快干澆注料在大型高爐熱風主管整體澆注的應用

高爐煉鐵是目前世界范圍內應用最廣泛的煉鐵方式,通常每座高爐都要匹配三到四座熱風爐,以便能為高爐冶煉提供和儲存充足的熱風。高爐和熱風爐之間由熱風管道相連接,熱風管道的內襯結構通常采用耐火噴涂層+耐火纖維+輕質隔熱耐火磚+耐火磚(工作襯)構成。由于受熱風沖刷及工作溫度變化的影響,熱風主管處的耐火襯體較易開裂、剝落,甚至小面積脫落,引起管道管殼發紅,為了追求高爐的高效化與長壽化,就需要對爐體進行有效及時的維護,做到在高爐服役中發現問題、治理問題,因此就需要修補材料不僅可在高溫環境中施工,而且還能進行快速烘烤。

針對采用水泥及低水泥結合的澆注料固化較慢,烘烤時間長的問題,公司研制了溶膠結合剛玉-莫來石澆注料,已于2009年11月、2010年7月份分別應用于武鋼的高爐風口處和武鋼燒結廠點火爐的爐頂及側墻處,2011年4月和9月兩次應用于新余鋼廠高爐熱風總管三岔口處的搶修工程中以及2011年9月應用于唐山國豐鋼鐵廠1280m3高爐的熱風爐主管三岔口處的搶修工程中。2011年12月,某鋼鐵廠5000m3高爐的熱風主管出現了嚴重的掉磚事故,沿主管道方向塌磚長度有近40 m,而環形砌筑的工作襯磚及輕質隔熱磚每一圈也都基本到了水平角度(即熱風主管內的上半弧內的磚基本全掉),出現如此大的塌磚面積實屬罕見。本文采用剛玉莫來石快干澆注料對該主管實施一次性整體澆注修補,通過應用跟蹤了解,經澆注修補后該高爐運行良好。

澆注料的特性及理化指標

1.1溶膠結合澆注料的特性

該澆注料采用以5~8 mm、3~5 mm、1~3 mm、及<1 mm的剛玉和莫來石為骨料,剛玉粉、礬土粉及α-Al2O3(≤0.043 mm)微粉為細粉,采用溶膠及復合外加劑作結合劑的材料,硅溶膠是粒徑從幾納米到數十納米的多聚硅酸分散體系,溶膠粒子內部結構為硅氧烷(-Si-O-Si-)網絡,表面層由許多硅烷醇基(-SiOH)和羥基(-OH)所覆蓋,同時硅溶膠覆蓋在固體表面能形成牢固的硅膠薄膜,從而增強材料的黏結、固化和成型。

經實驗總結分析該材料具有如下特性:

①無需養護便可快速烘烤。有效提高一次性施工厚度達到了650 mm。同時有效縮短養護和烘烤時間。溶膠結合快干澆注料已在武鋼燒結廠項目工業應用中成功實現了澆注成型12h后立即拆模烘爐,烘烤24h便投入正常生產。

②良好的體積穩定性及抗熱震穩定性。實驗表明:以水泥結合的試樣經40多次熱震循環就完全開裂,而溶膠結合的熱震循環100次后基本沒有出現裂紋,把熱震100次后的試樣經110℃烘干后,測試其耐壓強度,多次結果表明,溶膠結合的材料耐壓強度保持率在80%(熱震100次后的耐壓強度與熱震前耐壓強度的比值×100%)以上。

③良好抗CO侵蝕性能。為了直接體現溶膠結合耐火澆注料的抗CO侵蝕性能的優越性,把水泥結合耐火澆注料與溶膠結合澆注料同時放入到純CO氣氛中進行500℃的連續熱處理,其結果是:水泥結合的澆注料在經熱處理50 h后試樣就破裂為兩半,100 h后試樣出現一處大塊剝落,有大顆粒碳沉積,150 h后出現數處裂紋,200 h后有大塊剝落,多處出現裂紋,表明其已受CO嚴重侵蝕。而溶膠結合的澆注料50 h后試樣表面出現一處碳沉積,100 h后試樣表面出現一片剝落,而150 h后僅出現幾處開裂,而200 h后試樣整體變黑,碳黑沉積在試樣的各個氣孔中,試樣從表面到內部僅受到嚴重的蝕損。

1.2試樣的常溫成型的理化指標

試樣常溫成型固化后經不同溫度熱處理后的強度、體積密度和線變化率見表1。

表1不同溫度熱處理后試樣常溫性能的理化指標

5000m3以上高爐熱風爐修補方案的確定及其完善

2011年12月初,據某煉鐵廠5 000 m3高爐的相關人員反映,該高爐在使用過程中發現有輕質磚從熱風圍管掉落到送風管道內,阻塞風口,此情況從2011年年中開始出現,截止到12月初,情況越發嚴重,已從風口拿出240多塊輕質磚,為了確保安全生產,公司在線維修所的技術專家采用紅外感應成像儀對其進行掃描分析,并提出相應的解決方案,經對該熱風主管進行紅外測溫及成像后,通過對圖像的分析,結合以往的經驗,初步斷定,該管道內出現了一定部位的掉磚。當休風時把三岔口的觀察孔打開,發現管道內塌磚情況非常嚴重。為了能確定塌磚長度,只能在兩邊所能看到的最大塌磚處再次開天窗,同時考慮修補方案,最終確定管道內從混風室到2#、3#熱風爐之間的人孔連續塌磚長達近40 m,塌磚面積基本為主管道圓弧的上1/2圓弧。該熱風爐主管道塌磚情況見圖1,需要修補部位詳細尺寸見設計圖圖2所示。

(a)主管道上天窗打開后圖

(b)管道內掉磚圖片

圖1管道內的塌磚圖片

圖2熱風主管各部位的詳細尺寸設計圖

混風室中心線到1#熱風爐三岔口中心線10.8m,1#與2#、2#與3#熱風爐三岔口中心線15 m。熱風總管外徑3.200 m,內徑2.096 m。爐皮厚度16 mm,噴涂層50 mm,纖維氈10 mm,輕質磚采用三層,每層輕質磚厚度114 mm,重質磚采用一次環砌,重質磚厚度152 mm。

針對現場情況,從坍塌面積情況來看,實行熱態掉模澆注修補已經不現實,而采用購磚砌筑至少需要近20天,最終決定,采用設計院提供的冷爐方案進行冷爐,根據施工方案,組織施工單位對施工中的各個細節,如模具的制備、管道管殼的澆注口的打開及所需施工工具等進行準備。詳細施工時間安排及施工步驟如下。

時間安排為:約30 h的爐體冷卻,約15h的管道清理,約20 h的制模,約40 h的整體澆注以及十來個小時的烘烤,封蓋上蓋板后,經壓漿再次對管道內的空隙進行填充,5天后復風投入生產。

施工步驟為:①開設澆筑天窗,天窗80cm×80cm,間距200cm;②管道降溫<100℃;③殘磚拆除,清理管道內殘磚;④砌磚,管道內局部塌磚范圍超過180°,計劃砌筑到最少180°以上,用以支持澆筑材料;⑤管道內支模,采用木模形式,使用50 mm木方圓模,間距30 cm;⑥澆注施工,澆注順序從混風室三岔口→1#熱風爐→2#熱風爐→3#熱風爐;⑦爐皮焊接,開設灌漿孔并灌漿處理;⑧復風生產。

根據圖紙尺寸核算,此次整體澆注修補的長度達到了近40m,厚度在400~600 cm,整體澆注體積有近100m3。

結語

這次搶修工程無論從施工量之大,還是從施工的時間之短,在國內、國際實屬罕見,使用澆注料對管道整體澆注開創了國內、國際的先例。但這次搶修工程在相關人員的共同協作下取得了圓滿的成功。該高爐熱風爐的主管道的管殼溫度在正常的生產中基本維持在100℃左右,達到了原設計要求。