大多數(shù)采用小帽子頂燃熱風(fēng)爐技術(shù)。但隨著實踐的檢驗，該技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計上的一些缺陷也逐漸顯現(xiàn)出來。本文僅針對熱風(fēng)管道損壞的原因進(jìn)行剖析并提出相應(yīng)對策。一、頂燃式熱風(fēng)爐熱風(fēng)管道的特點小帽子頂燃式熱風(fēng)爐幾乎全部采用一列式布置方式（圖1），熱風(fēng)管道由熱風(fēng)支管、熱風(fēng)主管（平臺管）、熱風(fēng)豎管、倒流休風(fēng)管、混風(fēng)管、熱風(fēng)橋管、熱風(fēng)圍管組成，主要損壞部位主要為熱風(fēng)支管、熱風(fēng)主管（平臺管）和熱風(fēng)主管與支管三岔口。熱風(fēng)管道是實現(xiàn)高溫?zé)犸L(fēng)輸送的關(guān)鍵裝置，其介質(zhì)溫度最高可達(dá)1300℃以上，介質(zhì)壓力大于0.3MPa，對此管道內(nèi)部耐火材料及管道鋼殼會受熱膨脹，整個熱風(fēng)管道會產(chǎn)生巨大的盲板力，在三岔口、補(bǔ)償器等結(jié)構(gòu)復(fù)雜或預(yù)留膨脹縫的薄弱部位容易竄風(fēng)。頂燃式熱風(fēng)爐的熱風(fēng)爐底部和熱風(fēng)豎管為固定式設(shè)置，熱風(fēng)爐爐體受熱軸向和徑向膨脹，熱風(fēng)支管與熱風(fēng)爐處于垂直相連的狀態(tài)，在熱風(fēng)爐升溫后，伴隨熱風(fēng)爐工作狀態(tài)的交替（送風(fēng)-燃燒，燃燒-送風(fēng)），則熱風(fēng)支管上所設(shè)波紋補(bǔ)償器需同時吸收支管的橫向位移和由于熱風(fēng)爐爐體受熱對其產(chǎn)生的縱向位移。熱風(fēng)支管內(nèi)部耐火材料無法吸收補(bǔ)波紋償器發(fā)生的橫向和縱向位移，工作層耐火材料結(jié)構(gòu)失穩(wěn)竄風(fēng)，燒毀輕質(zhì)隔熱磚和熱風(fēng)支管復(fù)式補(bǔ)償器造成熱風(fēng)支管損壞。熱風(fēng)管道的主/支管三岔口、主/圍管三岔口由于是管道銜接的地方，傳統(tǒng)砌筑過程中，在主管與支管（或圍管）連接處有一條環(huán)形通縫及諸多三角縫，管道工作期間受到盲板力、炙熱氣流的剪切力、激振流的沖刷，送風(fēng)與休風(fēng)時的熱脹冷縮等作用，造成三岔口組合磚的快速破損，進(jìn)而發(fā)生竄風(fēng)造成鋼殼過熱發(fā)紅。熱風(fēng)管道采用普通“齊頭磚“設(shè)計，前后環(huán)管道磚密封性和咬合能力差，造成管道竄風(fēng)和掉磚。4、熱風(fēng)管道膨脹縫留設(shè)不科學(xué)熱風(fēng)管道膨脹縫留設(shè)未對特定溫度下熱風(fēng)管道耐火磚膨脹系數(shù)做出準(zhǔn)確計算。一般都按經(jīng)驗預(yù)留，膨脹縫小了耐火磚被擠碎、掉磚；膨脹縫大了熱風(fēng)竄入燒毀輕質(zhì)隔熱磚，引起爐殼發(fā)紅。熱風(fēng)爐設(shè)計通常都考慮了熱風(fēng)管道受熱膨脹帶來的影響，在熱風(fēng)管道上設(shè)置了波紋管補(bǔ)償器，但忽視了管道盲板力可能帶來的影響，熱風(fēng)支管和總管沒有配套設(shè)計拉桿裝置。三、解決熱風(fēng)管道損壞相應(yīng)對策1、采用熱風(fēng)支管“關(guān)節(jié)管”技術(shù)熱風(fēng)爐在送風(fēng)與燃燒交替進(jìn)行時，熱風(fēng)爐本體和熱風(fēng)支管受壓力和溫度變化處于不同的工作狀態(tài)。熱風(fēng)支管處采用“關(guān)節(jié)管”組合磚技術(shù)，通過“關(guān)節(jié)管”組合磚的小角度位移，吸收熱風(fēng)支管兩端不均勻的縱向膨脹，減小熱風(fēng)支管內(nèi)部耐火材料的損壞。熱風(fēng)爐一列式布置更改為矩形或三角形對稱布置，熱風(fēng)支管直接連接熱風(fēng)爐熱風(fēng)出口與熱風(fēng)豎管（圖2）。
A四座熱風(fēng)爐對稱布置示意圖 B三座熱風(fēng)爐對稱布置示意圖
該布置方式不僅可縮小熱風(fēng)支管兩端不均勻的縱向位移，解決不同爐號熱風(fēng)爐送風(fēng)帶來的熱風(fēng)管道周期性膨脹收縮問題，還減小了一列式熱風(fēng)爐布置方式盲板力帶來的不利影響。此外，該布置方式取消了熱風(fēng)主管（平臺管）和熱風(fēng)管道框架結(jié)構(gòu)，不僅提高了熱風(fēng)爐系統(tǒng)熱效率，還降低了投資。經(jīng)測算，熱風(fēng)爐對稱性布置較一列式布置熱風(fēng)爐系統(tǒng)投資降低10%以上。3、熱風(fēng)管道耐火磚采用“Z字形”結(jié)構(gòu)設(shè)計熱風(fēng)管道耐火磚采用“Z字形”設(shè)計，可以起到很好的環(huán)向密封氣流作用，單磚拐折處環(huán)環(huán)相扣、相互支撐，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。4、熱風(fēng)主管與支管三岔口采用澆注+組合磚技術(shù)熱風(fēng)管道三岔口下半環(huán)采用組合磚砌筑，上半環(huán)采用高強(qiáng)耐磨澆注料整體澆注。磚的材質(zhì)與澆注料的材質(zhì)保持同步，保證磚和澆注料的熱穩(wěn)定性、導(dǎo)熱能力相同。此種結(jié)構(gòu)管道銜接處強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性好，杜絕三岔口變形、開裂、掉磚，也同時避免施工難的問題。5、熱風(fēng)管道耐材設(shè)計與管殼鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計相輔相成根據(jù)熱風(fēng)管道不同部位使用工況和實測耐火磚線膨脹系數(shù)，磚襯設(shè)計時按照管道圓周方向溫度梯度合理配置耐材、預(yù)留膨脹縫，并對膨脹縫、波紋補(bǔ)償器、三岔口等處的耐材結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行局部特殊處理，如采用導(dǎo)流磚、迷宮式膨脹縫等，保證管道結(jié)構(gòu)密封性。波紋補(bǔ)償器配套大拉桿設(shè)計，設(shè)置端部波紋管補(bǔ)償器和相應(yīng)的拉桿裝置可以消除盲板力對于拉桿覆蓋范圍內(nèi)的管道系統(tǒng)的影響。
綜上所述，鄭州安耐克實業(yè)有限公司通過設(shè)計基于應(yīng)力和應(yīng)變分析的熱風(fēng)管道膨脹及拉緊裝置，保證熱風(fēng)管道系統(tǒng)既能夠承受很大軸向變形，又能夠承受頂燃式熱風(fēng)爐特有的熱風(fēng)管道徑向變形，解決熱風(fēng)管道熱應(yīng)力與結(jié)構(gòu)應(yīng)力如何分布、承受與消除的問題，并配合三岔口組合磚與膨脹節(jié)設(shè)計徹底杜絕了熱風(fēng)管道內(nèi)襯磚出現(xiàn)變形、掉磚問題，為高爐高風(fēng)溫穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠保障。
