特大型高爐熱風管道系統長壽節能技術與應用分析

向宏宇 明銘劉曉航 鄭山鎖

（1.山西太鋼不銹鋼股份有限公司 太原 030003 2.西安建筑科技大學 西安 710055）

引言

太鋼六號高爐熱風管道系統于2013年10月建成投產。近年來國內22座4000m3級以上特大型高爐的熱風管道系統中運行問題較多，甚至發生5000m3級以上高爐的熱風管道系統爆炸，4000m3級以上高爐的熱風管道爐殼燒紅吹出磚的重大生產事故。因此提出多種改造措施來建設安全、綠色、環保、高效的熱風管道系統，這也是整體熱風管道系統升級換代的關鍵。目前，熱風管道的外部鋼殼的表面溫度97℃，年減少碳排放9325.06t。環境噪聲降低10dB，且無任何高溫點，維護成本為零。

熱風管道系統改造后既確保高爐工藝系統的安全、穩定運行，又能充分降低散熱，節約利用熱能源。且工建設投資低，運行成本低，有明顯的經濟效益。

1 熱風管道拉桿設計

當風溫提高到1250～1300℃，熱風管道的穩定性面臨極大的考驗。我們汲取國內外熱風管道設計優點，最大地消除熱風管系的內部應力，使整個管系在低應力下穩定運行，其最主要的特點是高溫熱風管道通過膨脹系統在一定拉桿范圍內的自由位移進行應力卸載。因此拉桿是整個熱風管道體系結構安全關鍵點。

拉桿設計采用徑鍛法加工拉桿。鑄造組織經過鍛造方法熱加工變形后由于金屬的變形和再結晶，使原來的粗大枝晶和柱狀晶粒變為晶粒較細、大小均勻的等軸再結晶組織，使鋼錠內原有的偏析、疏松、氣孔、夾渣等壓實和焊合，其組織變得更加緊密，提高了金屬的塑性和力學性能。鍛造加工能保證金屬纖維組織的連續性，使鍛件的纖維組織與鍛件外形保持一致，保證拉桿的力學性能與使用壽命。鍛造拉桿系統的裝備包括1800t徑鍛機、2000t壓力矯直機、剝皮機等，拉桿生產工藝的技術參數試驗效果如表1。

表1 徑鍛機鍛造熱風管道拉桿的實物質量檢驗結果

從實物檢驗數據對比表中可以看出，Rm提高50%，屈服強度增加80%，伸長率增長8%，收縮率提高30%，硬度提高20%，總體力學性能優良，效果極佳，超過設計要求。全部拉桿100%進行了探傷，從根本保證了熱風管系結構絕對安全。

2 特高溫管道膨脹區域設計

2.1 膨脹區域模塊吸收法設計

結合霍戈文熱工板塊的理念，提出特高溫管道膨脹區域模塊吸收法，即在吸取太鋼5號熱風管系優點的前提下，將熱風管每個三岔口當作一個模塊，通過設置金屬波紋管膨脹節吸收單模塊的膨脹，設置合理的管道拉桿承受熱應力、設置合理的限位支座能夠保證管道系統中的波紋補償器按照設計范圍要求工作，將熱風管系多個集中高溫高壓膨脹連續段分解為固定式獨立高溫高壓膨脹模塊，增加滑動支座確保每個模塊的接口有合理的金屬波紋管膨脹節吸收單模塊的膨脹變形（包括軸向、徑向），從而使管道系統按照設計要求發生可以恢復的變形，整個管道系統的受力狀態良好。

2.2 整體連續膨脹分解為區域模塊吸收

熱風管道系統中涉及的支座類型有固定支座，滑動支座和彈簧支座。在模塊中部的波紋補償器之間需設置一個固定支座，其作用相當于將管道分成若干板塊，優化地將熱風管道的伸長量分配給每個補償器；在固定支座之間研究需要設置滑動支座分擔支承管道的任務；彈簧支座運用在管道工作時有縱向位移的部位，比如熱風爐爐身上漲引起熱風支管縱向移動，以及豎管熱膨脹伸長引起端頭相連的水平管段發生縱向位移。原熱風主支管固定點位置離三岔口有3.5m的距離，在風溫、風壓、環境溫度變化以及熱風爐換爐等交變工況的影響下，三岔口部位的會產生交變的位移，長期作用下，會造成三岔口部位耐材松動串風，從而導致局部溫度偏高。本次大修，將該固定支座改為滑動支座，同時在主支管三岔口底部新增固定支座，這將改善主支管三岔口耐材的工況條件。

3 高爐熱風管系新材質復合雙向波紋補償器

熱風管系波紋補償器是鋼結構高溫膨脹收縮的活動保護套，可對軸向、徑向和角向位移吸收，其受力情況復雜，包括溫度膨脹力、溫差應力、鼓風壓力和耐火材料間的摩擦力。熱風主管與支管和圍管、熱風支管與熱風爐殼體之間的聯接均為剛性連接（焊接），且一般為垂直連接，其最危險處是熱風出口和圍管三岔口處。其受力包括彎曲應力、拉伸應力和剪切應力。管道接口處的破壞一般以彎曲應力為主，拉伸應力為輔。在大高爐趨于高風溫、高壓的條件下，熱風管道安全安裝波紋補償器以吸收管道因工作溫度變化而產生的變形量是關鍵。

熱風管系波紋補償器選用為帶保溫裝置的，即在波紋補償器的空腔內巖壁填充耐1200℃的隔熱材料，其流體通道采用澆筑、砌筑耐火材料。主管選用具有軸向和徑向補償能力的波紋補償器。波紋補償器的可靠性是由設計、制造、安裝及運行管理等多個環節構成的。材料選擇除應考慮工作介質、工作溫度和外部環境外，還應考慮應力腐蝕的可能性的影響等。

4 熱風管道“三明治”砌筑工法

管道系統耐材砌筑施工是隱蔽工程，但由于砌筑人員素質、內在砌體質量的控制、由內而外工法的特點等決定熱風管道系統耐材的工作的好壞。根本性原因由于作業工作空間較小無法保證砌筑時充分擠揉砌體，有時只能水平方向作業，垂直分析根本不能位移，所以泥漿不飽滿造成串風，導致熱風管道系統耐材熱應力超過極限值，發生擠壓破壞。在應用低導熱低鐵莫來石高溫無膨脹雙層超厚隔熱環技術同時，我們結合管道三層磚的特點（一層高溫工作層磚兩層隔熱輕質磚），提出國內首創熱風管道系統砌筑施工創新工法，即三明治砌筑管道法。

5 熱風管管道有限元分析

5.1 模型分段及簡化

熱風管各分段標識如圖1。

圖1 熱風管分段標識圖

5.2 熱風管計算模型的簡化

太鋼六號高爐熱風管主體屬于薄壁結構。為了簡化模型計算，單獨將管道作為研究對象，其位移邊界條件按其管端進行固端約束處理，這樣是能更好的模擬熱風管的真實約束情況，實際上爐體對管道端部的約束為不規則的彈性支承，這種約束介于簡支和固支之間，但更偏于固端支承。

5.3 模型的建立

采用通用軟件ABAQUS建立對熱風管進行有限元分析。熱風主管和熱風支管單元類型均采用S4R殼單元模型，構件之間設置為剛性連接。模型的單元劃分在Mesh中進行，并采用自由網格劃分方法進行網格劃分，網格單元尺寸選擇20cm。鋼材選取Q345，鋼材的應力-應變關系采用Von.Mises屈服準則，其數學表達式用主應力表示為

式中 δ1、δ2、δ3分別指第一、二、三主應力，δs為材料的屈服點。

鋼材的應力-應變關系采用考慮強化的的雙折線模型。當應力σs達到σy后，進入強化階段此時的彈性模量為E′=αE，α為強化階段的強化系數，其值取0.01。

5.4 熱風管應力云圖

5.4.1重力和壓強下的應力云圖

熱風管在0.45MPa管道壓強作用下及管道自重作用下的應力云圖如2。

圖2 熱風管應力云圖

表2 熱風管支管應力分布

最大應力σmax=188.09MPa出現在熱風支管和熱風主管連接處。

最大應力σmax=185.08MPa出現在熱風支管和熱風主管連接處。

5.4.2 溫度下的應力云圖

6#高爐熱風支管殼體溫差62.6℃，主管殼體溫差74.3℃，計算應力云圖如圖3。

在內部壓強和自重作用下、溫度荷載作用下，熱風管殼體的應力并不高且在溫度荷載作用下應力值較小，應力較高的處于熱風支管和熱風主管連接處，但最大應力值均處于鋼材的彈性范圍內，因此可認為在承受0.45Mpa的壓強下，運行與停爐時熱風主管和熱風支管結構殼體強度未超標。

表3 熱風管主管應力分布

圖3 溫度下的應力云圖

5.4.3 綜合分析工況的應力云圖

在內部0.45MPa壓強、自重作用和溫度荷載綜合作用下，熱風管殼體的應力云圖如圖4。

圖4 綜合分析工況的應力云圖

以ABAQUS軟件作為平臺，通過對熱風管道的有限元分析，由上述應力云圖可以看出在綜合工況下，熱風管殼體的應力值接近屈服，最先發生屈服部位在熱風支管變截面處和熱風支管與熱風主管連接部位處，最大應力值為287.0MPa。

6 結語

通過技術集成，太鋼六高爐熱風爐管系達到國際領先水平，目前項目運行6年，每年減低能源損失相當于年節約2543.2t焦炭；同時減少二氧化碳排放5086t。2017年檢測熱風管道的外部鋼殼的表面溫度平均為99℃。環境噪音降低10dB。因為沒有故障，為高爐順行創造了良好的局面。項目創新取得了明顯的效果，引領超高溫熱風爐向節能、高效、長壽的方向前進。