一種非圓形送風截面的熱風管道內襯的製作方法

2023-05-24 21:53:46 1

本發明涉及一種適於黑色金屬、有色金屬冶煉高爐熱風爐用熱風管道，特別涉及一種大直徑的輸送高溫、高壓熱氣體的管道內襯。

背景技術：

高爐冶煉需要一種熱風爐設備，用於加熱具有一定壓力的高爐鼓風，這種被加熱的高爐鼓風需要通過管道輸送到高爐，即所謂的熱風管道。這種熱風管道通過熱風支管與熱風爐組中的每座熱風爐相連，熱風管道的一端為盲端，另一端接入高爐的圍管。熱風管道外部由鋼殼製造，鋼殼用於承受鼓風壓力，鋼殼內部砌築有耐火材料，起到保溫作用。耐火材料通常有多環耐火磚或者保溫材料組成，其中內環磚由重質磚砌築而成，內環重質磚支撐外部各環的保溫耐火材料並承受熱風衝刷。常規的熱風管道由圓形鋼殼、圓形砌築的耐火材料組成，送風截面也是圓形的。

熱風管道通常設計為圓形，這是因為圓形熱風管道受力最好且佔地最小。熱風管道外部由鋼殼製造，圓形鋼殼用於承受鼓風壓力，鋼殼內部沿鋼殼內壁砌築有耐火材料，耐火材料起保溫作用，保溫材料沿鋼殼也以圓形方式砌築。熱風溫度為1100℃~1450℃，耐火材料通常由多環耐火磚和其它保溫材料組成，其中內環磚由多塊楔形的重質磚砌築而成，楔形磚以管道圓心為中心砌築，起到對外層保溫材料的支撐作用，外層耐火材料通常由輕質保溫磚、保溫棉和噴塗料組成，各層耐火材料具有不同的保溫效果，最外層的耐火材料與鋼殼接觸面的溫度為100℃~150℃，熱風管道鋼殼外部的溫度也為100℃~150℃。

提高熱風爐的送風風溫有利於降低高爐冶煉成本，提高鼓風壓力有利於提高高爐產量，因此，隨著高爐冶煉技術提高，熱風管道所輸送的熱風具有高溫、高壓特性，這就增加了常規的熱風管道內襯的不穩定性。對於圓形的內襯來說，內環重質磚一般採用楔形磚砌築而成。熱風管道頂部耐火磚所受溫度最高（熱風管道內部的上部與下部溫差達數十度），同時受到熱風的高流速衝刷和數百度溫差的衝擊，並在外層耐火材料和自身的重力影響下，長期運行情況下很容易脫落，這就是常見的所謂熱風管道頂部耐火磚掉磚的現象。

隨著高爐爐容增大，高爐鼓風風量也隨之增加，因此，熱風管道直徑也越來越大，熱風管道內環耐火磚頂部脫落的隱患也會加重。這是因為，耐火磚的尺寸並不能隨著熱風管道管徑的增加而無限制增加，因為過大、過重的耐火磚不利於人工搬運和砌築，製造難度也增大。當管徑增大且採用圓形砌築方式時，楔形耐火磚的大小頭尺寸差也減小，因此，耐火磚的穩定性也隨之降低。作為對上述公知內容的驗證，根據發明人的計算，隨著管徑增加，耐火磚頂部所受應力也增大，也就是說，對於圓形耐火磚內襯來說，管徑越大，頂部受力情況也越差。

相比熱風管道內襯頂部，熱風管道內襯底部的溫度低數十度，且底部座於熱風管道鋼殼之上，結構相對穩定，因此事故率較低。

為了提高熱風管道內襯頂部的穩定性，有一種嘗試是將熱風管道頂部由砌磚方式改造澆注料，但這種方式顯然無法在整個數十米長的管道上實施，通常只能應用在熱風管道與熱風爐連接的t形部位，由於兩種施工方式不同，局部澆注料與耐火磚的結合部存在較大的脫落事故隱患。因此，局部採用澆注料的方式通常只在應急維修時應用。

在俄羅斯，公開的研究資料顯示，早期技術人員曾經做過一些涉及到本發明的技術嘗試，在砌築熱風爐熱風出口和熱風短管（即熱風支管從熱風爐熱風出口到熱風閥之間段）時採用的加強措施，包括在圓形的熱風出口上部增加特殊的拱形裝置—拱形澆注料、特殊的拱形磚等，通過這些拱形裝置承擔熱風出口上部耐火磚的重力載荷，從而降低熱風出口頂部耐火磚的承載，降低頂部耐火磚脫落的隱患。但上述技術方案因為施工複雜、與普通牆磚銜接部位容易受損，並沒有全面推廣。

高風溫、高風壓、大風量是當今和未來的高爐冶煉技術趨勢，目前的熱風管道圓形砌築設計（即所謂的圓形送風截面）無法滿足高穩定性和長壽命的要求，熱風管道經常需要維護，增加了熱風系統的運行成本。過去以及現有的一些技術嘗試並沒有從根本上解決現存問題，反而可能會帶來更嚴重的脫落事故。

技術實現要素：

本發明需要解決的問題是：研究一種可以從根本上提高熱風管道、尤其是大直徑熱風管道內襯穩定性的設計和砌築方式，解決高溫、高壓、大管徑的熱風管道內襯穩定性問題，提高熱風管道的使用壽命（無維護）。基於此，在採用圓形熱風管道鋼殼的基礎上，以標準的圓形內襯設計為對比對象，提出了三種解決方案，所述各種解決方案的關鍵技術是：採用一種非圓形送風截面的設計，通過減小管道內襯頂部的拱形直徑的方式提高其穩定性；通過增大管道內襯底部直徑、減薄內環耐火磚厚度的方式保證通風能力（即送風截面積不變）。

在圓形、拱形、錐形結構的砌築方式中，公知的各種技術方案對比結果表明，採用楔形耐火磚的砌築穩定性最高，這是因為楔形耐火磚在砌築組合中以中心線對中的方式排列，在重力作用下，楔形耐火磚從大頭向小頭方向滑動時彼此受到擠壓而不會脫落。在本發明中也採用這種穩定性高的楔形耐火磚，其中，頂部的耐火磚增加子母鎖扣（通常的方式為位於楔形耐火磚中部的凸起條和凹槽形式），以增強楔形耐火磚的穩定性，同時也起到降低熱風對灰縫的衝刷作用；其中，內環重質磚的外部輪廓為圓形，並且與圓形熱風管道鋼殼同心。

第一種解決技術方案：一種熱風管道內襯，其內環由重質的楔形耐火磚砌築而成，形成一種非圓形的送風截面，它上部具有半圓形的拱頂，兩側則為垂直的直壁，底部為平底，兩側的直壁與圓形拱頂以平滑過渡。其中所述頂部圓形拱頂的直徑一般為1000~1500mm，採用楔形重質磚砌築；其中：所述兩側直壁採用長方形（或正方形）耐火磚砌築，所述底部採用長方形（或正方形）砌築。

第二種解決技術方案：一種熱風管道內襯，其內環由重質的楔形耐火磚砌築而成，形成一種非圓形的送風截面，它上部具有較小直徑的圓弧形拱頂，所述直徑一般為1000~1500mm；在拱頂弧段兩側、按照與拱頂弧相切的方向、以直線延伸，直至與下部一個底部圓弧相交（相交部位採用圓弧過渡），形成一個梨形的送風截面；內環磚外緣為圓形，與管道鋼殼同心，內環磚外部的保溫輕質磚則與圓形內襯設計相符。其中：所述拱頂弧段與底部圓弧的兩側連接段形成的角度為60°~120°，以60°~90°為最佳；所述弧形拱頂，其耐火磚厚度應等於或大於圓形內襯的厚度；所述下部圓弧內襯，即比圓形內襯直徑更大的圓弧內襯，其耐火磚厚度小於圓形內襯耐火磚厚度；所述拱頂圓弧與底部圓弧內襯相交的兩側直線連接段，其下部以過渡圓弧方式與下部圓弧內襯相交；所述熱風管道內襯的截面積與圓形管道內襯截面積相同，相差不應超過3%。

第三種解決技術方案：一種熱風管道內襯，其內環由重質的楔形耐火磚砌築而成，形成一種非圓形的送風截面，其特徵在於：在第二種解決技術方案的基礎上，在拱頂弧段兩側以一個或多個直線段或圓弧的組合形式與下部的圓弧內襯以過渡圓弧方式相交。其中：所述拱頂弧段與底部圓弧的兩側連接段形成的角度為30°~90°，以30°~60°為最佳；所述拱頂，其耐火磚厚度應等於或大於圓形內襯的厚度；所述下部圓弧內襯，是指比圓形內襯（即常規設計的圓形內襯）直徑更大的圓弧內襯，其耐火磚厚度小於圓形內襯耐火磚厚度；所述熱風管道內襯的截面積與圓形管道內襯截面積相同，相差不應超過3%。

上述解決技術方案中，第二、三種技術方案比較優選，其中第三種技術方案最佳。

在第一種技術方案中，熱風管道內襯送風截面形狀如橋拱，即「上部拱形、下部直方」，相比圓形管道內襯技術方案，上部圓形拱頂直徑較小（一般取1000~1500mm）。在這種情況下，楔形耐火磚的大小頭尺寸相差大，砌築穩定性高。但是，如果要保證管道內襯截面積與圓形管道一致，則熱風管道的鋼殼也只能隨之做成「上部拱形、下部直方」的形狀，這種限制影響了該技術方案的推廣應用。

在第二種技術方案中，為了保證送風截面的面積與圓形管道一致，熱風管道內環耐火磚砌築成梨形送風截面，即上部拱形的直徑較小（小於標準的圓形管道內環耐火磚的直徑，一般取1000~1500mm），下部則為較大直徑的圓弧。由於熱風管道內襯頂部受高溫影響最大，且承受管道上部內襯重力載荷，因此，這種梨形送風截面的管道（即所謂梨形管道）內襯頂部重質磚的厚度設計成與圓形管道內環磚一樣（或者更大），這樣就可以保證熱風管道鋼殼上部溫度符合設計要求。相比之下，所謂梨形管道的下部耐火磚厚度可以適當減薄。該技術方案顯示出這種所述梨形管道的優勢，即通過減小熱風管道內襯頂部直徑，有利於提高楔形耐火磚砌築的穩定性。但是，這種梨形管道技術方案的局限在於頂部圓弧與下部圓弧兩側連接段的夾角比較大，這就降低了兩側連接段的耐火磚砌築穩定性。

第三種技術方案也屬於所述梨形管道，但是改進了第二種技術方案的缺陷，該技術方案減小了頂部圓弧與下部圓弧兩側連接段的夾角，並根據經驗提出了所述梨形送風截面的兩個側壁夾角的最佳值，其目的是提高兩側連接段（即側壁）耐火磚砌築的穩定性。

第三種技術方案的創新內容是常規的、圓形熱風截面的熱風管道內襯設計所不具備的，它基本上解決了大管徑圓形熱風管道長期存在的砌築穩定性差的問題。

因此本發明採用如下的技術方案：

一種非圓形送風截面的熱風管道內襯，該內襯包括內環磚,內環磚外緣為圓形並且與圓形的熱風管道殼體同心，所述內環磚內襯的內緣形成非圓形送風截面，非圓形送風截面包括上弧段、下弧段及連接上下弧段的兩個側邊，其特徵在於：

與具有標準圓形送風截面的熱風管道內襯相比，非圓形送風截面的上弧段的直徑較小，下弧段直徑較大；

非圓形送風截面的截面積與標準圓形送風截面的截面積相差不大於3%。

上弧段直徑小於具有標準圓形送風截面的熱風管道內襯直徑，下弧段直徑等於或大於具有標準圓形送風截面的熱風管道內襯直徑。

連接上弧段與下弧段的兩個側邊向頂部圓弧方向收縮並形成夾角，該夾角的範圍是30°~90°，優選為30°~60°。

所述非圓形送風截面為梨形。

非圓形送風截面的熱風管道內襯頂部內襯的厚度等於或大於標準圓形送風截面的熱風管道內襯的厚度，非圓形送風截面的熱風管道內襯底部內襯的厚度小於標準圓形送風截面的熱風管道內襯的厚度，。非圓形送風截面的熱風管道內襯底部的內襯厚度與圓形送風截面的熱風管道內襯厚度比值為0.5~0.9，優選為0.7~0.8。

上弧段的直徑範圍為1000-1500mm。

所述內襯包括由內環磚砌築而成內環，內環磚是普通的楔形耐火磚，優選是帶子母鎖扣的楔形耐火磚。

所述內環磚外層布置輕質保溫耐火磚、保溫棉和噴塗料，或者布置輕質保溫耐火磚、保溫棉和輕質耐火磚，所述輕質磚依熱風管道圓形鋼殼砌築。

這裡的標準圓形送風截面是指按照標準設計方法設計出來的具有標準直徑的熱風管道內襯的截面。

本發明具有的技術效果：

（1）首先，本發明在保證不減小熱風管道內襯截面積的前提下，通過縮小熱風管道內環頂部直徑的技術措施，即明顯地提高了熱風管道耐火磚砌築穩定性，同時不影響熱風管道通風能力和送風效果。

（2）本發明適用、但不限於較大直徑的圓形鋼殼熱風管道內襯。不僅適用於熱風主管，同樣適用於熱風支管、熱風爐拱頂位置的熱風出口以及高爐圍管的內襯，可以全面提高熱風輸送系統保溫內襯的穩定性。

（3）本發明重點解決了熱風管道內襯重質磚頂部的不穩定性問題，本發明涉及的內環重質磚的外緣為圓形，與圓形熱風管道鋼殼同心，因此並不影響外層輕質保溫耐火磚的砌築，因此降低了非圓形熱風管道梨形內襯的砌築難度，有利於本發明的推廣應用。

附圖說明

下面結合附圖對本發明進一步說明：

圖1為本發明實施例1所述的橋拱形熱風管道耐火磚砌築示意圖；

圖2為本發明實施例2所述的上小下大的梨形送風截面的內襯砌築示意圖；

圖3為本發明實施例3所述的上小下大、且兩側連接段夾角較小的梨形送風截面的內襯砌築示意圖；

圖4為梨形送風截面與圓形送風截面風速分布計算比較圖。

具體實施方式

下面結合附圖說明和具體實施方式對本發明作進一步描述：

實施例1

圖1為橋拱形送風截面的熱風管道內襯，其內環由重質的楔形耐火磚砌築而成，形成一種非圓形的送風截面，它上部具有半圓形的拱頂，兩側則為垂直的直壁，底部為平底，兩側的直壁與圓形拱頂以平滑過渡。其中所述頂部圓形拱頂的直徑一般為1000~1500mm，採用楔形重質磚砌築；其中：所述兩側直壁採用長方形（或正方形）耐火磚砌築，所述底部採用長方形（或正方形）砌築。與圓形送風截面的熱風管道內襯相比，因為所述熱風管道內襯截面頂部的直徑比較小，楔形耐火磚砌築穩定性提高。但為了保證管道內襯截面積與圓形管道內襯截面積一樣，送風截面的橋拱下部的直方段的高度增加，無法布置在與常規的圓形熱風管道內襯同樣管徑的圓形鋼殼內。

實施例2

圖2為一種梨形送風截面的熱風管道內襯技術方案，其中實線為梨形送風截面的管道內環磚內襯02，虛線為圓形送風截面的管道內環磚內襯00（直徑d00，且耐火磚厚度為a03），上部拱形21的直徑d21較小（即d21＜d00），上部耐火磚厚度為a21，下部為則為較大直徑的圓弧形23，其直徑為d23（d23＞d00），下部耐火磚厚度為a23，上下弧段的兩側連接段為22，其夾角為δ2；下部弧段的水平中心線為24，圓形送風截面的熱風管道水平中心線為05，下部弧段的水平中心線24與圓形送風截面的熱風管道水平中心線05的距離為h2，h2通常根據截面積計算得出，h2＞0。

所述技術方案送風截面的上部拱形直徑d21＜d00，下部直徑d23＞d00，d21通常為1000mm~1500mm；所述技術方案頂部耐火磚厚度a21≥a03，下部弧的耐火磚厚度a23＜a03，a23/a03的比值範圍0.5～0.9，以0.7～0.8為佳。

為了驗證本發明的送風效能，發明人將梨形送風截面與圓形送風截面進行了風速分布計算，如圖4所示，計算結果表明，梨形送風截面與圓形送風截面在風速分布方面沒有實質性的差異，不存在特殊的湍流。

本領域技術人員將會認識到，在不偏離本發明的保護範圍的前提下，可以對上述實施方式進行各種修改、變化和組合，並且認為這種修改、變化和組合是在獨創性思想的範圍之內的。