高炉本体修补及附属设备的改进方案研究

杨 姝，张 慧

党的十八大以来，我国在重点行业内开始多方位布局，供给侧结构调整全面深入进行。作为国家基础命脉的金属冶炼行业也随之迈入了调整期。环保监管力度的加强，以及企业和个人的生态和环保意识的不断提升也让该行业步入了新的发展阶段。高炉冶炼是当前主要依赖的金属冶炼方法之一，也是生产环节中重要的组成部分。利用高炉进行金属冶炼技术成熟，具有良好的经济效益，产量可以满足要求，且生产效率高。因此，世界各地都在推广使用。

对于一个企业来讲，高炉的使用寿命是十分重要的一项参数指标。高炉本体的维护工作就是重中之重。为了延长高炉的使用寿命并降低使用成本，我们就需要对企业的高炉状态进行定期的跟踪，并分析出高炉本体及附属设备的异常状态出现的原因，并进一步地改进。

本文针对高炉本体和附属设备的异常状态，分析原因，探究新方法新技术。根据高炉实际情况，对市面常见的高炉本体修补用料进行了试用试验并将试用后的效果进行了全方位的比较，创新性研发了一种适用于高炉本体修补的新型材料，并将该材料与高炉本体结构以及内部耐热材料相结合进行研究，改进结构，利用不同形式结构的修补封罩完善修补方案，提出了新的高炉本体修补方法和附属设备的改进方案来确保使用效果和生产稳定，减少修补时间，实现高炉效益的最大化。

1 高炉本体以及附属设备

1.1 高炉现状

世界工业经过多个时期的科技发展和生产变革，金属的高炉冶炼成为了生产中的中心环节。目前，随着全球科技的发展以及各国间的竞争日趋激烈，各国都在淘汰落后产能。高炉因其能耗低，工艺简单，技术成熟，因此易于使用和推广。在现代工艺中，高炉需要不断提升冶炼效率，同时向自动化智能化前行。当前，企业重点关注的还是资源循环利用以及如何减少维护成本和时间进一步延长高炉的使用寿命等方面。

1.2 高炉本体

高炉设备主要包括：高炉本体，高炉装料设备，高炉煤气清洗设备、高炉热风炉，高炉除尘器，水渣处理设备，高炉冷却设备等。而高炉本体是高炉冶炼设备的核心组成部分。

1.2.1 高炉本体的基本结构

高炉通常的体积是十分巨大的。其本体是横断面为圆形的竖炉，而其外部绝大部分是钢材质，通常都是采用自立式结构通过焊接将钢结构连接在一起，框架支撑各层平台的重量。炉体的截面为正圆形，炉体的内部需要堆砌耐火砖和浇筑的耐火材料（总厚度需要达到55cm以上），炉底铺设碳砖和粘土砖。炉缸承受高炉冶炼过程中的重量和热量。炉顶封罩主要用于收集煤气流。金属熔化后呈液态汇聚在高炉本体内，助剂辅料按照设计比例由输送皮带分批次运送到上部料罐。高炉本体下部有高热助燃剂。高炉本体上部有煤气上升管进行煤气输送。煤气可以不断地进入到清洗设备中，这样做可以循环利用能源而不会大量浪费。为延长高炉的使用寿命，冷却系统的冷却壁与冷却板需要间隔进行放置。

常见的高炉内部主要是五段式的结构。但是，我们要通过设计与计算，将各条件、制度、规律进行精密计算，充分结合高炉内部的结构形态进行合理布局分配和改进设计，这样才能确保效率。高炉本体内外部结构中主要包含了炉底、炉缸、炉腹、炉腰、炉身、炉喉、炉顶、炭块、莫来石砖、衬镶砖冷却壁以及钢砖。

其中，耐火砖围砌成了的高炉本体的内部空间。

1.2.2 高炉本体的常见故障

目前，常见的高炉本体受到的主要侵害包括：①煤气流冲刷以及机械磨损；②积碳渗入导致炉体膨胀；③活泼金属的氧化膨胀；④易熔化合物侵蚀。

综合多方面调查研究，当前高炉的内部防护破坏造成炉身发红以及焊缝开裂造成大量煤气泄漏是非常常见的故障，不得已的情况下，生产过程中只能采用外部洒水的粗暴方法来冷却炉体防止爆炸。对于有的炉体，我们在现场可以看到，其炉身泄漏密集严重，这就可以看出高炉本体内部的耐热材料缺失严重。由于长期采用外部洒水降温，水蒸汽较大，只能通过在其外部架设保护壳的方式进行维护。但是这种方式也不能坚持很久，焊缝泄漏点还是会越来越多，泄漏量也会越来越大。因此，我们需要从各方面去确认焊缝开裂程度、泄漏量、蒸汽量，然后进行系统性判断，对现有修补工艺加以分析并对具体情况具体分析，区别处理。详细故障危害主要包括五个方面，其一，炉身或者炉皮的发红会导致故障频发，且相对集中，高炉本体就无法维持稳定运行的状态；其二，炉身温度异常升高，如果过高，甚至超过一千摄氏度，高炉的安全可能就会出问题，可能有爆炸的危险；其三，炉壳开裂会导致炉体耐热材料热疲劳，加速炉体损坏程度。炉体的本体材料损耗速度也会加剧；其四，炉身的煤气泄露会导致煤气串流，造成高炉区域环境恶化，影响人身安全；其五，高炉冷却设备腐蚀结垢也会影响高炉的运行寿命。

1.3 附属设备

相对来讲，高炉的附属设备的建设投资成本比高炉本体还高。在冶炼的过程中，高炉的各个系统之间是相互联系又互相制约的。在这个稳定的高温生产环境中，除了计划维护和不可预知的重大事故，高炉本体及其附属设备必须连续运转不能停机直到达到使用寿命。

1.4 故障原因

综合来看，目前出现的几类故障主要的原因是以下四点。

1.4.1 高炉本体的炉衬损坏导致炉体腐蚀

炉衬位于高炉本体下部。炉料和煤气的摩擦和冲刷，以及碱金属、锌和二氧化碳气体的长期侵入会引起炉衬破裂，损坏。一般炉衬的侵蚀都会很严重。当炉衬受侵蚀膨胀会导致砌体上涨，反复加剧后，严重时，高炉本体的外壳就会因为受涨而出现破裂的现象。此外，煤气流的波动以及炉料的脱落会引起炉衬内温度突然升高，进而导致炉衬被破坏。

1.4.2 温差导致高炉本体外壳开裂

当高炉内衬减薄时，高炉炉体外壳的内外温差会随之增加，此时应力也会随之增大，炉壳承受的负荷急剧地增加，这就导致壳体的刚度减弱小，失去保护能力。此外，高炉本体的外皮的变形和退火疲劳也同时是炉壳开裂的催化剂。相关研究发现，当受热温度高于280℃时，炉壳是极为容易开裂的。

1.4.3 高炉冷却板泄漏导致高炉本体开裂

相关调查显示,高炉冷却板一旦破损，炉壳的开裂现象也会随之发生，而且呈现日益严重的趋势。高炉使用的年头越长，炉内衬越薄，冷却板的冷却强度也会下降得很明显，达到极限后破损会非常严重。当其无法发挥冷却作用时，热量散发，就会把高炉本体的外皮烧红，导致焊缝开裂，泄漏点越来越多。

1.4.4 附属设备腐蚀原因

高炉在运行过程中，水中大量溶解氧以及腐蚀性粒子和微生物，均会粘附在金属表面对炉体和附属设施上面的金属部位产生腐蚀。其次，高炉中的水污染较大，浑浊，纯净度低，悬浮物颗粒物非常多，过滤系统没法完全过滤掉这些东西，导致附属设施也被腐蚀，引起系统故障。

2 高炉本体的修补方法和技术

2.1 高炉本体的修补法

当前，对于高炉本体的炉缸、炉身部位出现的开裂进行的修补，主要就是采用修复压浆法。这种压浆法可以封堵住气体泄漏。此外，在高炉冷却区域也可以利用这种方法进行修补。高炉的长期运行不可避免的老化、磨损与腐蚀，高炉本体肯定会越来越薄，冷却设备也是在随之常年的磨损。利用这种方法，我们就可以把高强度、高导热性、附着性和耐磨性的耐火材料，以液态的方式输入管道，然后利用高压压入高炉本体内，形成新的保护膜。而且这种方法成型快，恢复快，用时极短。

对于材料的选择，我们提出采用性能优良的硅溶胶作为耐火材料的结合剂，并用于炉底筑料。同时，我们选用纤维素和高铝矾土混合成灌浆料，这种新配方的灌浆料在常温下就能固化，都温度要求不高，而且固化的时间很短，大大节省了维修时间。基于大量的研究，我们从市面上找到了多种压入料，并通过试用对比，找出每种压入料的优势性能，从而创新性地添加了改性复合树脂与碳化硅成分。这样做可以把压入料的粘结性和固化速率提高百分之五十以上。

2.2 修补流程

操作前准备工作：

将新混合的压入料放置在10℃～25℃的环境中。检查液压油油位线，校验压力表，检查电气箱和电源线，检查风动系统，检查水冷却器装置。立管用细钢丝绳吊管捆扎，用手拉葫芦挂钩作保险。

采用压入法的具体操作流程如下所述：

（1）首先润滑设备与管道，随即压料。

（2）压入量计算。

（3）控制压力。

（4）按顺序压入相邻及上下的孔洞。

（5）只保持唯一的一个孔压入，周围的孔洞全部关闭。

（6）结束压入，封闭。

（7）循环作业，直至全部孔洞压入完毕。进行设备清洗、保养。

在操作中，需要注意的是，我们要根据炉体温度的变化、高炉本体的发红状态、以及压入孔的实际测量数据实时跟踪确认压入量，这样才能确保压入效果。

2.3 修补技术

2.3.1 传统修补技术

随着炉龄的增加，高炉本体焊缝泄漏会越来越严重，处于薄弱环节的冷却板焊缝也会出现开裂泄漏，并且由量变演变为质变。通过资料的研究和分析，传统上比较实用的修补技术包括全密封封罩、二次全密封封罩、带波纹管式封罩、点焊式通水封罩、十字通水封罩等技术。一般在高炉本体开裂的初期，为避免安全事故，通常都是采用全密封罩密封的修补技术，其设计简单，密封效果好，实用性更强。但是，随着使用全密封封罩已无法维持高炉正常运转，就需要重新设计安装二次的全密封封罩，保持高炉的运行稳定性。对于单纯的开裂，带膨胀节的封罩具有自补偿作用可以进行修补。当温度变化过快时，通水的密封罩技术使用效果较好。

2.3.2 创新性修补技术

全密封罩密封的修补技术设计简单，密封效果好，但寿命不长。带波纹管的封罩可以有效降低开裂，但受温度影响大。通水式的封罩温度控制效果好，但安装要求较高，能耗大。通过对传统高炉本体修复封罩结构的研究，以及对传统技术的问题的分析后，在多方协作下，提出了新的封罩技术，采用封罩下部水平段满焊，且有螺丝固定拆卸方便，均匀出水，节约修补时间，还可以反复利用。新的技术避免传统技术的弊端，有效控制住高炉本体开裂，避免了升温过高、气体泄漏等问题的产生。此外，当高炉本体泄漏加剧时，新的技术仍可以控制住，不会导致高炉休风。

3 附属设备的改进

在研究了高炉附属设备上的拉杆之后，我们作了深入分析，找出当前的问题，然后原有结构进行计算，对其强度进行重新校核，之后再试验、改进并提出了新的方案，更便于实际操作。并分析了对拉杆中关键弹簧的受力情况，确定弹簧参数后，对弹簧进行了更换，确保附属设备更加安全可靠。改进后的附属设备中，主要改进方面包括长度可调节的螺丝，弹力可调节的调节器，设备的保护罩，强度加强型弹簧，以及调节手等。

改进技术中关键是要采用双向两端固定法并配置预压缩型弹簧。弹性力的方向需要反向于波纹管的方向。在位移没发生时，双方的自重的斜向分力必须大小相同，这样就不会出现自重下垂的情况，并能准确定位。

我们采用正反螺纹将波纹管与弹簧之间的连杆联接，并采用十字手柄调整拉杆的长度。弹性拉杆要安装在送风系统中的送风支管的上部，这样才能防止外力作用，使波纹管正常变形，并同时延长波纹管的使用年限。根据拉杆的受力大小来决定弹簧的材质、强度和长度。按Ⅲ类弹簧标准来选择弹簧，而且弹簧要能承受载荷作用110次以下，并且结构紧凑，这样才能便于更换。

4 结论

高炉本体的使用寿命是至关重要的。要想用的更稳定长久，就必须要注重高炉本体以及附属设备的维护工作。本文通过分析发现了高炉本体存在的主要问题：高炉本体发红、高炉本体开裂、高炉本体泄漏和附属冷却设备的腐蚀。针对这些问题，从实际出发，研究出了不同材质、不同形式的封罩，并创新设计了新的封罩，即点焊式通水封罩和十字通水封罩。通过分析高炉主体裂缝泄露情况，对比不同材料的特性和试用情况，提出了新的高炉本体灌浆技术。分析了目前高炉上部拉杆存在的问题并改进了高炉附属设备，设计了便于操作的新式带弹簧的拉杆，保证了高炉主体的安全稳定。

此外，我们还要做好对高炉主体以及附属设备的长期跟踪和监控，建立运行大数据库。制定定期维护计划，掌握维护时机合理安排作业。与此同时，我们也要积极地去研发新型的压入料来延长高炉寿命。充分利用当今智能化自动化趋势，利用相关数据和设备对出现问题或异常状况的区域进行及时检测和修补，并不断地改进方案。在运行中，我们还要采取安全管控措施，提早准备，及时处理复杂问题确保人身安全，优化结构配比，确保正常运行。

综上所述，上述研究为高炉主体以及附属设备的运行、维护提供了参考方法和依据。我们可以得出结论：高效的维护保养减少了修理的次数，降低了经济成本，进一步延长了高炉本体以及附属设备的使用寿命，确保生产的稳定性。