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高风温长寿热风炉设计的一些问题

晨怡热管 中冶京诚工程技术有限公司 吴启常 吕宇来 2009-11-7 19:38:12
摘要根据国内外热风炉的状况,提出了我国高风温长寿热风炉的设计目标:风温1 250℃,寿命25~30年。为了实现此目标,应该做好如下工作:开发新型高效格子砖;注意防止晶间应力腐蚀;对于耐火材料在严格蠕变要求的同时应增加热稳定性的要求;改进热风管道系统的设计;设置功能完善的自动控制系统。
 
关键词热风炉高风温长寿格子砖
 
 
  提高高炉鼓风温度将带来良好的经济效益。它不仅可以降低高炉冶炼的燃料消耗,而且有利于增加喷煤量,对于降低高炉生产的能耗和成本有着深远意义。近年来,我国高炉的整体风温虽然有所提高,但与先进的高炉相比仍有较大的差距。为了改变这一状况,有必要总结和提高热风炉的设计和操作水平。当前国内外热风炉的先进水平是:风温1250℃,寿命25~30年。这一指标应该是我们的高风温长寿热风炉近期力争实现的目标。为了实现这一目标,热风炉的设计要解决哪些问题?我们认为以下课题值得研究。
 
1热风炉应具有足够大的换热能力
  热风炉是一组用格子砖堆积起来的庞大的高炉鼓风加热设施。格子砖作为高温热量的载体在热风炉燃烧期内吸收并贮存燃烧产物的热量,然后在送风期内放出热量加热鼓风。热风炉内格子砖的总热交换量是非常大的,因此,认真研究高风温长寿热风炉的格子砖是十分必要的。
1.1热风炉需要多大的格子砖加热面积?
  热风炉的换热量与格子砖的加热面积有着密不可分的关系,热交换量越大,要求格子砖的加热面积就越大。过去,在确定热风炉加热面积时都是套不同的大指标。例如,前苏联的M.A.HABLOB院士就曾经推荐过:对一座热风炉的加热面积采用1 m2/[(m3/min)·100℃]。自从计算机技术推广应用以来,人们对于影响热风炉热工状态的各种因素进行了全面的研究,因此,现在便有条件利用这些研究成果对热风炉必要的加热面积进行较为接近实际情况的计算。图1是文献[1]介绍的一种确定热风炉格子砖必要加热面积的图表。该图表是对格孔尺寸为45mm ×45mm的直角格子砖,热风炉的工作周期∑τ=4h,冷风温度t’=150℃为基础进行计算的结果。
    对于单位鼓风量(1 m3/min)在计算条件下所需1座热风炉格子砖加热面积由式(1)确定。
    圆形格孔的六边形格子砖,不同工作周期和冷风温度的条件下,加热面积须用式(2)进行修正。
   (H0/Vg)标准=f1-f2-f3+f4+f5   (1)
式中f1~f5通过查对图1确定。
   (H0/Vg)=(H0/Vg)标准K1K2K3 (2)
式中K1——与风速有关的格子砖特性修正系数,
    K1=1.08+0.007Wg;
    K2——与全工作周期有关的修正系数,按图2确定;
    K3——冷风温度t’≠150℃时的修正系数。

1.2开发新型高效格子砖系列
    当今由于热风炉自动控制水平的提高,相应地缩短了热风炉的操作周期。与此同时,煤气中含尘量也降低到了<10mg/m3的水平。这样我们便具有了采用缩小格孔直径的手段来增加格子砖单位加热面积的条件,从而使热风炉能够达到以最少的投资得到最大的加热面积的目的。
    近年来,为了强化热风炉的热交换能力,国外热风炉设计和耐火材料供应商对于通过缩小格孔直径来增加单位加热面积的趋势是很明显的。俄罗斯、德国等都在走小孔化的路,见表1。


 


    显然,我国传统格子砖的单位加热面积比国外格子砖小很多。近年来,我国一些热风炉也正在改变长期采用传统格子砖(Ø43 mm)的状况,但是,它是以克隆国外格子砖砖型为基础的,知识产权不属于我们,这对于产钢第一大国的地位来说实在是太不相称了。因此,学会格子砖的设计方法,自主开发我国高效格子砖系列产品,迅速改变我国热风炉格子砖生产的落后状况,势在必行。
    热风炉高效格子砖设计的关键在哪里?在热风炉格子砖的设计中既要重视格子砖的加热面积,又要保证格子砖具有充足的蓄热体容积。前者保证热风炉格子砖在单位时间内具有足够的热交换量,后者保证必要的热储存能力。
    在格子砖的诸多几何参数中,格孔的水力学直径d和活面积f是最基本的参数,因为它决定了格子砖的其他特性: 
                                                       4f
  单位格子砖的加热面积:H=—(m2/m3) (4)
                                                       d
  单位格子砖的蓄热体容积:
 VK=1-f(m3/m3)    (5)
  格子砖壁的半当量厚度:
   (1-f)d
R=——             (6)
    4f
  格孔间的最小壁厚:
 δmin=d[(A/f)1/2-1](mm)    (7)
  从式(4)中可以看出格子砖几何参数d、f与H的相互关系来。为了更清楚地看出它们之间的关系,同时用图3表示之。从图3和式(4)中可以看出,在保持一定的活面积值厂的条件下,通过减小d可以加大格子砖的单位加热面积H,而且,d越小,H增加幅度越大。在d确定之后,增加格子砖的f值也可以在一定程度上加大格子砖的H值。但从式(5)可知,随着f值加大,VK(蓄热体的容积量)却是下降的。显然,如果VK值降低过多,将造成热量储存能力不足。这就是说,对应于每一个格孔直径d,应该有一个最优的活面积值。如何确定这一数值,是格子砖设计的关键课题。图4是为寻找最优的活面积值的计算图。其优化的原则是:热风炉在一定操作条件下使用具有最优的活面积f和蓄热体容积VK值的格子砖,它可以获得最高的鼓风加热温度。当然,还可能有格子砖的其他优化方法。只要我们掌握了格子砖的设计方法,便可以根据不同的热风炉操作制度开发新的的格子砖,以保证热风炉获得最佳的工作状态。

    表2是以热风炉单炉送风时间1h的操作条件为基础,经优化后的格子砖系列产品的特性。

 1.3蓄热室采用小孔格子砖后的变化
    (1)随着格子砖格孔直径的减小,在单位加热面积值增加的同时,蓄热体的容积值(与之相对应的单位砖重)也是增加的。因此,它们无疑都具有良好的换热和蓄热的性能,明显地优越于Ø43 mm孔径的传统格子砖。
    (2)从表2数据可知,VK/H值随格孔的减小而减小。它表明每1 m2加热面积的砖重是减少的,因此缩小格孔直径可以节约用砖量。
    (3)由于这些格子砖活面积较传统格子砖小,为了避免可能引起的阻力损失增加,在热风炉设计中可以通过适当扩大蓄热室断面积,减小热风炉高度来解决。
    (4)蓄热室热交换系数α的变化。格子砖通道内传热过程的换热系数通常采用:
    辐射传热系数:
α辐射=(0.18 CO2+O.32 H2O)[(t/100)一2]d0.5        (8)
    对流传热系数:
    α层流=C(0.96+0.21 Wd-0.6)(t+273)0.25(9)
    α紊流=0.74CW0.8d-0.333(t+273)0.25    (10)
式中W——带热体流速,m/s;
    t——带热体温度,℃;
    d——通道的水力学直径,m;
    CO2和H2O——分别为带热体中CO2和H2O
    的含量,%。
    对流传热过程紊流与层流的临界速度W0可按下式估算:
    W0=0.06/d    (11)
    从式(8)~式(10)可以看到,缩小格孔对于对流传热系数的提高是有利的,而辐射传热系数相应减小。这就是说,在一定条件下,缩小格孔后,热风炉的对流换热系数加大了,辐射换热系数相应减少了,这对于充分利用热风炉下部的热量,减小热风炉的拱顶温度波动无疑带来十分有利的影响。从式(11)可以看出,当格孔直径缩小时,紊流与层流的临界速度将相应提高。设计中一定要注意。
 
2保证热风炉拱顶温度达到l 400℃以上
    为了获得1 250 ℃的风温,热风炉拱顶温度达到1400℃以上是必要的。在目前仅采用热值小于3 150 kJ/m3的高炉煤气条件下烧炉是不能满足要求的。其出路有二:一是掺烧一定比例的高热值煤气;二是对助燃空气和煤气进行预热。这是大家熟悉的内容,此处不再赘述。在此介绍另外一条新思路:高炉采用富氧鼓风以提高高炉煤气热值,与此同时,将热风炉的最高废气温度提高到450~500℃,用此废气对助燃空气和煤气进行预热,以保证热风炉的拱顶温度达到1 400℃。这一思路对于简化热风炉系统的设计,降低热风炉的投资是极为有利的。当前在焦炭价格不断上涨,焦炭和煤粉价格差越来越大的情况下,高炉采用富氧鼓风不仅技术上是合理的,而且在经济上也是有利可图的。根据计算结果,高炉鼓风中含氧量每提高1%,煤气发热值将提高约145 kJ/m3。由于热风炉废气温度的提高,加大了整个格子砖室与鼓风之间的温度差,不仅可以提高热风炉的换热效率,减少格子砖的用量,而且有利于提高助燃空气和煤气的预热温度。需要解决的问题是耐高温的热风炉炉箅子和高温换热器的研制。
    对于高拱顶温度操作的热风炉应该特别注意防止钢壳晶间应力腐蚀的问题。目前,我们所能采取的主要手段有:
    (1)拱顶温度控制在1400℃的水平上;
    (2)拱顶外壳内表面喷砂除锈后涂刷耐酸高温漆并喷涂耐酸耐火材料;
    (3)适当加厚拱顶外壳钢板,采用“低应力设计”,并选用细晶粒耐龟裂钢板作为炉壳材料;
    (4)拱顶外壳转折点采用曲线连接,并用电加热进行局部退火以消除焊接应力。
 
3合理选择优质耐火材料
    合理选择热风炉耐火材料,使之不仅具有能够适应工作条件的理化性能,同时又具有比较低廉的价格是高风温热风炉设计的重要课题。当然它应该包括耐火砖和不定形耐火材料。
    近年来,我国热风炉高温区广泛使用了高温蠕变率极低和价格相对比较低廉的硅砖,无论从技术角度还是经济角度看都是完全合理的。   
    为了适应高风温长寿热风炉的要求,对其耐火材料也应有更高的要求。根据国内外热风炉耐火材料的发展情况,归纳如下:   
    (1)硅砖的体积密度应提高。提高硅砖的体积密度,对提高鼓风加热温度是有利的。国外把体积密度≥1.80/cm3的硅砖称为普通硅砖,≥1.90g/cm3的硅砖称为致密硅砖,≥1.95 g/cm3的硅砖称为高致密硅砖。我国目前生产的硅砖体积引度基本在1.80~1.85g/cm3,应开发生产致密硅砖。
    (2)对陶瓷质砖(燃烧器砖、高铝砖和粘土砖等)除了对蠕变率应严格要求外,还应增加抗热震性能要求。   
    在我国热风炉的生产实践中,发现热风炉砖存在剥落现象,因而参考一些国外对热风炉耐火材料的要求来改进我们的耐火材料质量是必要的。建议以l100 ℃水冷的热震稳定性次数>15次作为初步指标,与耐火材料供应商进行商讨。
    (3)严格控制热风炉不定形耐火材料的质量是保证热风炉长寿的重要手段之一。当前,许多劣质不定形耐火料充斥国内市场,订货时应特别注意。尤其是拱顶耐酸喷涂料和粗煤气管道喷涂料应特别加以重视。目前防止热风炉拱顶钢壳晶间应力腐蚀的手段还不多,拱顶耐酸喷涂料的质量是其中关键的一个环节。
 
4合理的管道系统设
4.1 纠正不合理的热风管道结构设计
    热风管道烧红、漏风甚至崩裂已成为我国一些热风炉进一步提高风温的一个障碍。造成这些问题的主要原因之一是热风管道结构设计不合理。20世纪80年代以前的传统热风管道结构设计基本上不考虑受热膨胀带来的诸多影响,固定得过死是它存在的主要问题。自从宝钢1号高炉引进新日铁技术以后,国内许多热风炉采用了它的设计思路,但热风管道仍存着问题。在这些设计中,热风围管被固定在炉体框架上,这样,热风管道系统的围管一端便成为固定端,热风管道所有支座的设计均为允许管道沿其中心线与围管相反端运动的滑动支座。在热风主管和支管上设有波纹管膨胀器以及与波纹管膨胀器数量相等的分段式拉杆组,以克服在送风时出现的应力的影响。设计中虽然考虑了受热以后管道的膨胀,但未考虑拉杆伸长带来的影响。造成拉杆伸长的因素有二:一是送风时热风管道盲板力引起的拉杆弹性伸长,以热风压力0.5 MPa计,盲板力将达到324 t。只要热风管道处于送风状态,拉杆就会产生弹性伸长,而高炉处于休风状态时,拉杆又恢复到原来状态;二是拉杆的安装温度与实际工作温度差异引起的拉杆伸长。由于热风管道系统中,围管一端已经固定,而整个热风主管沿轴线方向上都是自由的,这样一来,拉杆的伸长将拖动热风主管向远离固定端的方向运动,并且离固定端越远,位移量将越大。其结果便造成:①热风支管波纹管膨胀器出现过大的横向变形;②离固定端越远的热风炉,其支管波纹管膨胀器的横向位移量越大。
  我们对宝钢1号高炉热风支管波纹管膨胀器变形量实测结果(1、2、3、4号热风支管波纹管两端位移量分别为24.0、42.5、51.5、66.5mm)完全证明了上述分析是正确的。由此可见,热风管道受热以后出现膨胀是必然的。对热风管道的膨胀限制得过死或者不加限制都是不行的。我们的方针应该是有限制的定向膨胀,即把热风围管以及每根热风支管的中心固定在一个位置上,将热风管道的膨胀限制在两个固定点之间。其具体措施如下:①在每座热风炉的热风支管两侧的主管上各安装一个波纹管补偿器。设置热风主管端部波纹补偿器的目的在于吸收拉杆的伸长,以消除拉杆伸长对热风支管产生的影响。端部波纹补偿器的补偿量应足以补偿拉杆的伸长。②将分段式的短拉杆改为连成一体的长拉杆。③在热风支管与主管中心线的交点处设置固定支座。
  实践表明,这种热风管道结构可以适应高风温以及长寿的要求,是一种低应力、定向膨胀的热风管道系统。
  对于顶燃式热风炉还应考虑垂直热风管的热膨胀问题。笔者认为,最牢靠的解决方案是采用宝钢热风炉混风室的结构形式。
4.2合理的热风管道隔热设计
  过去,设计中不太重视热风管道的隔热计算,千篇一律,照搬照套。当今,出现了许多新的隔热材料,应该根据现在的实际情况,提出隔热效果更好的热风管道系统设计来。
 
5功能完善的自动控制系统
    缩短送风时间和实现燃烧最优化是提高热风温度、节约能耗的重要操作手段。而设置自动换炉和自动燃烧控制系统正是完善这些操作手段所必须的。在我国,热风炉系统自动换炉的控制程序运行较好,自动燃烧控制系统应用较少,应该加快步伐进一步完善。
 
6关于热风炉的形式和座数
    在我国的现役热风炉中,内燃式、顶燃式、外燃式(包括新日铁式、地德式和马琴式)和球式热风炉样样俱全。应该说,它们都具有获得高风温的条件。简单地来评述谁好谁赖,应该推广哪一种形式,实属困难。关键在于用户的选择。用户在选择热风炉的形式时,应该着重研究它们存在的问题解决得如何?特别是对于大型热风炉尤为重要。当今,随着热风炉寿命的延长和系统工作可靠性的提高,应该提倡1座高炉配置3座热风炉。如果一定要配置4座热风炉,应考虑避免并联送风时风速过低而影响其传热效率。笔者认为,对于大型高炉来说,应该走德国人的路,即1座高炉配置3座外燃式热风炉。在德国,内容积大于2500m3高炉清一色配置了3座外燃式热风炉,内容积最大的Schelgern 2号高炉(V=5513m3)也不例外。
 
7结论
    高风温长寿热风炉的目标:风温≥1 250 ℃,寿命≥25~30年。为此,应解决如下课题:①高风温长寿热风炉应该具有足够大的蓄热面积。以缩小格子砖的格孔直径的途径来开发具有自主知识产权的新型高效格子砖,不仅可以加大格子砖的蓄热面积,而且可以强化热风炉的传热过程;②为了保证拱顶温度达到1400℃以上,除传统工艺外,还可以研究高炉采用富氧鼓风和提高废气的工艺,同时还必须重视防止晶问应力腐蚀现象的出现;③硅质耐火材料应提高体积密度,陶瓷质耐火材料应在严格高温蠕变要求的同时,增加抗热震性能的要求;④改进热风管道系统设计使热风管道系统合理化;⑤设置功能完善的自动控制系统;⑥提倡1座高炉设置3座热风炉。 
责任编辑: banye 参与评论
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