大型高炉热风煤气设备在线维修研究与实践

廖海欧

一、引言

马钢2座4000m3大型高炉热风炉结构，采用4座新日铁式外燃式热风炉，成单列式布置。为确保高风温和节能降耗的要求，系统设置了煤气和助燃空气的预热设施；设计要求为1250℃风温生产操作的热风炉及二代炉龄30年的长寿目标。

该高炉的煤气净化系统为重力除尘器+煤气洗涤塔的基本形式，煤气洗涤系统引进了当时国际先进的英国奥钢联单锥环缝煤气洗涤塔及控制技术，煤气调压系统率先配备国产2兆瓦TRT发电机组，以满足炉顶压力±5KPa的调节功能。2007年，在投产5年以后，马钢4座单列式布置热风炉及热风管系的热风，交替送入高炉生产，其温度稳定在1230℃-1250℃，压力450Kpa。但由于热风管系钢壳结构的位移量达15mm-20mm，以致出现了热风补偿器失效、耐材脱落、总管发红、热风炉出口大墙砖松动、破损等系列问题。由于煤气洗涤塔内壁积淤严重且不定期脱落，堵塞了清洗管道，造成运行波动，降低了煤气清洗效率，直接影响到炉顶压力的调节功能，甚至出现了环缝锥突然关闭、炉顶放散阀全部打开等故障。

为避免国内其他企业也出现热风炉总管、热风炉出口烧穿的恶性事故，解决单锥环缝煤气洗涤系统与国产TRT机组精准稳定的调节炉顶压力，保障高炉的安全、稳定、绿色生产，马钢团队结合近70年中小高炉在线维护修复的实践，总结了高炉生产高作业率的设备维护及维修的经验，在不断升级自主知识产权的技术攻关基础上，保持了特大型高炉现代化装备的生产作业率始终在99%的水平，团队共取得了8项专利，其中发明专利4件，为特大型高炉设备维护的持续创新进步，开辟了新路径，值得业内同行借鉴。

二、热风炉热风管系维护研究实践

大型高炉的热风管系的受力非常复杂，国内一直没有完整的力学计算模型，其设计都是通过经验和比较法得出。由于对施工、烘炉、生产等各个阶段的应力变化认知不够，无法提出预应力的设置及调节需求，因此，热风管系构件在生产过程中的失效处理，只能以出现的事故故障为目标，被动采取局部临时措施维持生产。

2.1 热风管系补偿器及热风阀布置的研究

通常大型高炉的热风管系设计有较多的补偿器，每个热风出口有补偿器，每座热风炉之间补偿器，热风总管与热风围管连接补偿器等，目的都是围绕4座热风炉交替送风产生的压力、温度变化，引发的管系结构应力波动，对造成的钢结构位移进行补偿调节。然而，补偿器的位移调节量是有限的，一旦超出其设计位移量，补偿器就会失效，造成耐材松动脱落、结构件破损，进而直接造成高炉事故休风而停止生产。

热风炉出口补偿器布置有两种方式：（1）热风炉→热风阀→补偿器→热风总管；（2）热风炉→补偿器→热风阀→热风总管。

第一种布置方式的优点是：热风阀与补偿器连接法兰及补偿器与热风总管连接法兰，密封处理简单，不易泄漏。但该布置无论热风炉出口、热风阀、补偿器等任何部位在需要检修时，高炉都要休风，严重影响高炉生产作业率（不推荐使用）。

第二种布置方式的优点是：只要关闭热风阀，就可以有充分的时间检修处理热风炉及出口、补偿器等设备缺陷。现场经验表明，只需要在高炉复风生产后72小时内，按照高炉恢复生产进程，分3-4个阶段连续复紧法兰螺栓，就能保证热风阀与热风总管的法兰密封效果。这样处理的结果，可以最大限度降低更换热风阀高炉的休风时间，完善检修工艺网络，确保12小时内高炉复风。马钢也是靠这个方法，实现了10余年2座4000m3高炉生产作业率达到99%，且热风煤气系统无故障休风。

2.2 热风出口松动耐材在线陶瓷焊补修复实践

为了保持高炉生产工艺1200℃以上的热风温度，马钢4座热风炉交替将450KPa压力，6500 m3/min以上的风量稳定送入高炉中。热风管系工作时巨大的“盲板力、热应力”波动，会造成热风管系及热风炉炉体钢结构构件的位移，引发热风炉出口耐火砖松动脱落。若得不到及时修复维护，将会进一步恶化，出现大面积损坏，会发生热风炉出口“发红”、“烧穿”的恶性事故。

由于该部位为热风炉高温区域，温度高达1200℃以上，降温处理需要较长时间，且对耐材的损伤较大。从引进的陶瓷焊补新技术对设备进行在线维护的实效情况分析，只要拆除热风阀后的补偿器，就能有足够的作业空间，再通过3-4人6-8小时的操作，即可完成对松动耐火砖在线焊接固定修复。

2.3 创建箱型结构热风管系稳定及在线调整系统

为解决热风炉出口钢结构位移量严重超标，避免该部位的结构、耐材、补偿器故障频发，马钢团队研发了箱型结构热风管系稳定及调整系统，将位移量目标从15mm-20mm稳定在5mm以内。大大增加了单列式热风炉出口及热风总管系统钢结构的稳定性，实现了对管系钢壳管系位移量控制在3mm左右的目标，保证了补偿器不再失效、耐材不再受损。

箱型结构固定位置在热风炉、热风出口中心线，箱型结构水平安装，分段设计制造，在线调整。

2.4 探索热风管道应力位移在线检测调整装置

为进一步掌握热风炉不同状态下的应力状况，建立了自主热风管系力学模型。结合稳定调整箱型结构中的法兰连接方式，用应力检测元件检测各种工作状态下的应力数据，同时利用法兰两侧的顶开装置，调整法兰之间垫片，以实现箱型结构受力相当。还要保证4座热风炉在不同工作状态下的应力波动基本一致，保证管系钢结构构件各部位位移相等，以保障各波纹补偿器都在范围内工作。见图1。

图1 热风炉热风出口在线应力检测装置结构图

三、煤气环缝洗涤塔稳定运行实践

3.1 研发环缝内壁在线冲洗装置系统

英国奥钢联单锥煤气洗涤塔系统属于国际先进的设备，结构简单，调节迅速。但随着我国提升节能减排、绿色生产的要求，经济料入炉以及固废循环利用的原料发生变化，煤气中的锌、钾、钠等有害元素大量增加，带来煤气瓦斯泥成份的变化，引发煤气洗涤塔内壁尘泥粘结，积淤严重并随机掉落，堵塞清洗水管系统，造成运行波动，直接影响高炉炉顶煤气压力的稳定性。初期，维修工作是利用每次高炉定修，对环缝上塔内壁积淤进行人工清理。由于内壁上淤积的松软污泥有随时脱落的可能，在有限的空间作业，极易造成安全事故。

为此，马钢团队研发了煤气环缝洗涤塔内壁在线冲洗装置，并取得成功（ZL201410647717.5）。即在洗涤塔顶部增设返冲喷枪，使喷出的水束能够返回喷至环缝内壁，用来冲洗φ5500mm的上塔内壁；返冲喷枪所在环缝塔内平面圆周直径φ5100mm，垂直在环缝塔上部安装8个等距布置的返冲喷枪，借助煤气洗涤水系统，增加内壁清洗及边缘煤气清洗子系统，应用效果良好。

3.2 环缝锥调节机构故障在线控制装置

先进的单锥煤气洗涤塔，其环缝单锥的调节，依靠液压伺服阀进行控制驱动，结构简单灵敏度高，但容易在意外的干扰信号下，使环缝锥突然紧急关闭，致使炉顶放散阀全部打开，造成无组织排放的环保事件，引发TRT跳停、高炉紧急控风、减氧、停煤操作。马钢团队在紧急处置中，采用在环缝锥调节驱动导槽顶部位置安装了硬限位，确保环缝锥在任何情况下都不会关闭到零，从而杜绝该类事件再次发生。

四、开发在线修复工程应用实施装置

高炉热风煤气系统设备繁多，各种原因都会造成漏风伴随煤气泄漏的状况，严重威胁到安全生产，需要紧急休风进行设备检修，或采取监控措施应对隐患，维持生产。因此，研发大型高炉设备在线修复工程技术及实施方法，也成为保障大型高炉安全、长寿、绿色、高效生产的关键环节，成为重要的研究方向。

马钢2座4000m3高炉十余年来安全生产运行的实践，取得了零故障运行、创国内作业率最高的实绩，证明了马钢在大型高炉热风煤气设备在线维护、工程应用技术的创新和实践，卓有成效。

4.1 开发在线更换炉顶十字测温杆电偶装置

十字测温系统是高炉炉顶煤气流变化监控的关键设备，由一对十字测温杆及其内部的24根热电偶组成，以提供数据的准确，判断高炉冶炼生产过程煤气的气流分布，是研判布料均匀状态的工艺监测设备。

高炉投产以来，十字测温杆各测温点热电偶受炉顶煤气流波动的影响，经常损坏缺失需要更换。常规是在高炉休风时更换，但电偶却因冷却后会与杆体粘接而常常拔断，需被迫进行十字测温杆整体更换。这通常需要休风十余小时以上，必须在长时间的高炉定修时才能进行。马钢团队开发了一种大型高炉在线快速更换十字测温杆电偶装置（ZL201520892736.4），有效解决了以上问题，实现了在线快速更换单支测温电偶元件，解决了损坏电偶与杆体粘结的难题。不仅为高炉生产操作提供准确完整的实时数据，同时也大大节约了整体更换时间及设备检修的费用。

4.2 开发高耐热密封填料条，满足在线堵漏需求

高炉热风煤气系统设备繁多，由于各种原因，经常会出现漏风伴随煤气泄漏的状况，严重影响安全生产，需要紧急休风进行设备检修，采取监控措施应对存在的隐患，以维持生产。在日常生产的在线维护中，需要一种耐高温、柔韧性好的密封填料，对漏风部位及时进行堵漏处理，以确保高炉生产安全、顺利、稳定进行。（专利号ZL201610719659.1）

为保证堵漏的快捷、方便和可靠，对炉前现有的资源要充分利用，砲泥可以满足生产过程中的应急需要。目前的高耐热填料中都含有SIC，AL2O3，C等颗粒物，可现场快速制作柔韧性好的耐高温填料，配合铜丝、石墨盘根，堵漏效果会更好。见图2。

图2 高耐热密封填料条制作装置结构图

五、结语

目前正是我国由钢铁大国向钢铁强国发展的新时期，高炉炼铁装备也需按高质量发展的要求装备大型高炉。热风煤气系统装备的稳定运行，更是高炉安全、长寿、节能、绿色、高效的重要保障。由于热风煤气系统的结构还没有完整的力学模型，耐材的结构及砌筑还停留在“小炉窑时代”，需要我们用新时代思想为引领，亲历跨越发展的经历去创新，以自身独特理解的视角去突破，从现有问题为切入点，在更高的起点上不断开发在线维护工程实施应用技术，进而拓展研发完整基础系统的高炉装备新技术。

马钢有着悠久的高炉炼铁生产历史，从100m3高炉发展到历经1000m3高炉、2500m3高炉直到4000m3特大型高炉，从肩挑人扛到引进国际先进的技术装备，近七十年来，一直用自力更生、艰苦奋斗的精神，进行了探索、实践、引进、消化、吸收、再创新，走出了一条具有中国特色的高炉生产装备的发展之路。近年来，围绕绿色生产、节能减排，铁前高炉生产研发了较多的在线再造、在线维护维修等工程实施新技术，都取得了良好的实绩。