创新驱动热风炉延年益寿——从安钢热风炉修复谈起

高炉热风炉实现安全长寿运行,既节能环保,又降本增效,是广大炼铁人的不懈追求和梦想。

河南省豫兴热风炉工程技术有限公司(下文简称豫兴公司)百折不挠、殚思极虑,创新研发的诸多低氮、低碳、超低煤气消耗的热风炉安全长寿专利技术,给炼铁界带来福音,加速了炼铁业低碳发展的进程。

21世纪初,安阳钢铁股份有限公司(下文简称安钢)2号2800m 3 高炉配套引进了3座俄罗斯小拱顶顶燃式热风炉。在其建设初期,面对其预燃室抗热震砖的选用问题,俄罗斯设计公司和安钢经过可行性研究和反复对比,最终共同确定选用能完全适应预燃室恶劣工况且性能指标更优越的国产抗热震耐火砖,即将此前设计采用的国外1100℃水冷50次普通抗热震HRK制品标准砖,改用由豫兴公司研发的1100℃水冷最低100次HRK抗热震制品标准砖。

这一改用,使安钢成为豫兴公司这项专利制品在市场拓展,并扩大应用到世界超大型高炉配套顶燃式热风炉的起点。

与安钢2号2800m 3 高炉配套的热风炉于2007年6月28日建成点火投产,使用风温为1200℃~1250℃,至今已连续运行接近15年。2022年1月8日,这组热风炉停炉检修,人们惊喜发现,炉内采用豫兴公司创新发明的预燃室结构保持砌筑时的完整无损状态,没有出现此前常态的砖体断裂、剥落、垮塌损坏现象(见图1)。

图1 豫兴公司为安钢2号2800m 3 高炉顶燃式热风炉预燃室制造供应的1100℃水冷100次抗热震HRK煤气喷口砖,使用14年没有出现断裂、剥落,砖体完好无损

豫兴公司董事长刘世聚指出,安钢人在全世界开了采用100次HRK工艺制品的先河。这具有里程碑式的意义。实践证明,这一专利制品彻底解决了热风炉预燃室在恶劣工况条件下,造成的喷嘴砖断裂、剥落、垮塌、使用寿命短,而且仅能维持3年—5年就需抢修、大修的一系列弊端。这也证明了豫兴公司这项专利成果,完全可以满足热风炉20年—30年的使用寿命要求;还证明了目前全球大型高炉配套的高压高风温顶燃式热风炉选择豫兴公司这项专利耐材制品,是明智之举。这更表明了这种砖完全可以满足在1200℃~1310℃高风温工况条件下,热风炉稳定长寿的要求,是提高铁厂效益、降低停产维修损失的一大利器。

安钢、俄罗斯设计公司、豫兴公司勇敢探索和求真务实的创新精神,为豫兴公司这种蜚声世界的专利制品的市场开拓,开辟了康庄大道。从此,一花引来百花开,包括首钢京唐5500m 3 、日本JFE5000m 3 、俄罗斯北方5578m 3 、宝钢湛江5050m 3 、太钢4800m 3 、安钢4747m 3 等特大型高炉配套的俄罗斯顶燃式热风炉,无一例外地采用了具有豫兴公司专利的耐材工艺及制品,确保了其稳定、长寿、高风温。

俄罗斯热风炉设计专家曾表示:“中国耐材公司将抗热震耐火砖指标提高到100次,提高了顶燃式热风炉工艺水平”。全球特大型高炉配套的俄罗斯顶燃式热风炉都采用豫兴这项专利技术,就是对豫兴公司最大的褒奖。

由于科技的快速发展,为高炉大型化和热风炉长寿技术的发展提供了很大的机遇,随之,热风炉炉衬材料的质量越来越重要。由于热风炉燃烧器砖、管道砖、热风出口等部位的工作条件恶劣,冷热交替频繁(热震现象),对这些部位的耐火材料破坏性较大,热风炉寿命与之有着密切的关系,目前,国内耐火材料企业所生产的抗热震砖,如红柱石砖、堇青石莫来石砖、抗剥落高铝砖,一般都是由水或木质素溶液做结合剂的砖,而且耐火砖基料配比又不尽合理,因此,其抗水冷实验的次数一般在20次、30次、40次、50次,很少有大于50次以上的业绩。而且,还由于其热震稳定性差等原因,在使用中容易出现掉砖、碎裂现象,使用寿命短,最后导致停炉大修,给企业造成极大的经济损失。

豫兴公司急用户所急、想用户所想、经过千锤百炼,最终发明了100次HRK高铝抗热震耐火砖,解决了人们一直渴望解决,但始终未能解决的耐火砖抗热震性能差、使用寿命短的问题;而且,其节约能源与材料的使用量均达15%~25%,维修费节约80%以上,很少出现停炉大修现象,其推广应用具有巨大的经济和社会价值,并为耐火砖的生产和钢铁冶炼业的生产与发展,作出不可估量的重大创新性贡献。

但是,由于该专利制品的市场前景广阔,且是垄断性产品。一些供应商看到了商机,对豫兴公司具有发明专利权的该工艺制品进行了仿制和侵权。豫兴公司郑重声明:由于该发明具有狭窄温度范围、保护性烧成工艺、科学级配、系列制造等秘密,至今仍处于保密且没有泄露状态,如欲破解或者取代,可以毫不夸张地说是难以奏效的。因此,这项发明自问世十多年来,虽然一直被模仿,但却从未被超越。

事实上也确实如此。国内另一座4000m 3 以上超大型高炉配套4座同样的顶燃式热风炉,供货商虽然采用了仿制的豫兴专利制品,但却出现了3座燃烧室喷嘴砖及小拱顶严重垮塌损坏案例(见图2),导致热风炉停产抢修,造成企业巨大经济损失。可见用户选用正宗、优质、高品位且符合100次HRK耐火砖指标的产品是多么重要。

图2 某耐材企业为国内4000m 3 级别高炉配置的4座顶燃式热风炉预燃室,均使用了仿制的豫兴1100℃水冷100次抗热震砖HRK,仅使用了3年—4年时间,就有3座出现了预燃室HRK砌体大面积跨塌情况。图为煤气喷嘴损坏、拱顶垮塌现场

针对安钢2800m 3 高炉热风炉砌筑在热风出口之上的拱顶应力集中导致的热风出口和拱顶损坏情况,豫兴人根据详细观察分析,找出了问题产生的原因,并有的放矢,对症下药,实实在在地解决了问题。

刘世聚认为,传统顶燃式热风炉的拱顶砌筑在热风出口之上,在实际生产中出现垮塌、炉壳高温发红等现象较为普遍。例如,在河钢集团乐亭热风炉项目的技术交流会上,该公司专家提出,不少顶燃式热风炉热风出口炉壳发红灌浆损坏垮塌率往往大于90%。究其原因,专家分析认为:高膨胀率耐火砖砌筑限制在上小下大的锥形拱顶区炉壳内,且锥形段又是介于两个不同直径的圆筒状几何体之间。由于整体结构复杂,稳定性差,应力集中现象严重,易导致热风出口位置耐材损坏甚至垮塌,从而导致砌筑在热风出口之上的拱顶随之损坏垮塌现象普遍存在。

针对上述分析,豫兴公司专家对安钢热风炉提出了下列维修方案:将热风炉热风出口之上的拱顶区砌体与热风出口砌体结构实施分离,使热风出口砌体与拱顶砌体各自独立支撑在炉壳上,让燃烧室与热风出口一体的结构一分为二,形成了新的热风炉结构——四段式顶燃式热风炉结构。这也是遐迩闻名且受到用户广泛青睐的豫兴公司另一创新发明成果。

这种四段式热风炉目前正广泛使用在河北乐亭3×2988m 3 、中铁装备3×2500m 3 、津西2×2000m 3 等100多座新建的大型高炉配套的顶燃式热风炉上,且成为彻底解决应力损坏的最佳措施。

针对安钢2号2800m 3 高炉配套顶燃式热风炉存在应力集中,导致了两次损坏,而且在即使打算切割炉壳大修,但时间又不允许的情形下,为保持外部炉壳和内部基本结构完整,豫兴公司专家审时度势,结合四段式热风炉应力分散结构特点和理念,采取了减少和消除应力集中的结构设计措施。即,豫兴公司将其热风出口采用一整环230mm刚玉莫来石高铝砖+半环345mm硅砖相结合的旋砖砌筑结构,将上部拱顶局部采用硅砖补砌,短管采用刚玉莫来石高铝砖砌筑;将原来的热风出口上部大墙的膨胀滑移环缝实施咬合封闭,并将滑移缝转移至短管靠近炉壳的部位。实践证明,这一创新改造修复是成功的。

为进一步解决热风炉大墙整体向上自由膨胀、管道横向自由膨胀,以及热风出口组合旋砖整体结构稳定性等问题,豫兴公司专家将该热风炉热风出口组合旋砖与环缝后连接的短管砖咬合砌筑,并将环缝延长至两环砖处;热风出口旋砖与上部轻质旋砖之间预留50mm(180°范围)膨胀间隙,以确保横向膨胀和纵向膨胀自由,保证了热风出口砖、拱顶砖、短管砖的应力分散转移,确保结构稳定长寿。这一系列措施有效解决了安钢2号2800m 3 高炉顶燃式热风炉热风出口、局部拱顶、短管应力损坏问题。

经过豫兴公司专家科学构思和精心操作,取得了完美的修复成果。2022年3月份,安钢2号2800m 3 高炉3座热风炉修复后正式烘炉投产,风温已恢复至1200℃以上。

刘世聚表示,与顶然式热风炉燃烧器损坏问题相比较,其炉壳开裂是一个更普遍、更严重的安全问题,如果不加以重视,甚至会发生炉壳炸裂、炉顶炸飞的严重生产事故。最近几年,国内大中型钢铁企业的32座超高压高风温热风炉中的24座炉壳均出现了严重龟裂的情形,位于南海之滨一大型钢企高炉配套的热风炉据权威部门鉴定:4座顶燃式热风炉炉壳龟裂竟然多达上万处,埋下了巨大的安全隐患。

其炉壳开裂原因多种多样,但通过研究炉壳损坏的案例,专家发现,所有炉壳焊接带损坏的炉壳,所选用的钢板材料是Q345C;而高风温热风炉作为一种压力容器使用Q345C显然是不合适的,且普通Q345C钢板在焊接过程中易因材质的性能和焊缝固有的热脆、冷脆、气孔、瑕疵导致在高压力、高风温、高氮氧化物浓度综合作用下的腐蚀开裂损坏,甚至炉壳强度减弱导致爆炸。

豫兴公司自2010年开始就在各种技术交流会上,根据自己的创新思维和理念,呼吁使用Q345R压力容器钢代替Q345C/B结构钢作为大型顶燃式热风炉的炉壳材料,并于2011年首次在山西建邦集团通才公司1860m 3 高炉配套的豫兴同类热风炉上使用了这种材料,并实现了迄今为止月均1314.7℃中国高风温的历史纪录。历经10余年考验,其炉壳完好无损,没有出现丝毫裂缝和龟裂现象。

为此,国外权威公司曾发文呼吁,必须用Q345R压力容器钢材替换Q345C/B结构钢,作为顶燃式热风炉炉壳必用材料,并将这种工艺纳入新标准,从而可避免因为炉壳发生脆裂裂缝、裂缝腐蚀,导致热风炉炉体爆炸开膛的安全事故发生。

此外,豫兴公司专家建议,采用不停产炉外壳在线R钢板加保温专利技术,可以确保内层Q345C老炉壳温度大于100℃,从而使炉内燃烧气体,以及送风空气中的水分蒸发无露珠形成。即使炉内产生大量氮化物、硫化物也不形成酸根腐蚀介质。这样,在热风炉不停产不休风条件下就会得到利旧的老炉壳保持现状,新炉壳又能承重承压的结果,从而可以彻底消除安全隐患,减少企业损失。

刘世聚认为,我国高温热风炉技术发展到今天,已经达到了国际一流水平,以往为改变落后而与时俱进、追赶先进的精神,不仅不能丢,而且还要百尺竿头、继续探索,才能再添荣光。作为热风炉行业的从业者和供应商,唯有保持开放包容的态度、拥抱科技、不断创新,努力解决存在的技术难题,才能推动我国高温热风炉技术更上一层楼。

豫兴公司作为一家集热风炉技术研发、设计、建造、技术服务和材料制造为一体的EPC工程总承包公司,集聚了王筱留、王维兴、刘全兴、程树森、武会卿等100多位享誉国内的资深专家学者,先后开发出了豫兴悬链线顶燃式热风炉、豫兴四段式顶燃式热风炉和多旋流柱流顶燃式热风炉三大拳头产品;拥有发明专利31项、实用新型专利85项,荣获了河南省科技进步奖二等奖、河南省工业和信息化科技成果奖一等奖、“2018年度河南省装备制造业十大标志性高端装备”称号、郑州市科技进步奖特等奖等诸多殊荣。豫兴公司与卡鲁金、中冶赛迪、华天、中冶南方、京城、达涅利、西门子等诸多设计院和国际知名企业建立了良好合作关系;在全国各地取得了近700余座豫兴顶燃式热风炉的建设投产的工程业绩。

但豫兴公司持续深入的研发脚步从未停止。其更高温、更节能、更环保的新一代专利技术已经研制成功并将投入工程实践。

山高路险,以科技为杖,创新驱动热风炉延年益寿,是豫兴人不懈的追求。豫兴公司一定能坚守初心,不断攀登高温热风炉技术新高峰,披荆斩棘、埋头苦干,努力为我国高温热风炉技术插上科技之翼,在我国实现节能减排和制造业高质量发展过程中献出光和热。

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