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發(fā)布：2022-05-05 20:41:49
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高爐烘爐技術(shù)淺析
孫智慧 陳建偉 白雪松 聶世峰
（河南華西耐火材料有限公司）
摘要：高爐在開爐之前，必須經(jīng)歷嚴(yán)格的烘爐階段。本文針對高爐烘爐時(shí)機(jī)、烘爐方式、烘爐升溫速率、恒溫溫度、烘爐風(fēng)量和水量的選擇，以及判斷烘爐好壞的標(biāo)準(zhǔn)等高爐烘爐的相關(guān)問題，進(jìn)行了總結(jié)和分析，提供了高爐烘爐的合理思路，提出了高爐烘爐的合理化建議，并建議相關(guān)部門制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)鍵詞：高爐；烘爐；升溫速率；風(fēng)量；水量
Analysis of blast furnace drying technology
Sun Zhizhi, Chen Jianwei, Bai Xuesong, Nie Shifeng
(Henan Huaxi refractory Co., Ltd.)
Abstract: the blast furnace must go through a strict drying stage before starting. This paper summarizes and analyzes the relevant problems of blast furnace drying, such as the timing of blast furnace drying, the way of drying, the heating rate of drying, the constant temperature, the selection of drying air volume and water volume, and the standard for judging the quality of drying, provides the reasonable idea of blast furnace drying, puts forward the reasonable suggestions of blast furnace drying, and suggests that the relevant departments formulate industry standards.
Key words: blast furnace; Oven drying; Heating rate; Air volume; Water volume
前言
高爐烘爐的目的有：緩慢升溫和保溫使耐火材料間的水分或樹脂等不必要的物質(zhì)蒸發(fā)出來；促使耐材發(fā)生晶變固化，提高固結(jié)強(qiáng)度；使?fàn)t體設(shè)備緩慢的達(dá)到可以生產(chǎn)和使用的狀態(tài)，避免應(yīng)力突化損壞設(shè)備。為了達(dá)到以上目的，除了周密組織烘爐方案、保證烘爐工作的順利進(jìn)行之外，高爐工作者還應(yīng)靈活選擇烘爐的方式、升溫速率、恒溫溫度及時(shí)間，合理選擇烘爐風(fēng)量、水量及合理安排排氣孔，甚至還要考慮爐容大小、建筑季節(jié)、烘爐時(shí)機(jī)等。但目前業(yè)內(nèi)高爐烘爐亂象叢生，為了烘爐而烘爐，目的性不明確，導(dǎo)致烘爐效果差，高爐爐役壽命受到限制。同樣的爐缸結(jié)構(gòu)，使用年限差距大。筆者提出高爐烘爐需要注意的幾個(gè)問題，拋磚引玉，交流探討。1 烘爐時(shí)機(jī)的選擇
水是所有耐火材料的大敵。高爐內(nèi)的耐火材料，包括碳磚在內(nèi)，都應(yīng)該盡量避免或減少與水的接觸。尤其是直接與水接觸，將會非常快速地導(dǎo)致耐火材料失效。除此之外，耐火材料與氧氣接觸，也會發(fā)生組分氧化的情況。如SiC采取氮化工藝，就是為了避免晶變前被氧化。所以，高爐烘爐的時(shí)機(jī)選擇，應(yīng)該以此為原則，高爐修建后經(jīng)過短暫的自然干燥盡早烘爐投入生產(chǎn)。某些高爐在砌筑或澆注、噴涂后不及時(shí)烘爐，不及時(shí)投入生產(chǎn)，水分難以析出并長時(shí)間與材料直接接觸，這將影響耐火材料的性能，嚴(yán)重時(shí)影響到高爐壽命。耐火材料廠家一般按照使用前3~7天組織生產(chǎn)，并設(shè)有保質(zhì)期，就是為了更好地保證材料性能。保質(zhì)期是指在干燥室溫環(huán)境下的儲存建議最長期限，而不是施工后的不確定環(huán)境。保存時(shí)間短，材料從空氣中吸收或者吸附水分少，尤其是不定型耐火材料中的粉料和骨料不會潮解。包裝保存也避免了材料與氧氣長期接觸，導(dǎo)致個(gè)別組分被晶變前氧化。物料的潮解和組分氧化都影響材料使用。2 烘爐方式的選擇
目前高爐烘爐主要有以下三種方式[1]：一是熱風(fēng)烘爐，二是明火烘爐，三是從熱風(fēng)爐串熱煙氣烘爐。熱風(fēng)烘爐是利用熱風(fēng)爐的蓄熱加熱高爐耐材的烘爐方式；明火烘爐是在高爐風(fēng)口設(shè)置燒嘴燃燒柴油、天然氣或其他碳?xì)淙剂袭a(chǎn)生熱量加熱高爐耐材[2]；熱風(fēng)爐串熱煙氣烘爐是在熱風(fēng)爐上燃燒燃料，利用廢氣加熱高爐耐材。熱風(fēng)烘爐的烘爐氣體為加熱后的空氣，含水量和空氣一樣。明火烘爐和煙氣烘爐實(shí)質(zhì)上是相同的，都能產(chǎn)生水，致使烘爐氣體的含水量遠(yuǎn)大于空氣，不同之處是用煙氣烘爐的同時(shí)也烘了熱風(fēng)管道。所以，高爐烘爐應(yīng)首選熱風(fēng)烘爐。至于明火烘爐的缺陷，文獻(xiàn)1和2講解非常清楚。明火烘爐時(shí)，高爐內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，爐缸下部無法進(jìn)行對流換熱導(dǎo)致升溫困難。每噸碳?xì)淙剂先紵a(chǎn)生的水蒸汽約有1.5~2.1噸，靠近低溫爐壁的水蒸汽冷凝進(jìn)入爐缸底部，有可能局部發(fā)生浸泡，嚴(yán)重影響烘爐效果。爐缸又是高爐烘爐最關(guān)鍵的部位，包括爐底和泥包在內(nèi)的爐缸下部得不到有效烘烤甚至泡水，不僅影響耐材壽命，還由于煙氣量小和水汽凝結(jié)影響整個(gè)爐體的烘烤效果：應(yīng)力消除差、搗打料不能固化等。高爐烘爐時(shí)，尤其是選擇明火烘爐時(shí)，要想辦法加強(qiáng)爐缸底部的對流。比如增設(shè)擋火板，鐵口導(dǎo)管加大，實(shí)現(xiàn)溫度場的合理科學(xué)分布。3 烘爐升溫速率的選擇
烘爐升溫速率與被烘材料的性能參數(shù)密切相關(guān)。既要有足夠的升溫速率，又要控制升溫速率的上限，不破壞材料的應(yīng)有結(jié)構(gòu)。高產(chǎn)長壽優(yōu)質(zhì)低耗離不開科學(xué)烘烤。比如全碳磚砌筑爐缸的高爐和砌筑陶瓷杯的高爐，以及爐缸澆筑陶瓷杯的高爐，烘爐的升溫速率不應(yīng)相同。不同的結(jié)合劑也需要不同的烘爐參數(shù)（目前常用結(jié)合劑有低水泥、水玻璃、硅溶膠、磷酸結(jié)合等，均含有水或樹脂）。耐火澆注料具有高溫性能好、熱穩(wěn)定好、耐渣蝕、整體性強(qiáng)及使用壽命長、造價(jià)低等特點(diǎn)，但游離水和結(jié)晶水含量高。碳磚的導(dǎo)熱系數(shù)一般在12 W/（m·k），陶瓷杯的導(dǎo)熱系數(shù)一般在2.5W/（m·k），爐缸半導(dǎo)熱澆注料的導(dǎo)熱系數(shù)一般在4 W/（m·k），而且爐缸澆注時(shí)加有7%左右的結(jié)合劑，如果烘烤不當(dāng)，升溫速度過快，會引起爐襯裂紋、氣孔、剝落或爆炸倒塌。下表是現(xiàn)代爐缸典型材料的典型導(dǎo)熱系數(shù)。表1現(xiàn)代爐缸典型材料的典型導(dǎo)熱系數(shù)[5]
序號 | 材質(zhì) | 導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·k） |
1 | 爐殼 | 52.2-0.025t |
2 | 爐殼填料 | 0.35 |
3 | 冷卻壁 | 42.05-0.02689t |
4 | 碳搗料 | 8 |
5 | 半石墨碳磚 | 10 |
6 | 微孔碳磚 | 15 |
7 | 超微孔碳磚 | 20（常溫） |
24（600℃） |
23（800℃） |
8 | 剛玉磚 | 5 |
9 | 塑性相 | 4 |
10 | 復(fù)合棕剛玉磚 | 2.5 |
11 | 粘土磚 | 0.84+0.000581t |
12 | 半導(dǎo)熱澆注料 | 4 |
13 | 高導(dǎo)熱澆注料 | 10 |
注：t為材料溫度，℃
相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)在檢測高溫抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度時(shí)，規(guī)定樣塊的升溫速率是2~10℃/min，最好是4~6℃/min[3]。實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，除了將材料物理水和結(jié)晶水排出蒸發(fā)外，還要防止材料受高溫后產(chǎn)生大量水蒸汽及晶形急劇轉(zhuǎn)變造成磚砌體膨脹裂縫。緩慢升溫促使各受熱面均勻升溫，緩慢膨脹，也避免了產(chǎn)生不均勻的熱應(yīng)力，破壞各聯(lián)接設(shè)備件。馬鋼2號高爐2003年9月烘爐效果顯示，利用烘爐消除冷卻壁殘余內(nèi)應(yīng)力達(dá)93%，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上升至110%以上[4]。緩慢升溫是總原則，對于不同的爐缸結(jié)構(gòu)，還應(yīng)該選擇不同的升溫速率。爐缸直徑大、結(jié)構(gòu)有缺陷、內(nèi)襯材質(zhì)較差、砌筑質(zhì)量不好、熱阻大導(dǎo)熱低、砌筑或澆注厚度厚的結(jié)構(gòu)，應(yīng)該選擇偏低的升溫速率。下面是筆者根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)推薦的升溫速率區(qū)間：全碳磚新高爐：15-40℃/h；碳磚加砌筑陶瓷杯新高爐：10-20℃/h；碳磚加澆注陶瓷杯新高爐：15-30℃/h；大修舊高爐：根據(jù)不同情況前述升溫允許最大值+10-20。筆者不建議升溫過快，以免影響爐缸壽命。因故二次烘爐時(shí)，升溫速率建議選擇150℃/h，最高不超過250℃/h[6]。4 恒溫溫度的選擇
耐材150℃保溫析出爐缸澆注料里的自由水；250℃保溫析出部分結(jié)晶水；350℃保溫析出全部結(jié)晶水；600℃保溫使耐材表面晶型相變完全，減少因相變造成體積膨脹對澆注體的破壞，避免爐體設(shè)備機(jī)械應(yīng)力的集中釋放。以某爐缸澆注料為例（理化指標(biāo)見表2）。表2 某爐缸澆注料理化指標(biāo)
應(yīng)用部位 | 高爐爐底 |
抗堿性 | 優(yōu) |
Al2O3，% | ≥70 |
SiC ,% | ≥8 |
Si3N4 ,% | ≥7 |
鐵水溶蝕率，% | ＜4.5 |
抗折強(qiáng)度（MPa) | 1450℃×3h | ≥14 |
耐壓強(qiáng)度（MPa) | 1400℃×3h | ≥85 |
線變化率（%） | 1400℃×3h | ±0.3 |
導(dǎo)熱系數(shù)（W/（m·k）） | 1400℃ | 4 |
體積密度（g/cm3) | 110℃×24h | ≥2.95 |
結(jié)合劑選擇平均粒徑10-20nm的JN-40硅溶膠（俗稱4.0硅溶膠），添加比例為重量比1：7.2%，按照GB/T 4513.6—2017要求實(shí)驗(yàn)不同溫度下的失重率繪制曲線如圖1。
圖1某爐缸澆注料不同溫度下的失重率曲線圖
上圖再結(jié)合其他高爐內(nèi)襯不定型材料失重率數(shù)據(jù)，可以看出100-350℃范圍內(nèi)，試樣失重率累計(jì)達(dá)到了接近85%，可見此范圍內(nèi)游離水的析出以及結(jié)晶水的析出比例較大。因此在100~350℃之間選擇長時(shí)間、多次恒溫以便水分析出充分是有必要的。目前常規(guī)的做法是150~250~350℃三個(gè)溫度選擇1~3個(gè)進(jìn)行恒溫，每次恒溫12~48小時(shí)不等，根據(jù)結(jié)構(gòu)、材料、施工不同選擇不同的恒溫時(shí)間。這里說的溫度是指耐材溫度，一般以專門鋪設(shè)或砌體內(nèi)表面縮進(jìn)2~5mm處的熱電偶測溫溫度表示。在以熱風(fēng)溫度作參考溫度時(shí)，應(yīng)該做適當(dāng)調(diào)整，比如根據(jù)測定溫差或以50℃左右為標(biāo)準(zhǔn)上調(diào)參考溫度。下表（表3）是推薦高爐澆注烘爐恒溫時(shí)間，恒溫溫度以熱風(fēng)溫度為準(zhǔn)。表3 推薦澆注高爐烘爐恒溫時(shí)間
爐缸結(jié)構(gòu) | 澆注厚度，mm | 恒溫時(shí)間，h |
150℃ | 350℃ | 600℃ |
新砌爐缸 | ＜200 | 24 | 32 | 48 |
200~400 | 32 | 40 | 56 |
＞400 | 40 | 48 | 64 |
利舊爐缸 | ＜200 | 32 | 40 | 56 |
200~400 | 40 | 48 | 64 |
＞400 | 48 | 56 | 72 |
注：表中時(shí)間均為推薦時(shí)間，根據(jù)施工現(xiàn)場情況允許調(diào)整。
值得說明的是，碳磚與冷卻壁之間的填料、大塊碳磚與小塊碳磚、施工質(zhì)量等均不同程度地制約了烘爐效果，有必要有針對性地調(diào)整升溫和恒溫時(shí)間。填料的自身性能及施工填充密實(shí)度是一個(gè)關(guān)鍵因素；大塊碳磚制作難度大砌筑縫隙少，小塊碳磚制作難度小但砌筑縫隙多；碳磚是否頂砌；烘爐前爐缸爐殼與冷卻壁之間是否壓漿填充等因素均應(yīng)該在制定烘爐方案時(shí)進(jìn)行考慮[5]。5 烘爐水量的選擇
烘爐的過程中為了更好地烘干水分，為了保證爐殼與冷卻壁之間的壓漿料更好地升溫固化，烘爐期間應(yīng)減少循環(huán)冷卻水的冷卻。有資料顯示，烘爐期間停水也是可取的[6]。甚至有在烘爐期間冷卻壁通蒸汽、熱風(fēng)或熱水的做法。常規(guī)的做法，烘爐期間冷卻水按照進(jìn)水總量的1/2~1/3控制，這是不科學(xué)的，盡管也考慮到了減少水量這一點(diǎn)。正確的做法是根據(jù)冷卻設(shè)備的不同及冷卻部位的不同，選擇不同的水量或停水烘爐等。原則是既要保證烘爐能達(dá)到耐材溫度升溫的需求又要保證冷卻設(shè)備及爐殼溫度可控。250℃、760℃分別是銅冷卻壁、鑄鐵冷卻壁的極限工作溫度。按照以上原則控制烘爐水量是比較科學(xué)的，銅、鑄鐵、鑄鋼材質(zhì)的冷卻壁要區(qū)分對待[7]。在烘爐最高溫度600℃的條件下，停水烘爐時(shí)填料最高溫度為162℃，可以達(dá)到烘干爐缸爐底泥漿和填料的溫度，而冷卻壁熱面的最高溫度為146℃，遠(yuǎn)低于冷卻壁安全工作溫度，新填料溫度達(dá)到110℃需要283h[6]（有些高爐烘爐以填料溫度85℃或爐殼溫度50℃為準(zhǔn)）。所以，在烘爐時(shí)爐缸冷卻壁停水（也稱為儲水），并延長恒溫時(shí)間對烘爐是有利的。風(fēng)口各套及爐缸以上部位，控制水速按照部位和材質(zhì)分別控制到水速0.1m/s或水量1/3~1/2是完全可行的，也是對烘爐有利的。6 烘爐風(fēng)量的選擇
高爐烘爐以熱風(fēng)溫度為依據(jù)時(shí)，以爐頂溫度和氣密箱底部溫度相制約，爐頂溫度嚴(yán)禁超過450℃，氣密箱底部溫度嚴(yán)禁超過70℃。風(fēng)量是在烘爐過程中需要用到的一個(gè)調(diào)劑手段。通過熱風(fēng)這個(gè)介質(zhì)把烘出的水分排進(jìn)大氣，就需要有一定的風(fēng)量。但是實(shí)際烘爐時(shí)風(fēng)量的大小又受到風(fēng)溫的影響。風(fēng)溫能力高，風(fēng)量大了就會升溫過快，脫離了升溫和恒溫的要求。但烘爐又需要一定的風(fēng)量，以促進(jìn)熱量傳遞，保證烘爐效果。如果烘爐排氣孔不夠通暢，烘出的水分不能順利通過排氣孔排出，就需要足夠的烘爐氣體排出水分，提高烘爐風(fēng)量是需要的。但如果排氣孔設(shè)置較多且合理，又能夠盡量保持暢通，則風(fēng)量相對不需要很大。畢竟大的風(fēng)量對不定型材料產(chǎn)生裂紋或縫隙也有一定的隱患，況且大的風(fēng)量也是一種能源浪費(fèi)。某公司設(shè)計(jì)的排氣孔開到冷卻壁碳搗料處，一孔三用：烘爐期間保證碳磚內(nèi)碳搗料水蒸汽的順利排出；烘爐后可插入測溫?zé)犭娕急O(jiān)控爐體；生產(chǎn)期間可實(shí)現(xiàn)冷卻壁熱面灌漿，盡一步修復(fù)碳搗料的密實(shí)度和導(dǎo)熱性，有利保護(hù)爐缸。利用合理分布且有效的排氣孔排氣，可以降低風(fēng)量帶走水分的負(fù)擔(dān)，進(jìn)而存在降低低溫區(qū)段的烘爐風(fēng)量的可能，利于不定型材料的緩慢固化，提高烘烤效果。在350℃及以上溫度烘爐時(shí)，爐體耐材游離水已經(jīng)烘出80%以上，此時(shí)增大烘爐風(fēng)量，有利于熱量的傳導(dǎo)和對流，以縮短不必要的填料升溫時(shí)間，有利于烘爐工期的縮短。但不建議把烘爐工期縮短到失去理智，還要根據(jù)前述原則進(jìn)行合理選擇。7 烘爐結(jié)束的依據(jù)
烘爐結(jié)束不能只考慮烘爐氣體的水分含量是否與大氣濕度很接近，要根據(jù)不同的烘爐方式慎重參照這一點(diǎn)。比如明火烘爐使用碳?xì)淙剂蠒r(shí)，烘爐氣體中水分含量遠(yuǎn)大于大氣濕度。所以，明火烘爐要選擇其他的結(jié)束依據(jù)。無論什么樣的爐體結(jié)構(gòu)或砌筑結(jié)構(gòu)，爐缸冷卻壁與爐殼間的填料溫度達(dá)到110℃，或爐缸冷卻壁溫度達(dá)到150℃，或爐缸插入離冷卻壁最近的熱電偶溫度達(dá)到150℃，或爐殼溫度達(dá)到50℃，都可以作為烘爐結(jié)束的依據(jù)。這也是烘爐比較好的判斷依據(jù)。可往往受限于其他因素，很容易忽略這一點(diǎn)，只遵循烘爐曲線。單獨(dú)依靠烘爐曲線是否嚴(yán)格執(zhí)行不是烘爐好壞的判定標(biāo)準(zhǔn)。有人想用游離水全部烘出作為烘爐結(jié)束的依據(jù)，但烘爐期間游離水不會100%析出，沒必要強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)。烘爐后的爐體耐材溫度達(dá)到烘干固化產(chǎn)生強(qiáng)度是烘爐的關(guān)鍵，關(guān)注以上溫度，靈活調(diào)整烘爐曲線，才能達(dá)到烘爐目的，提高烘爐效果，科學(xué)判斷烘爐結(jié)束時(shí)間。圖3為華西耐材全爐澆注烘爐參考曲線，此烘爐曲線曾在施工中多次被調(diào)整使用，此外，行業(yè)內(nèi)需要盡快考慮不同情況下高爐烘爐標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的制定，GB 50211-2014所附烘爐時(shí)間應(yīng)予修改。
圖3 華西耐材全爐澆注烘爐參考曲線
8 結(jié)語
本文對高爐烘爐時(shí)機(jī)、烘爐方式、烘爐升溫速率、恒溫溫度等問題進(jìn)行了總結(jié)和分析，并結(jié)合多年的高爐烘爐經(jīng)驗(yàn)，對高爐烘爐的各個(gè)關(guān)鍵工藝提出了改進(jìn)建議。高爐工作者只有針對爐容大小、建筑季節(jié)、烘爐時(shí)機(jī)等因素靈活選擇烘爐的方式、升溫速率、恒溫溫度及時(shí)間；合理選擇烘爐風(fēng)量、水量及合理安排排氣孔，才能為延長高爐的使用壽命打下良好的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)
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轉(zhuǎn)載：《浙江冶金》2022.2 第一期
