頂燃式熱風(fēng)爐陶瓷燃燒器結(jié)構(gòu)特征及耐材質(zhì)量控制方法

費(fèi)圣剛，王 奎，夏昌勇，吳龍水

（1.山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東 濟(jì)南250101；2.中冶武漢冶金建筑研究院有限公司，湖北 武漢430081）

熱風(fēng)爐是高爐的主要熱工設(shè)備，實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐的長壽、高風(fēng)溫，對(duì)高爐冶煉節(jié)約能耗、降低成本具有重要意義，也是當(dāng)今高爐操作者追求的目標(biāo)[1]。 所以，如何提高熱風(fēng)溫度是目前熱風(fēng)爐研究的焦點(diǎn)問題，1 200～1 300 ℃風(fēng)溫是現(xiàn)代化高爐的重要標(biāo)志，近年來風(fēng)溫雖然有所提高， 但是與國際領(lǐng)先水平還有很大差距，因此，采用頂燃式熱風(fēng)爐燃燒器來大大提高風(fēng)溫具有很大的迫切性和必要性[2]。 當(dāng)前，工程建設(shè)者們秉承 “設(shè)計(jì)是前提，材料是基礎(chǔ)，施工是關(guān)鍵，管理是保證” 的技術(shù)路線，嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，工程質(zhì)量不斷提高，相繼出現(xiàn)一大批安全、長壽、高效、低耗的大型頂燃式熱風(fēng)爐。

1 頂燃式熱風(fēng)爐燃燒器結(jié)構(gòu)特征

熱風(fēng)爐按照燃燒室和蓄熱室形式不同， 可分為內(nèi)燃式、外燃式和頂燃式3 種類型[3]。 按照目前的發(fā)展趨勢， 頂燃式熱風(fēng)爐越來越多的被應(yīng)用在大中型高爐上， 同外燃式熱風(fēng)爐相比， 在外徑不變的條件下，能增加30%～40%的加熱面積，有利于提高風(fēng)溫。在同等條件下，與內(nèi)燃式熱風(fēng)爐相比，可提高熱風(fēng)溫度100 ℃，降低熱風(fēng)爐高度10%，節(jié)約材料成本15%～20%，降低投資10%左右[4]。頂燃式熱風(fēng)爐燃燒器就像人的心臟，是頂燃式熱風(fēng)爐最關(guān)鍵的設(shè)備，對(duì)熱風(fēng)爐的使用效果和使用壽命具有重要意義。 頂燃式陶瓷燃燒器主要由半球形拱頂、 圓柱形燃燒室、 收縮段、拓展段以及兩個(gè)環(huán)形入口組成。 常用頂燃式熱風(fēng)爐陶瓷燃燒器結(jié)構(gòu)模型見圖1。

圖1 常用頂燃式熱風(fēng)爐陶瓷燃燒器結(jié)構(gòu)模型示意圖

1.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)的燃燒口結(jié)構(gòu)

擴(kuò)散式的燃燒方式，煤氣噴口和助燃空氣的方向均沿圓周切線布置，上環(huán)道是煤氣入口，由上下兩排尺寸相同的矩形孔與斜向下與水平方向成15°傾角的通道組成；下環(huán)道是空氣入口，由上下兩排尺寸相同的矩形孔通道組成，其角度與水平方向平行，孔口分布及數(shù)量與爐型密切相關(guān)。 這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以使空氣與煤氣以一定的速度在預(yù)混室內(nèi)交叉混合并向下旋流，增強(qiáng)了助燃空氣和煤氣的擴(kuò)散混合，空氣與煤氣流量的適應(yīng)范圍寬，在進(jìn)入蓄熱室前充分混合燃燒，在進(jìn)入格子磚之前已完全燃燒， 避免了爐內(nèi)出現(xiàn)局部高溫區(qū)， 減少了NOx等廢氣的排放[5]。

1.2 足夠大的燃燒能力

燃燒器要有足夠大的燃燒能力，由于高爐煤氣可燃值約24%左右，且大部分成分是氮?dú)猓詿犸L(fēng)爐燃燒器的工作條件是煤氣體積大于空氣體積，燃燒過程中物理的混合是限制性環(huán)節(jié)[6]。 頂燃式燃燒器完全適應(yīng)助燃空氣預(yù)熱400～600 ℃工況，具有適應(yīng)工況范圍廣、燃燒功率大、燃燒效率高、燃燒穩(wěn)定、使用壽命長等特點(diǎn)，且拱頂溫度較低，燃燒空間燃燒的產(chǎn)物不斷向下作旋流運(yùn)動(dòng)， 避免了火焰直接沖刷拱頂， 拱頂溫度約比拱側(cè)溫度低100～150 ℃，熱損失小，對(duì)改善及提高熱風(fēng)爐風(fēng)溫具有重要意義。

1.3 相互獨(dú)立的砌筑結(jié)構(gòu)

拱頂爐殼獨(dú)立支撐環(huán)形陶瓷燃燒器的砌體，燃燒器砌體采用迷宮式密封結(jié)構(gòu)和耐高溫、 抗熱振綜合性能優(yōu)良的堇青石磚材料， 以防止熱膨脹應(yīng)力破壞襯磚[7]。

1.4 自帶冷卻功能

煤氣和助燃空氣環(huán)道結(jié)構(gòu)使其具有自身冷卻功能，燃燒器的煤氣和助燃空氣入口，通過環(huán)道與熱風(fēng)爐爐體相連，避免了空、煤氣管道與爐內(nèi)高溫氣體的直接連通，燃燒閥不需水冷，易于調(diào)節(jié)控制，有利于熱風(fēng)爐的維護(hù)和工況的穩(wěn)定，利于節(jié)能。

1.5 節(jié)省空間、耐高溫

該燃燒器只有一對(duì)空氣、 煤氣管道與熱風(fēng)爐相連，拱頂開孔少，同時(shí)拱頂直徑小，只有內(nèi)燃式熱風(fēng)爐的1/3 左右，因此拱頂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；且整個(gè)燃燒器部分無金屬件， 可以有效解決燃燒器附近爐皮發(fā)紅和燃燒器容易掉磚的現(xiàn)象，有效延長使用壽命。

2 頂燃式熱風(fēng)爐燃燒器質(zhì)量控制方法

2.1 耐材質(zhì)量控制

2.1.1 耐火材料的選擇

頂燃式熱風(fēng)爐陶瓷燃燒器長期處于交變溫度環(huán)境， 因而陶瓷燃燒器的材料必須能耐受長期的溫度變化，對(duì)材料的熱穩(wěn)定性要求較高。 燃燒器下部還承受上部砌體的荷重， 因此需要選用耐火度和荷重軟化溫度高、 具有良好高溫穩(wěn)定性和抗熱振性的耐火材料[8]。 從節(jié)能減排、降低成本且滿足使用工況的角度出發(fā)，選擇耐高溫、抗熱振的堇青石磚將是最優(yōu)的選擇。

2.1.2 生產(chǎn)配方及主要原料的控制

頂燃式熱風(fēng)爐燃燒器用堇青石磚以堇青石熟料顆粒為主要原料、加入紅柱石顆粒、藍(lán)晶石顆粒、硅線石顆粒等作輔料，以α-Al2O3粉、優(yōu)質(zhì)黏土粉、SiO2微粉等做結(jié)合劑。 對(duì)于燃燒器制品的理化指標(biāo)要求不同，原料配比就有所不同。 常用燃燒器磚的主要原料見表1。

表1 常用堇青石磚主要原料

為減少取樣工作量且使樣品更具代表性， 應(yīng)采取多點(diǎn)取樣再四分法縮分的取樣原則及方法， 具體的取樣方法及取樣量參照YB 4032 -1991、GB/T 17617-1998 等進(jìn)行。 主要原料取樣量見表2。

表2 主要原料取樣方法及取樣量

主要原料檢測指標(biāo)參照YB 4032-1991 進(jìn)行，檢測方法按照GB/T 6900-2006 執(zhí)行。 具體性能指標(biāo)見表3。

制品的使用條件、 技術(shù)要求和原料的特性是選擇原料和配比的重要依據(jù)， 在配方中必須根據(jù)原料的不同特性和對(duì)制品的要求來選擇原料。 在廠方組織生產(chǎn)時(shí)對(duì)進(jìn)廠使用原料分類分批進(jìn)行檢查并抽樣，進(jìn)行常規(guī)指標(biāo)的檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后方可進(jìn)行下一步工序的生產(chǎn)。

表3 主要原料性能指標(biāo) (wt%)

2.1.3 生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)過程的控制

（1）堇青石磚生產(chǎn)工藝

堇青石磚生產(chǎn)工藝如圖1 所示。

圖1 堇青石磚生產(chǎn)工藝簡圖

（2）坯料混練及成型要求

坯料必須進(jìn)行混練，混練時(shí)間是主要控制參數(shù)，若混練時(shí)間過短則造成粒度分布不均， 將導(dǎo)致制品密度不均，焙燒時(shí)膨脹收縮不均易形成裂紋；黏結(jié)劑分布不均則會(huì)造成局部黏結(jié)不牢， 局部形成空洞和裂紋[9]。 混后的坯料應(yīng)根據(jù)其體積來決定成型壓力機(jī)的噸位及打壓次數(shù)， 一般成型壓力機(jī)應(yīng)不低于350 t，打壓次數(shù)不低于6 次。 SiO2微分、Al2O3粉、黏土粉以及紙漿廢液等結(jié)合劑按比例加入水磨機(jī)中，經(jīng)混磨，加水后混合成均勻泥漿作結(jié)合劑，然后再將泥漿加入待混碾基料的顆粒料中， 使泥漿完全包裹在顆粒料表面，混碾后加入基料細(xì)粉繼續(xù)混碾，混碾完成不需困料直接運(yùn)至壓力機(jī)成型。 結(jié)合劑采用這種方式加入可大大提高混料均勻度， 有利于降低成型時(shí)磚坯氣孔率，提高磚坯強(qiáng)度，減少廢品率。 混碾時(shí)間及加水量是控制要點(diǎn)， 混碾不均易造成局部結(jié)團(tuán)；加水量過少泥漿不能完全包裹骨料顆粒，造成磚坯內(nèi)部疏松、分層等；加水量過多，造成氣孔率過大，影響強(qiáng)度。

（3）干燥及焙燒制度

成型后的磚坯干燥必須充分， 干燥溫度及時(shí)間是控制要素。 產(chǎn)品的干燥及焙燒必須按照相應(yīng)的升溫曲線進(jìn)行。 升溫過快易造成脫水過快，形成裂紋。通常養(yǎng)護(hù)12 h 后送入150 ℃紅外干燥窯進(jìn)行脫水干燥，當(dāng)磚坯含水率小于0.3%后，可直接進(jìn)入隧道窯在氧化氣氛下燒成。 堇青石磚的燒成過程大致可分為預(yù)熱及揮發(fā)物排除階段、高溫階段和冷卻階段。堇青石磚的燒成必須嚴(yán)格控制升溫和降溫速率，減少制品裂紋的出現(xiàn)，提高成品率。 普通堇青石磚燒成制度見表4。

表4 堇青石磚燒成制度

2.1.4 成型后磚坯質(zhì)量初步控制

對(duì)成型后的磚坯分批次隨機(jī)取樣進(jìn)行尺寸及外觀檢驗(yàn)。 初步尺寸檢驗(yàn)包括但不限于長、寬、高、扭曲、相對(duì)邊差等，初步外觀檢驗(yàn)包括但不限于缺棱掉角、疏松、裂紋、夾雜及層裂等。 對(duì)于超標(biāo)磚數(shù)量小時(shí)要及時(shí)挑出，以免混入合格磚坯進(jìn)入窯內(nèi)燒成，造成能源浪費(fèi)；量大時(shí)要及時(shí)查找原因，以免造成更大的人力、 物力浪費(fèi)及損失， 應(yīng)嚴(yán)禁超標(biāo)磚進(jìn)入干燥程序。 還可對(duì)磚坯進(jìn)行體積密度的測定，做到及早發(fā)現(xiàn)及早處理。 以免在產(chǎn)品出窯時(shí)才發(fā)現(xiàn)，延誤工期。

2.1.5 產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)及預(yù)組裝驗(yàn)收

（1）出窯產(chǎn)品質(zhì)量控制

對(duì)出窯產(chǎn)品分類分批取樣進(jìn)行理化檢驗(yàn)， 檢驗(yàn)合格后方可進(jìn)入下一步生產(chǎn)工序。 堇青石磚制品的抽樣及合格判定規(guī)則嚴(yán)格按照GB/T 10325-2015 執(zhí)行[10]。 堇青石磚的抽樣批次應(yīng)按照合同簽訂的技術(shù)協(xié)議要求執(zhí)行， 技術(shù)協(xié)議中沒有明確規(guī)定的則按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB/T 4128-2014 執(zhí)行[11]。 所有產(chǎn)品必須在具有國家級(jí)資質(zhì)的專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行理化檢測。 需要提出的是對(duì)產(chǎn)品取樣檢測時(shí)， 不應(yīng)只在出窯時(shí)產(chǎn)品中抽取，還應(yīng)在加工預(yù)砌時(shí)，在預(yù)砌平臺(tái)上隨機(jī)抽取試樣；這樣做的目的在于督使廠方在加工預(yù)砌時(shí)用心， 不要把不同材質(zhì)的頂燃式熱風(fēng)爐燃燒器磚混雜不清，甚至投機(jī)取巧，以次充好。

（2）加工后產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定程序檢驗(yàn)控制

加工后產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定程序檢驗(yàn)控制包括尺寸偏差控制、 外觀質(zhì)量控制和斷面質(zhì)量檢查控制及理化性能質(zhì)量控制。 產(chǎn)品按同一牌號(hào)組批，一組熱風(fēng)爐燃燒器用磚為一批；磚的抽樣及尺寸、外觀、斷面等質(zhì)量判斷的驗(yàn)收可參照GB/T 10325-2012 執(zhí)行。 現(xiàn)場檢驗(yàn)時(shí)質(zhì)量判定應(yīng)按照合同簽訂的技術(shù)協(xié)議要求執(zhí)行， 技術(shù)協(xié)議中沒有明確規(guī)定的則按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB/T 4128-2014 執(zhí)行。

2.2 砌筑質(zhì)量控制

2.2.1 對(duì)預(yù)組裝陶瓷燃燒器進(jìn)行驗(yàn)收

對(duì)預(yù)組裝頂燃式熱風(fēng)爐燃燒器進(jìn)行驗(yàn)收的內(nèi)容有：標(biāo)高控制、直徑控制、表面平整度、垂直度、垂直縫、放射縫、環(huán)縫、重縫和錯(cuò)臺(tái)等。

驗(yàn)收合格的預(yù)組裝頂燃式熱風(fēng)爐燃燒器，應(yīng)用顏色鮮明的防水顏料進(jìn)行逐塊編號(hào)， 做出明確標(biāo)記。 對(duì)于預(yù)組裝頂燃式熱風(fēng)爐燃燒器的驗(yàn)收應(yīng)按照合同簽訂的技術(shù)協(xié)議要求執(zhí)行，技術(shù)協(xié)議中沒有明確規(guī)定的則按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。 具體的頂燃式熱風(fēng)爐燃燒器預(yù)組裝及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)可參考YB/T 4128-2014 執(zhí)行。

2.2.2 對(duì)陶瓷燃燒器施工質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)收

專業(yè)監(jiān)理人員及業(yè)主代表應(yīng)現(xiàn)場監(jiān)督工人施工， 每班完工后對(duì)照施工圖紙及質(zhì)量規(guī)范進(jìn)行逐一驗(yàn)收，不合格的必須整改合格，否則不得進(jìn)入下一步施工工序。 具體可參照工業(yè)爐砌筑工程施工及驗(yàn)收規(guī)范GB/T 50211-2004 執(zhí)行。

3 結(jié)論

（1）通過對(duì)頂燃式熱風(fēng)爐陶瓷燃燒器結(jié)構(gòu)特征的分析，對(duì)頂燃式熱風(fēng)爐燃燒器有了全面的認(rèn)識(shí)，領(lǐng)先優(yōu)于內(nèi)燃燒和外燃燒熱風(fēng)爐陶瓷燃燒器的技術(shù)特性，成為了順應(yīng)潮流的趨勢，被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外新建或大修的高爐熱風(fēng)爐上， 為熱風(fēng)爐的長壽高風(fēng)溫作出了巨大貢獻(xiàn)。

（2）對(duì)頂燃式熱風(fēng)爐陶瓷燃燒器用堇青石磚建立從主要原料、生產(chǎn)配方、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品檢驗(yàn)、預(yù)砌驗(yàn)收等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行全方位的質(zhì)量控制方法程序，對(duì)保證堇青石磚的性能起到了關(guān)鍵性作用， 為最終保證陶瓷燃燒器的良好性能起到了決定性作用。

（3）通過對(duì)頂燃式熱風(fēng)爐陶瓷燃燒器結(jié)構(gòu)特征及耐材質(zhì)量控制方進(jìn)行法解析，為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及使用方提供了一個(gè)借鑒參考的依據(jù)。