高炉热风炉大拱顶耐火砖吊砌改平砌实践

吴秀荣，欧阳鹏，蒋福军，蓝涛涛，李汇

（十一冶集团公司工程技术有限公司，广西 柳州 545002）

关键字：热风炉；大拱顶；塌砖；平砌

1 前言

高炉热风炉是炼铁厂高炉主要配套的设备之一，一般一座高炉配3～4座热风炉，热风炉的主要作用是为高炉持续不断的提供1000℃以上的高温热风，用于高炉喷吹煤管，风温越高，煤炭的燃值就越高，越有利于高炉生产，目前先进的现代热风炉风温可达到1300℃。热风炉耐火材料砌体在高温、高压下工作，而且温度与压力又在周期性变化，条件十分恶劣，其中比较容易损坏的部位是大拱顶，该部位长期承受斜向压力，当耐火砖膨胀或蠕变后便会出现塌砖，如图1所示，进而窜风鼓压加速整个上锥段的损坏。热风炉大拱顶的损坏对整个高炉的生产影响比较大，首先大拱顶出现塌砖时，局部炉壳温度升高，被迫加大水冷，严重的会导致炉壳烧红、烧穿，煤气串漏，产生安全隐患；其次，当4座热风炉中的1座被迫停炉检修时，热风炉的送风温度会明显降低，平均降低100℃，直接制约了高炉的稳定生产；另外，热风炉停炉检修的维修成本高，耐火材料用量大，约200吨，大部分耐火砖未达到使用寿命被迫拆除，造成极大浪费；工期时间长，整个大拱顶拆除并砌筑加上更换蓄热耐火球至少需要1个月时间，对高炉的稳定生产影响较大。因此，2012年柳钢在1B高炉2#热风炉年修中首次尝试将大拱顶耐火砖的砌筑方式又吊砌改为平砌，施工图纸如图2所示，使用至今6年多时间未出现塌砖现象，炉体寿命显著提高。现在以1B-2#热风炉为例，分析采用平砌方式的优越性。

图1 热风炉大拱顶吊砌塌砖现场图

图2 吊砌（左）与平砌（右）砌筑方式对比

2 原因分析

引起热风炉大拱顶破坏的因素很多，详细分析耐火砌体的破坏原因及破坏机理，概括起来可以归纳为以下几方面。

(1)高温热应力作用。热风炉炉墙耐火砖内、外侧表面温度差很大，产生很大的热应力，即砖衬内侧受到很大的压应力，外侧受到很大的拉应力。并且，耐火砌体受到的膨胀力和荷重力主要集中于热风炉内层砖衬的内表面上，加之换炉操作更加剧了耐火砖衬内侧面的冷、热变化[1]。在这些因素的作用下，耐火砌体的内侧面首先发生开裂，进而产生松动和脱落，严重时造成拱顶垮塌、隔墙倾倒等。

(2)化学侵蚀作用[2]。热风炉拱顶耐火砌体所处周围介质，主要是煤气灰尘中含有碱性氧化物、碱金属及硅酸盐等，在高温下与耐火砌体成分生成低熔点物质，并产生相变，致使耐火砖组织遭到破坏，使耐火砖衬的强度等高温性能降低。

(3)机械冲刷、磨损作用[3]。主要是指高温燃烧废气和鼓风对砖衬表面的强烈冲击和磨损。

(4)蠕变作用。目前，对热风炉的破损研究结果，认为耐火砌体在高温、高压的作用下,产生的蠕变是导致热风炉用耐火砖破坏的重要原因。

(5)高铝质和莫来石砖的体积膨胀大的缺陷[4]。高铝质和莫来石砖高温体积稳定性不及硅砖，其膨胀率随着温度的变化而变化。在燃烧和送风过程的温度变化，或休风焖炉时炉内温度较大变化，或燃烧产生的局部高温，都容易使得砖与砖之间发生挤坏或者被拉开以及疲劳损坏等现象。

图3 吊砌（左）与平砌（右）时局部耐火砖的受力分析对比

(6)耐火砖吊砌方式的设计不合理性。将拱顶内衬工作层在吊砌与平砌两种方式砌筑施工时，局部耐火砖的受力分析如图3所示。其中G为耐火砖的自重，FN为下部砖块对其的支撑力，F压为保温层耐火砖对其的压力，f为周边耐火砖对其向下滑移的阻力。经分析可得：

由于0＜sinθ＜1，所以f1＞f2。由此可知，工作层耐火砖吊砌比平砌时，产生的下滑力更大，当局部耐火砖受膨胀挤压或蠕变导致断裂破损而脱落后，周围耐火砖也将失去下滑阻力而逐渐脱落，一旦形成局部塌砖，炉内的高压热风不断向塌砖口鼓进，加速整个拱顶内衬的坍塌，形成了如图1所示的塌砖现象。

3 方案实施

经过认真分析判断了平砌方案的可行性后，决定按照如图2所示的平砌施工图纸进行施工。具体实施方案如下。

3.1 排查、拆除大拱顶失稳砖

1) 圆筒吊笼安装。制作一个φ600、h=1200mm的圆筒吊笼（装人用），吊笼从点火孔放入，其孔径为700mm。在热风炉23m平台安装1t卷扬机，通过3-4个滑轮经燃烧器顶部35m平台处的窥视孔放入φ8、h=30m的钢丝绳，钢丝绳从点火孔拉出挂牢固炉外安装好的吊笼，同时在其底部绑牢两根20m长的麻绳，然后可缓慢将吊笼拉入炉内。将吊笼底部的两根麻绳下降到17m平台的两个装球人孔水平面，把两根麻绳分别从17m平台的两个装球人孔拉出，在17m平台的两个装球人孔外的人员拉紧麻绳，不让吊笼在升降时摇摆、旋转。如图4所示。

2) 施工人员进入吊笼。在检查燃烧器圆顶无掉砖危险后，可将炉中心与点火孔水平处平稳的吊笼，用φ8的钢筋将其拉靠紧点火孔炉内壁，外部锁扣卡紧不让吊笼摆动，便于施工人员进入吊笼，这时绑牢安全带和麻绳的施工人员可从点火孔处缓慢爬入吊笼内。

3) 拆除失稳砖。待施工人员进入吊笼稳定后，缓慢松开吊笼至炉中心点平稳，点火孔处操作卷扬机人员接到吊笼内的施工人员下降的信号，可启动卷扬机将吊笼内的施工人员逐步送到需拆除墙体的水平面，这时在吊笼内的施工人员可使用5m的长钩子拆除墙体上失稳的砖块。

图4 修复大拱顶施工简图

3.2 拆除大拱顶内衬、修复托圈板

进行安全确认后，施工人员可以从第一层装球人孔进入炉内，从球床面搭设炉内施工脚手架到上锥体托圈板，然后使用风镐、钢钎等将受损的上锥体内衬工作层全部拆完至拱脚砖底部。发现托圈板氧化损坏的需先加固修复才继续向下拆除上锥体耐火砖。保温层和永久层视损坏情况制定拆除量，最后拆除炉内施工脚手架。拆除顺序为，从燃烧器托圈处向下至球面直墙处，逐层、逐块拆除工作层和保温层失稳的耐火砖。

3.3 大拱顶内衬恢复砌筑

完成以上步骤后，即可按照图2所示的平砌施工图纸进行恢复砌筑。平砌所用的砖型如图5所示，砖的外型大体为楔形状，呈平行四边体，砖的上下表面分别有一条半圆形的凸起和凹槽，用于砖块间的相互锚固，防止砖块在使用过程中的滑移。砌筑过程中的主要技术要点有：层与层之间的卡槽要牢靠有效，各种型号砖要按比例正确搭配，控制好砖面的圆整度和水平度；保证好泥浆的饱满度及控制好砖缝，砖缝≤2mm；按要求留设好膨胀缝。

图5 平砌工作层砖型图

4 结语

通过以上分析可以得知，大拱顶修复砌筑时耐火砖采用平砌方式具有可行性，其主要有以下优点：

1）平砌方式更简易，施工效率高。由于吊砌需要采用金属卡钩进行砌筑[5]，砌筑过程中，上层砖需借助卡钩的长臂固定在下层砖上，每砌4-5块就需要用一个卡钩，往上随着斜度的增大，2-3块砖就需要用一个卡钩，到最后几环砖时，每砌一块砖就需要一个卡钩，每环砖的卡钩要在合门后才能拆掉。因此，吊砌方式砌筑施工比较繁琐，施工进度慢。然而平砌方式不需要借助卡钩等外力进行锚固，直接像砌直墙砖一样一块块码上砌筑即可，简化了砌筑工序，提高了施工效率。

2）平砌方式使砖体受力更均衡。吊砌时，砖块基本垂直拱顶炉壳，由于砖块的自重会使其产生向下滑移的趋势，改用平砌后，能有效化解了砖块自重产生的下滑力，使整个炉体砖块受力比较均衡。

3）平砌方式能够提高炉体的寿命。采用吊砌方式的大拱顶平均使用寿命为4-5年，改用平砌方式后，在柳钢1B-2#热风炉大拱顶修复上进行了实践，使用至今已6年多，仍未出现塌砖现象，有效提高了热风炉的炉龄。

4）平砌方式能够降低热风炉的维修成本。由于平砌方式提高了热风炉的使用寿命，内衬耐火砖得到了充分利用，一方面节约了材料成本，另一方面减少了维修的频率，从而直接减少了维修施工成本，经济效益显著。