冶金高炉高温热偶损坏原因分析和改进措施

陈 龙

（中国石化长城能源化工（宁夏）有限公司，宁夏 银川 750000）

冶金高炉高温热偶用以在预热、正常运行和冷却过程中测量高炉炉膛反应区的温度。炉膛环境严酷，高温1373℃、高压6.5MPa、一氧化碳、氢气、未充分燃烧的煤渣冲刷和结焦等同时存在，在了解高炉运行条件和性能方面有着重要作用，可间接反映燃料品质的好坏。每台冶金高炉安装有4 支高温热偶，沿高炉周围上下左右平均分布，气化装置设计三台高炉，高炉单周期运行安装12 支。

自高炉投用以来，由于设备停用频繁、矿物燃料的品质不高、安装不准确和高温热偶设备自身等多方面缺陷等因素导致高温热偶损坏情况居高不下，既影响了工艺人员对冶金高炉温度监视，也增加了设备购置成本。为了延长高温热偶的使用周期，降低高温热偶采购成本，我公司以同行业先进企业为标杆，认真组织分析设备损坏原因，积极联系国内高温热偶生产厂家考察解决方案，采用货比三家的方式，选择性价比最好的产品，以下是冶金高炉高温热偶损坏原因分析。

1 高温热偶特殊技术要求

由于应用工况特殊，高炉高温热偶区别于普通热偶的技术要求主要包括以下五个方面：

（1）应用场合要求：高温热偶结构需要满足高炉炉壁衬里厚度变化和热偶顶端冲刷变形、振动等保护要求，即热偶可通过调节自身的伸缩量达到最佳的测量位置，设置万向转球、限位导向管、减振弹簧、耐磨材料，满足耐高温、高压、温度压力骤变及抗冲刷要求。

（2）安全无泄漏：具有热偶前端保护管和探头断裂，预防高炉介质从保护管泄漏的结构功能。

（3）过程更换要求：采用变径双法兰组安装方式，满足高炉预热、正式测量等过程更换测温元件要求。

（4）热电性能保证性：保护管内采取隔离措施，阻止炉气进入热偶内部，腐蚀和还原热偶丝，预防热偶使用过程中热偶丝损坏。

（5）保护管抗损坏：在高温和高压工况下，热偶保护管防止安装孔有燃料残渣等硬物变形，和切换冶金高炉降温形成的燃料粘黏物对拆卸高温热偶时，对保护管产生的损毁。

2 高温热偶实际使用情况分析

我公司高炉高温热偶长期选用国产某公司的产品，大部分热偶使用周期能够满足高炉投料至停炉一个周期，在倒炉切换更换热偶时全部损坏，个别高温热偶在冶金高炉升温或者正常运行中损坏。

我公司对高炉投用以来高温热偶损坏情况做了统计，自2014 年1 月16 日气化投料至2015 年，损坏高温热偶约138 支，按照国内某公司制造的高温热偶采购价格，每支高温热偶的价格约人民币1.7 万元，138 支高温热偶估算人民币234.6 万元，2015年之后，改进效果显著。

我公司组织对高温热偶的损坏原因进行详细分析，高炉倒炉次数是热偶损坏数量多少的重要原因，另外安装操作不规范、选用设备质量缺陷等也是造成热偶损坏的原因，我公司分别从技术、管理和操作上采取措施解决问题，从统计表可以看出，取得了效果。

汇总不同阶段高温热偶损坏台件数如表1 所示。

表1 高温热偶损坏情况统计表

为了直观反映变化趋势，将表1数据用柱状和折线表示如图1。

图1 高温热偶损坏趋势图

从图4 看出，我公司采取有效措施后，取得了很好的效果，高温热偶损坏率得到控制，为公司节省了采购资金。

3 高温热偶损坏原因分析

为了降低高炉高温热偶损坏频次，我公司组织技术人员对损坏的原因进行分析，归纳为五个方面：

3.1 保护管材料强度影响

冶金高炉高温热偶应用温度1373℃，操作压力6.5MPa，如表2 设计数据表所示。

由于金属材料难以满足这种温度和压力工况要求，高温热偶生产商选用碳化硅内衬纳米陶瓷材料制造热偶保护套管的端部，碳化硅能够承受1600℃高温，但高温状态下强度较弱，外力作用或者温度骤然升降都可能损坏套管，进而毁坏内部热偶。

3.2 高炉内壁焦油粘黏

冶金高炉使用高温耐火砖作为内衬，为了准确检测到高炉内部温度，高温热偶端部需要靠近耐火砖内表面，受煤种含硫太高等有害成分影响，高炉运行时耐火砖上附着的焦油将高温热偶顶端保护管粘黏，高炉降温后形成坚硬的焦油层，每次高炉停炉后拆卸热偶，会出现保护套管顶部断裂现象，伴随内部热偶丝损坏，造成高温热偶报废。

3.3 安装操作过程缺陷

按照高炉投用过程要求，高炉烘炉应使用升温热偶（K 型），温度上升到800℃左右时拆掉升温热偶，换成高温热偶（B 型）。

“热装”过程中，个别员工不了解安装要求，拆除升温热偶后直接将高温热偶插到底，使得保护套管温度瞬间从环境温度升高到炉内温度，保护套管不同材料部位膨胀速度不同，形成损坏或者使用寿命缩短。

3.4 套管顶部冲刷损坏

如果热偶保护管头部伸出耐火砖内部面，高炉升温时火焰直接烧到保护管端部造成过热，运行中夹杂颗粒的气体对保护管端部形成冲刷，停炉时坚硬的焦油造成耐火砖与套管顶部粘黏，影响热偶使用寿命。

造成热偶保护管头部伸出耐火砖的原因有两个方面，一是没有测量安装孔插深尺寸，及时调节高温热偶插身长度，二是耐火砖使用过程中内壁冲刷变薄，没有及时调整热偶插深长度，导致保护管头部露出。

3.5 安装孔内有杂质、毛刺损坏热偶损坏热偶。

4 已采取的解决措施

为了减少过程更换和正常运行外部因素对高温热偶的损坏，我公司在充分分析损坏原因的基础上，针对第二、三、四、五方面采取了应对措施：

（1）提高燃料的品质，硫含量等有害成分大大降低，从根本上解决了严重结焦的现象。

（2）安装前对热偶元件进行压力测试，自制打压工具，在钢管上装上与热偶法兰相配的装置以及与氮气瓶和压力计的连接装置，即可组装成一个简易的测试罐。热偶组合应在高于正常汽化炉运行压力 100 psi (7 bar) 的压力下检查有无泄漏，确认所有配件均无泄漏情况。

（3）烘炉与高温热偶换装前，先使用与高温热偶同规格尺寸，用耐热钢制作的磨具套管试装，清除安装孔内的毛刺和燃料废渣等杂物，孔内无阻挡物，内壁表面光滑，保证安装高温热偶时顺畅无阻碍。

（4）使用自制测深工具，三次测量出法兰口到高炉耐火砖内侧长度，取最小值，再据此调节合理的热偶插入深度，对于新炉子插深减少10 ～20mm，运行一段时间的炉子，内壁磨损较大且不均匀，插深减少20 ～30mm，防止热偶保护套管端部被矿物颗粒冲刷损坏。

（5）高温热偶保护套材料进行优化。采用材料表面涂层技术来解决高炉的高温腐蚀、磨损问题是目前应用比较广泛的一种方式。它发挥了表面技术的优势，不是将不同的材料混合起来制作复合材料，而是将不同的材料组合起来发挥各自的特点，获得优异的性能。采用热喷涂的方法在套管表面形成金属间化合物涂层、梯度功能涂层、纳米陶瓷涂层等，获得比较良好的耐热、耐蚀和抗磨性，取得了很好的效果。金属间化合物是一类新型的高温机构材料，具有一系列的优异性能，尤其值得一提的是其耐热性能特别突出。

（6）高温热偶插入高炉500mm 预热10 分钟，再插入200mm预热10 分钟，最后全部插入到位、固定，防止保护套管急速升温出现裂痕，影响产品使用寿命。

5 结语

通过以上方法，高温热偶损坏情况有较大的改善，平均使用时间满足甚至超过一个倒炉周期要求，取得了较好的效果。