高爐熱風管道系統膨脹縫設置

李東生，田立明，佟敏英，李曉春，趙德勝

（鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧 鞍山 114021）

高爐的熱風管道內襯由耐火材料構成。耐火材料在使用過程中受熱風溫度變化的影響，將產生熱脹冷縮現象，并由此產生熱應力。在熱風管道砌筑過程中，為了避免管道砌體受熱膨脹變形，提高熱風管道的使用壽命和生產安全性，減少或消除熱應力，通常在設計熱風管道時留設膨脹縫，既要保證砌體的嚴密性，又要保證在砌體之間不存在導致砌體損壞的應力。當膨脹縫留設位置不當或寬度不夠時，會導致砌磚被擠壓損壞或產生裂紋；當膨脹縫留得太大時，砌體會不嚴密，結構強度也被削弱。

鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠高爐熱風管道多采用傳統膨脹縫留設方法砌筑，投入使用后，經常出現砌體串風、管皮溫度升高甚至發紅的現象。為解決此問題，對傳統膨脹縫留設存在的問題進行了分析，并提出了合理的熱風管道膨脹縫設置方法。

1 傳統膨脹縫留設存在的問題

傳統的膨脹縫留設方法，是按照線膨脹系數計算熱風管道膨脹縫尺寸，主要由使用材料的性質和所承受的溫度來決定。一般情況下，取加熱面最高溫度時的理論膨脹量的50%～100%作為基準。國內外資料顯示，各類耐火砌體的線膨脹數值差不多。多數熱風爐設計中工作層砌體膨脹縫值［1］見表1。

表1 多數熱風爐設計中工作層砌體膨脹縫值 mm/m

熱風管道工作層磚通常為重質高鋁磚，即每米長熱風管道工作層磚的膨脹縫值為7～8 mm，傳統膨脹縫依據此標準設計，應用于生產實踐中，經常出現砌體串風、管皮溫度升高甚至發紅的現象，說明膨脹縫尺寸過大、不合理。只有綜合考慮砌體的熱膨脹性、重燒線變化及耐火泥漿產生的收縮等因素，才能使留設的膨脹縫尺寸更加合理，從而保證熱風管道系統的穩定性。

2 熱風管道系統膨脹縫合理設置方法

2.1 工作層磚膨脹縫設置方法分析

膨脹縫的留設不僅要考慮耐火材料的熱膨脹性，還要綜合考慮耐火材料的重燒線變化、砌磚之間的耐火泥漿帶來的收縮等因素，以使膨脹縫尺寸的大小更加合理。

2.1.1 熱膨脹性

耐火材料受熱時體積膨脹，冷卻后又恢復到原來的體積，這種隨溫度變化而發生可逆體積變化的物理性質，稱為熱膨脹性。熱膨脹性不僅是重要的使用性質，也是工業爐窯和高溫設備進行結構設計的重要參數，一直受到耐火材料使用者的高度關注。

基于耐火材料熱膨脹性這一熱學性能，在設計爐子砌體或制訂烘爐、運行制度時，著重考慮它的膨脹量，并以此作為砌體中留設膨脹縫尺寸的依據之一。若不考慮耐火材料的熱膨脹性，在爐子砌筑后的烘爐階段，會因為砌體受熱膨脹而發生開裂甚至崩塌現象。熱風管道系統工作層的軸向膨脹尺寸大小，根據耐火材料的線膨脹系數和管道內的熱風溫度來確定，通常可按下式計算［2］：

式中，F為膨脹尺寸，mm；α為線膨脹系數，10-6℃-1；L為砌體尺寸，mm；t為砌體最高溫度，℃；t0為砌體原始溫度，℃。

在20～1 200℃條件下，取高鋁磚的平均線膨脹系數為6.5×10-6℃-1，則每米長熱風管道的軸向膨脹尺寸為F=6.5×10-6×1 000×(1 200-20)=7.67 mm。由此，10 m長的熱風管道將產生7.67×10=76.7 mm的膨脹。

2.1.2 重燒線變化

絕大多數的耐火制品在高溫下長期使用時，體積可能產生不可逆的收縮或膨脹，這種體積的變化稱為殘余收縮或膨脹，也稱重燒收縮或膨脹。耐火砌體過大的殘余收縮會導致砌體磚縫增大，不利于砌體的氣密性、整體性、抗渣性和熱穩定性，嚴重時可能導致砌體下沉以致倒塌；而過大的殘余膨脹會造成砌體內部應力分布不均，從而破壞原來的幾何形狀，甚至會使爐子倒塌。因此，無論是殘余收縮或殘余膨脹都會使砌體壽命縮短。

耐火材料在燒成過程中，期間的物理化學變化一般都未達到燒成溫度下的平衡狀態，當制品在長期使用過程中，受高溫作用時，一些物理化學變化仍然會繼續進行，結果使制品的體積發生變化——收縮或膨脹。制品產生殘余收縮的過程是制品繼續致密的過程，由于在高溫時產生液相，在表面張力的作用下，晶相重新分布，使顆粒互相靠緊，產生收縮，如鎂質制品、高鋁制品、粘土制品都會產生此種現象。殘余膨脹是由于一些高密度的反應物發生反應而形成低密度產物或高密度的晶型向低密度晶型轉化未充分完成造成的，如以石英為原料制成的硅磚燒成不充分時，由于鱗石英化和方石英化不足就會產生重燒膨脹。

耐火制品的重燒變形量是一項重要的使用性質，對判別制品的高溫體積穩定性，從而保證砌體的穩定性，減少砌體的縫隙，提高其密封性和耐侵蝕性，避免砌體整體結構的破壞，都具有重要意義。高鋁質耐火材料的重燒線變化指標［3］見表2。

表2 高鋁質耐火材料的重燒線變化指標

熱風管道的工作層磚大多為高鋁材質，其重燒線變化在生產實際應用中表現為收縮，取-0.2%，則每米長度熱風管道的重燒線變化為-0.2%×1 000=-2 mm，由此，10 m長的熱風管道將在軸向產生-2×10=-20 mm的收縮。

2.1.3 耐火泥漿

耐火泥是由粉狀物料和結合劑組成的供調制成泥漿用的不定形耐火材料，主要用作砌筑耐火磚的接縫。耐火泥作為接縫材料，其質量優劣對砌體的質量有相當大的影響，通過它可以調整耐火磚的尺寸誤差和不規整的外形，以使砌體整齊和負荷均衡，并可使砌體構成堅固和嚴密的整體，以抵抗外力的破壞和防止氣體、熔融液的侵入。同時，耐火泥漿也用來消除膨脹產生的應力。有數據表明，在800℃條件下，構成爐窯內襯的單體磚抑制自由膨脹所產生的最大應力（計算值）均在100 MPa以上，如此大的應力，如果產生在管道或爐墻內，會破壞砌磚，發生管道或爐墻變形等事故。但在生產實際中，砌磚之間都有泥漿，所以這個應力被緩下來和或消除［4］。由此，砌磚之間的耐火泥漿可以認為它是單塊磚之間設置的一個個小膨脹縫。

筑爐時，耐火泥需添加約30%的水分調制成泥漿，以獲得良好的使用性能。水分一部分被磚吸收，大部分仍留在泥漿中。在自身干燥和烘爐的作用下，泥漿中含有的水分將被蒸發掉，泥漿粒子間隙中水分的減少，使粒子相互吸引而密集，發生收縮現象。在水分蒸發及應力的作用下，將產生15%～20%的收縮［5］。若采用長度為300 mm的單磚砌筑10 m長的熱風管道工作層時，沿熱風管道軸向將產生33個磚縫，每個磚縫按3 mm計算時，磚縫總長度為：33×3=99 mm，泥漿收縮按15%計，則產生99×15%≈15 mm的收縮。

綜上所述，當熱風管道工作層磚采用高鋁材質砌筑時，10 m長熱風管道沿軸向留設的膨脹縫應為：76.7-20-15=41.7 mm，也就是說，每米長度熱風管道留設約4 mm的膨脹縫即可，相比于傳統的每米長度熱風管道沿軸向留設7～8 mm的膨脹縫，縮短了約一半。

2.2 輕質隔熱磚膨脹縫設置方法分析

通常熱風管道的砌體沿徑向由內而外分別為重質高鋁磚、輕質高鋁磚、輕質粘土磚、耐火纖維氈和噴涂料。熱風管道沿軸向砌筑的輕質高鋁和輕質粘土磚的長度通常為230 mm，所以，在10 m長的熱風管道上沿軸向砌筑的輕質磚之間產生的磚縫總長度，將比長度為300 mm的重質高鋁磚之間的磚縫總長度多43%。輕質耐火磚的重燒線變化指標見表3，可以看出輕質耐火磚的重燒線變化表現為收縮，由于輕質隔熱磚的平均磚體溫度不高，產生的膨脹相對小，靠輕質磚自身的重燒線變化和泥漿的收縮便可吸收其產生的膨脹，因此，沿熱風管道輕質磚的軸向和徑向的膨脹縫全部取消。同時，沿徑向取消耐火纖維氈，防止管道砌體受熱風壓力沿徑向產生位移，形成串風。

表3 輕質耐火材料的重燒線變化指標

3 熱風管道膨脹縫設置實際應用

2014年鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠11號高爐大修時，熱風爐管道重新進行了砌筑，工作層材質為高鋁質，另敷兩層隔熱磚，分別是輕質高鋁磚和輕質粘土磚。在實際砌筑過程中，高鋁質的工作層沿軸向按每米4 mm留設膨脹縫，輕質隔熱磚在軸向和徑向都不留設膨脹縫。2016年2月29日，在11號高爐生產正常，熱風流量3 790 m3/min，熱風壓力350 kPa，熱風溫度1 195℃時進行了熱風管道管皮表面溫度測試，測試結果見表4。

表4 熱風管道管皮表面溫度測試結果 ℃

熱風管道管皮溫度設計范圍為80～150℃。由表4可以看出，熱風管道各部分的管皮溫度都低于設計上限，有的甚至低于下限，說明熱風管道膨脹縫設置合理，應用效果良好，達到了預期目的。

4 結語

傳統高爐熱風管道系統膨脹縫設置存在問題，膨脹縫留設過大、不合理。綜合考慮砌體的熱膨脹性和重燒線變化及耐火泥漿產生的收縮等因素，提 出合理的熱風管道系統膨脹縫設置方法，即熱風管道工作層采用高鋁重質磚砌筑時，膨脹縫沿軸向按每米4 mm留設；熱風管道的輕質隔熱磚沿軸向和徑向均不設膨脹縫，同時沿徑向取消耐火纖維氈。此方法應用于生產實際中，效果良好，對生產實際中熱風管道的砌筑具有指導意義。