張志軍

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 概述

高爐風(fēng)口裝置是用來把熱風(fēng)送入高爐爐內(nèi)的一套設(shè)備（如圖1 所示）。風(fēng)口大套的功能是支撐風(fēng)口中套與小套，并將其與高爐爐體相連成為一體。風(fēng)口大套的前端錐面與風(fēng)口中套的上端錐面配合，上端通過風(fēng)口法蘭與爐體裝配連接在一起。風(fēng)口大套的工作溫度約300 ℃，對(duì)風(fēng)口大套主要考慮其強(qiáng)度性能，通常風(fēng)口大套有鑄鋼件和帶鑄入冷卻水管的鑄鐵件兩種，風(fēng)口大套部位包括法蘭、大套、中套、小套和壓緊裝置等。風(fēng)口法蘭與風(fēng)口大套在一代爐齡內(nèi)一般不更換，因而對(duì)其制造質(zhì)量，尤其是接觸面的加工質(zhì)量要求嚴(yán)格，以保證風(fēng)口設(shè)備的密封性。風(fēng)口法蘭、風(fēng)口大套為鑄鋼件。

安鋼2#高爐于2007 年6 月投產(chǎn)，高爐的有效容積為2 800 m3，共設(shè)30 個(gè)風(fēng)口，風(fēng)口大套采用鑄鋼件。近幾年，高爐風(fēng)口大套與中套間逐漸出現(xiàn)不同程度的跑煤氣現(xiàn)象，跑煤氣較嚴(yán)重的泄漏點(diǎn)經(jīng)點(diǎn)火測(cè)試，火焰噴射達(dá)1 m 左右，煤氣量超過煤氣報(bào)警儀上限0.2%。期間采用壓漿、更換中套、焊接、壓密封等方法處理，處理效果均不理想。

圖1 高爐風(fēng)口裝置

1 高爐風(fēng)口大套跑煤氣原因分析

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)長期觀察，高爐風(fēng)口大套跑煤氣位置均為上、下兩個(gè)位置，判斷大套產(chǎn)生變形。通過利用檢修更換風(fēng)口中套的機(jī)會(huì)測(cè)量風(fēng)口大套，發(fā)現(xiàn)大套垂直方向與水平方向的直徑相差約10 mm，驗(yàn)證了之前的判斷，風(fēng)口中套與大套（如圖2 所示）間采用錐面密封（如圖3 所示），風(fēng)口大套變形后造成中套與大套間由錐面密封變?yōu)閮蓚?cè)局部密封，接觸面變少，無法形成有效密封，從而造成煤氣泄漏。

圖2 中套與大套密封示意圖

圖3 中套密封面

根據(jù)高爐生產(chǎn)工藝情況，經(jīng)過分析認(rèn)為高爐風(fēng)口大套變形的原因有以下三個(gè)方面。

1.1 材質(zhì)的影響

風(fēng)口大套因其自身材質(zhì)、質(zhì)量等原因造成剛度不夠，抗變形能力差，在高爐生產(chǎn)過程中受外力影響易造成變形。

1.2 熱變形作用的影響

高爐投入生產(chǎn)后，隨著爐溫升高，高爐爐殼受熱變形影響的“長高”，大套受到周向擠壓及垂直方向的拉升產(chǎn)生變形（如圖4 所示）。

圖4 大套受力示意圖

1.3 堿金屬、鋅、鉛等重金屬的影響

1.3.1 堿金屬的侵蝕機(jī)理

堿金屬（K、Na）在高爐內(nèi)易形成低熔點(diǎn)物質(zhì)，與耐材的基質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起耐材強(qiáng)度下降和異常膨脹。堿蒸汽在爐內(nèi)的反應(yīng)：2R+CO=R2O+C（反應(yīng)溫度為850 ～900 ℃）， 生成的 R2O 與石墨炭同時(shí)滲入磚縫或磚襯氣孔中而沉積，導(dǎo)致磚襯異常膨脹。

1.3.2 鋅在爐內(nèi)循環(huán)及破壞機(jī)理

鐵礦石中的鋅常以硫化物（ZnS）、鐵酸鹽（ZnO·Fe2O3）、硫酸鹽（ZnSO4）或硅酸鹽（2ZnO·SiO2）的形式存在。高爐煉鐵過程中，爐料中的含鋅化合物在高溫區(qū)容易被直接還原成金屬鋅。鋅的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)分別為 420 ℃、907 ℃，在條件具備時(shí)，鋅在爐內(nèi)很容易被氧化：Zn+CO2=ZnO+CO（反應(yīng)溫度為900 ～1 100 ℃），鋅除一部分隨爐渣、煤氣排出外，高爐內(nèi)存在 ZnO 的循環(huán)富集；而且鋅的氧化反應(yīng)能導(dǎo)致體積膨脹54%，引起耐材膨脹。

1.3.3 鉛的滲透侵蝕機(jī)理

鉛的熔點(diǎn)低（327 ℃），沸點(diǎn)高（1 740 ℃），密度大（固體密度 11.34 g/cm3，液態(tài)密度 10.63 g/cm3）。冶煉過程中還原出來的鉛在高爐中不會(huì)氣化，常常呈液態(tài)沉在鐵水以下，且具有很強(qiáng)的滲透能力。其滲透侵蝕過程為：鉛滲透→鉛氧化→體積膨脹→產(chǎn)生裂紋。

堿金屬、鋅、鉛等重金屬在風(fēng)口下方沉積造成碳磚膨脹，下方碳磚長期作用于中套，從而引起中套上翹，中套與大套密封面配合不嚴(yán)，造成跑煤氣加劇，產(chǎn)生的影響包括：（1）由于大量煤氣泄露，導(dǎo)致風(fēng)口平臺(tái)煤氣含量太高，存在嚴(yán)重安全隱患；（2）大套與中套采用錐面配合，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，大套變形后大套和中套配合發(fā)生變化，中套中心線發(fā)生改變，影響風(fēng)口前煤氣流的初始分布，有可能造成爐況波動(dòng)和冷卻設(shè)備燒壞。

2 高爐風(fēng)口大套在線修復(fù)方案的制定與實(shí)施

2.1 方案制定

零件機(jī)加工一般是采用將零件在機(jī)床上通過找正后加工的方法完成的；通過逆向思維，不拆風(fēng)口大套，利用風(fēng)口大套反向找正車床（車床經(jīng)過改造），再將車床固定加工大套；大套密封面垂直方向因拉伸大于原尺寸部分，采用先堆焊填充后加工的方法進(jìn)行在線加工修復(fù)。對(duì)于變形量較大的風(fēng)口大套先在線修復(fù)，中套安裝到位后再與大套進(jìn)行焊接，以保證處理效果。

2.2 風(fēng)口大套在線加工

2016 年9 月，2#高爐改造期間，對(duì)28 個(gè)風(fēng)口大套進(jìn)行了在線加工，同時(shí)對(duì)2 個(gè)法蘭式風(fēng)口大套進(jìn)行了更換。

對(duì)于在線加工的風(fēng)口大套，首先用模具配合塞尺內(nèi)徑千分尺兩種方法進(jìn)行了測(cè)量，初步確定了變形尺寸，確定加工余量；加工表面面積要求不低于密封面的90%，軸向未加工表面長度不允許超過密封面長度的1/3，同時(shí)盡量減少加工量，以保證配合密封面的軸向重合長度，配合間隙0.1 mm 塞尺進(jìn)入深度小于1/3。間隙最大的10 個(gè)大套測(cè)量值見表1。

表1 間隙最大的10 個(gè)大套測(cè)量值

首先，對(duì)變形量最大的19#風(fēng)口大套進(jìn)行在線加工修復(fù)，加工完畢后將中套安裝到位，檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)中套軸向向高爐中心方向進(jìn)入35 mm，配合密封面軸向重合長度大于70%，大套與中套間隙使用0.1 mm 塞尺檢驗(yàn)，最大進(jìn)入深度小于1/3，滿足中套安裝驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求；然后，采用模具對(duì)其他風(fēng)口大套邊加工邊驗(yàn)收，確保風(fēng)口大套加工后符合使用要求。

在線修復(fù)方法：利用改造后的機(jī)床（如圖5 所示）對(duì)大套進(jìn)行在線修復(fù)，首先將底座固定在風(fēng)口下方爐殼上，將找正裝置固定于大套內(nèi)側(cè)（可調(diào)整），找正裝置由機(jī)床軸、車刀架、模具等組成，利用大套對(duì)找正裝置進(jìn)行找正，找正完畢后將找正裝置固定；然后，以找正裝置為基準(zhǔn)對(duì)機(jī)床掛百分表找正，找正完畢后將機(jī)床固定與底座上并對(duì)風(fēng)口大套進(jìn)行加工，加工表面面積要求不低于密封面的90%，軸向未加工表面長度要求不大于密封面長度的1/3。

圖5 機(jī)床修復(fù)示意圖

2.3 風(fēng)口大套在線加工驗(yàn)收

為了保證施工質(zhì)量，經(jīng)過研究討論，制定了大套加工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)（模具驗(yàn)收如圖6 所示）： （1）大套密封面已加工表面面積要求不低于密封面總面積的90%。由于大套變形，大套密封面的加工面為橢圓，造成密封面兩側(cè)切削量大，上下切削量小，為避免切削量過大造成大套和中套配合面長度的減少，密封面因變形無法加工表面在軸向長度不允許超過密封面總長度的1/3。（2）配合密封面的軸向重合長度不小于70%；（3）大套與模具的配合間隙使用0.1 mm 塞尺進(jìn)入，深度小于1/3。

圖6 模具驗(yàn)收

對(duì)高爐爐殼中心進(jìn)行校核：沿各風(fēng)口高度中心架設(shè)檢測(cè)架， 所有檢測(cè)架均要用儀器測(cè)量，達(dá)到同一標(biāo)高，差值≤2 mm，將風(fēng)口中心投到檢測(cè)架上，作好標(biāo)記。通過各風(fēng)口中心在檢測(cè)架上的標(biāo)記點(diǎn)，沿爐殼中心對(duì)稱拉設(shè)鋼絲，并對(duì)各對(duì)稱風(fēng)口所拉鋼絲交匯點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量（測(cè)量如圖7 所示），推算出高爐的中心偏離范圍，確定風(fēng)口開口精度。

圖7 高爐中心測(cè)量

2.4 銅鋼一體中套的應(yīng)用

為了確保煤氣治理的效果，通過考察，將部分中套更換成一種新型的抗變形銅鋼一體中套（銅鋼一體中套結(jié)構(gòu)如圖8 所示），在大套加工完安裝后將中套與大套之間進(jìn)行焊接，使用近8 個(gè)月，效果良好，暫無開焊、跑煤氣現(xiàn)象。

圖8 銅鋼一體中套結(jié)構(gòu)

3 高爐風(fēng)口大套在線修復(fù)的效果

高爐28 個(gè)在線修復(fù)的風(fēng)口大套與2 個(gè)更換的法蘭式風(fēng)口大套施工完畢后， 對(duì)30 件風(fēng)口中套進(jìn)行了安裝，并對(duì)高爐30 個(gè)風(fēng)口大套與中套安裝尺寸進(jìn)行了測(cè)量驗(yàn)收。30 個(gè)風(fēng)口大套與中套密封面間隙使用0.1 mm 塞尺進(jìn)入深度均小于密封面長度1/3，符合高爐進(jìn)風(fēng)裝置安裝驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

高爐送風(fēng)復(fù)產(chǎn)后，再次使用煤氣報(bào)警儀測(cè)量，直吹管內(nèi)側(cè)測(cè)量的煤氣含量均小于0.002%，處理效果良好，從根本解決了這一制約高爐安全生產(chǎn)的重大隱患。

4 效益估算

采用在線修復(fù)風(fēng)口大套，相比較更換大套，此技術(shù)與高爐大中修爐內(nèi)主線項(xiàng)目無交叉，可將整個(gè)檢修工期縮短到5 天，2 800 m3高爐日產(chǎn)生鐵約6 200 t 左右，按目前噸鐵利潤1 000 元估算，增加創(chuàng)效約為31 000 000 元;更換風(fēng)口大套與在線加工施工費(fèi)用基本持平，不予考慮，節(jié)約備件費(fèi)用，約224 000 元，合計(jì)3 122.4 萬元。

同時(shí)采用在線修復(fù)大套可避免更換作業(yè)時(shí)，拆除切割過程中高溫對(duì)爐殼母材金屬組織過燒，造成晶粒粗大，引起的爐殼機(jī)械性能降低的問題，規(guī)避更換風(fēng)口大套對(duì)高爐風(fēng)口帶爐殼造成損傷的風(fēng)險(xiǎn)，減少因更換風(fēng)口大套導(dǎo)致的高爐爐役后期爐殼開裂的重大隱患。

5 結(jié)語

風(fēng)口大套的在線修復(fù)，既縮短了檢修工期，間接創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也提高了工藝設(shè)備的檢修質(zhì)量，為其他大型高爐風(fēng)口大套變形處理提出了可行的借鑒方案，值得推廣。