某钢厂蓄热蜂窝体损坏原因分析

摘要：蓄热蜂窝体（Regenerative Honeycomb）是蓄热式加热炉的核心部分，在使用中经常产生破裂、收缩、磨损、堵塞、侵蚀及烧损等问题，极大地影响加热炉的性能。本文主要对某钢厂加热炉蓄热蜂窝体损坏的原因进行了分析，并提出改进和解决措施。

关键词：蓄热蜂窝体  损坏 原因分析  解决措施

Cause Analysis on Breakage of Honeycomb Regenerator in a Steel Plant

Abstract：Honeycomb body is the core part of the regenerative furnace, thereare often have some problems such as fracture, shrinkage, abrasion, blinding, erosionand burning loss in the use, greatly affect the performance of the heating furnace.The paper analyses the damage reasons of honeycomb in regenerative furnace, andputs forward some improve and resolve measures.

Keywords: regenerative honeycomb;breakage; cause analysis; countermeasures

1.前言

     蓄热式高温空气燃烧技术（HTAC，High Temperature AirCombustion）是一种新型的节能燃烧技术，它具有高效烟气余热回收和高温预热空煤气以及低污染排放等多重优越性，广泛应用于冶金行业中各种类型加热炉、钢包烘烤器、热处理炉，前景广阔。HTAC蓄热式燃烧技术是应用蓄热室热交换原理，达到火焰炉废气余热的极限回收，把助燃空气和煤气预热到1000℃的高温，从而大幅度降低加热炉燃料消耗，是提高工业炉热效率、节能、环保的新技术。其中，蓄热式加热炉由于其具有高节能率、低污染排放等优点，在钢铁企业得到了广泛的应用。蓄热体是蓄热加热炉的关键部分，蜂窝体是目前所用蓄热材料中结构较为合理，换热效率高的一种蓄热体，由于其单位面积大、蓄热量大、换热速度快、节能效果好、配套设备简单等特点，越来越多地使用于加热炉中。但在实际使用中，蜂窝体存在孔道堵塞、侵蚀、烧损及使用寿命短等问题，严重制约了蜂窝体蓄热性能的发挥，影响加热炉的质量和设备的正常运行。本文对某钢厂加热炉蜂窝体出现的问题进行分析，总结了其损坏的原因和解决措施，以期为蜂窝体的生产及选用、合理安装及现场应用提供有益的建议。

2.出现的问题

经了解该钢厂于2013年4月10日点火，4月23日出钢，今年1月初停炉对烧嘴砖改造维修中间停了一段时间，总计运行10个月15天。蓄热室内蜂窝体壁厚为1mm，孔径为3.5mm的六方形结构，其排列方式为：里层为1层刚玉挡板砖，中间为3层刚玉-莫来石质高温蜂窝体（耐火度1450℃），外层为5层莫来石-堇青石质低温蜂窝体（耐火度1350℃）。目前出现的问题主要有：

2.1蓄热体破裂和收缩

经现场查看，里层和外层均有部分蜂窝体出现破裂甚至粉碎崩塌（如图1）。观察到外层的部分低温蜂窝体都存在尺寸收缩的情况，且颜色变深，有15%的低温蜂窝体出现尺寸收缩（如图2），烧后最小尺寸为138mm（长）×88mm（宽），原尺寸为150mm×100mm，且烧后整体收缩比较均匀。高温蜂窝体也有少量存在烧缩的情况。

图1 蜂窝体破裂                                          图2 低温蜂窝体收缩

2.2 挡块砖和蜂窝体侵蚀严重

由图3和图4及现场情况知，里层挡板砖孔里被铁渣及粉尘侵蚀，部分已经出现破损和变形情况，挡板砖颜色出现发青现象；中间有部分高温蜂窝体也被铁渣粉尘侵蚀，导致蜂窝体破损和变成黑色，拆开8个烧嘴后，观察到部分挡块砖变形损坏，而高温蜂窝体损坏数量较少。

图3  蜂窝体及挡板砖侵蚀损坏                             图4 挡板砖破损及变色

2.3 高温烟气直接进入排烟管道

   蜂窝体最上一层高温烟气直接穿过蜂窝体进入排烟管道（如图5），即发生烟气短路，高温烟气将最上一层蜂窝体和格栅都烧坏，造成蜂窝体烧损严重、尺寸烧缩甚至崩塌，有些蜂窝体颜色变青（如图6），影响了蓄热室的温度效率和热回收率等性能。

图5 烟气短路及蜂窝体破损                                  图6 烟气短路及蜂窝体变青

2.4 炉内温差大、炉外局部温度高

   加热炉内温差达50-60℃，炉墙及炉顶的保温性能不好，炉墙与烧嘴砖接口处出现裂纹，炉墙散热损失大，炉外局部温度偏高，导致烟气热量不能充分利用。

3. 原因分析

3.1 堵塞与侵蚀

     钢厂煤气中粉尘及水汽含量高，进入蜂窝体后水汽与粉尘一起被粘在蜂窝体表面，时间一长就形成堵塞。另外，炉内燃烧气氛为还原性气氛，CO浓度较高，使蜂窝体和挡板砖颜色变青（如图6、图7所示），在还原性气氛中，粉尘中的Fe容易转化成FeO（如图8），FeO与莫来石质及堇青石质蜂窝体反应形成低熔点化合物，导致蜂窝体耐火度大幅度下降，FeO的侵蚀更是加剧了蜂窝体软熔堵塞^[1]。

图7 挡板砖被侵蚀及变青                                图8 炉内FeO粉尘及炉渣

3.2 破裂及收缩

   蜂窝体在高温条件下长期运行，频繁的热冲击对蜂窝体的微观结构产生较大影响，加上煤气在还原性气氛中燃烧不完全，进入蜂窝体内进行二次燃烧，过高温度的烟气造成蜂窝体变形收缩，变形收缩后的间隙形成烟气短路，造成更多的蜂窝体收缩、破裂甚至崩塌。此外，煤气在炉内的在烟气粉尘及氧化铁皮的侵蚀下，形成低熔物导致蜂窝体耐火度降低，内部结构发生变化，抗热震性变差，在高温及温差应力条件下，导致蓄热体产生变形、裂纹及破碎。

3.3 烟气短路

在安装蜂窝体时，当保证后端低温蜂窝体的安装尺寸后，前端高温蜂窝体就会形成20~30mm的间隙，炉子点火后此处为阻力最小的排烟通道，高温烟气及火焰长期从此处冲刷和侵蚀，造成“短路现象”，同时冷热风温差大使材料长期反复热冲击破裂。安装蜂窝体时这个缝隙如果未经处理，就造成烟气短路现象。然后短路通道逐步扩大，烧毁附近的低温蜂窝体，最后造成最上一层出现短路通道，导致蜂窝体严重损坏。

此外，蜂窝体在高温作用下烧缩，蜂窝体之间则出现间隙，导致蜂窝体下沉错位，蜂窝体之间的间隙集中，并扩展至后面的蜂窝体，直至高温烟气直接进入排烟管道，形成烟气短路^[2]；若蜂窝体安装错位，则蜂窝体下沉受阻，蜂窝体的重量由局部接触点承受，导致局部受力过大，引起蜂窝体破损并出现较大间隙，造成烟气短路。

3.4 炉内温差大及炉外温度高

炉内温差过大主要是烧嘴设计不合理，空、煤气燃烧不充分，炉内流场分布不均所致。炉外局部温度高是由于炉墙、烧嘴长时间在高温下工作，两者膨胀系数不同，产生缝隙，出现冒火现象，造成炉墙温度分布不均，散热损失大大增加；另外，炉墙材料在冷热交替中产生裂纹及膨胀缝加快了热量的散失，导致炉外温度偏高。

4.改进措施

4.1 合理设计安装蓄热体

在制作蓄热箱（即保温层）时，为了便于拔模，保温层前端和后端尺寸有10mm的稍度（如图9），稍度的存在也便于蓄热体的安装；安装蜂窝体时，蜂窝体和保温层之间有5mm以上间隙，应在高温段蜂窝体下层撒一层浇注料干料或者用耐火泥来封堵间隙^[3]，避免因间隙产生的串火和烟气短路。不建议使用保温棉来塞缝隙，因为保温棉长期使用会产生收缩、粉化碎裂而被烟气吹落。

图9 蓄热箱及蓄热体示意图

4.2 控制空燃比及减少粉尘

合理设计烧嘴并控制空燃比，使煤气完全燃烧，既可以使炉内气氛呈中性，减少FeO的生成量，阻止其与蜂窝体中化学成分提高燃料纯度，又可以防止二次燃烧^[4]。煤气粉尘中氧化铁粉主要来自钢的氧化，粉尘及其中的氧化铁均能造成蓄热体损坏，因此，应及时更换高炉除尘布袋且在蓄热室内加滤灰网，以减少粉尘对蓄热体的堵塞和侵蚀。

4.3 提高炉墙设计及质量    

炉墙与烧嘴及蓄热室接触处密封严密，以免出现冒火现象。提高炉墙的施工质量，选择耐高温、抗热震性强的耐火材料及合理设置膨胀缝，以减少炉墙膨胀裂纹与缺陷的出现及扩展^[5]；另外，还可以在加热炉内表面喷涂辐射涂料及陶纤等新型材料，来减少加热炉热损失。

4.4 提高蓄热体性能

适当提高莫来石质或堇青石质蜂窝体的Al₂O₃含量，使其使用温度提高，以延长其使用寿命，但Al₂O₃太高，蜂窝体热震性会降低，在频繁换向过程中，蜂窝陶瓷会因为温度波动而破裂甚至粉碎。据试验总结，蜂窝体Al₂O₃含量在65-70%左右时其抗热震性最佳；另外，通过原料配方来提高蜂窝体的耐火度、荷重软化温度、抗热震性、抗FeO侵蚀等性能，才能满足加热炉在冷热温差大、FeO粉尘多、操作时气氛变化等工况的使用要求。

5. 结语

蓄热蜂窝体在加热炉中的使用极大地缩小了蓄热体的体积，大幅度提高了烟气余热回收的效率，使助燃空气和煤气可以预热到前所未有的高温（1000℃以上），而排烟温度降至100℃左右。根据钢厂加热炉蓄热体在使用过程中易出现的破裂与收缩、堵塞及侵蚀、烟气短路及炉外温度高等问题，分析了其产生的深层原因，并提出了蜂窝体、控制及设计方面的改进措施，以期为加热炉设计及生产高性能蓄热蜂窝体提供参考。

参考文献

[1]李朝祥，王雪松，王志贵. 陶瓷蓄热材料的损坏机理[J].冶金能源，2003,22（4）：43-45.

[2]欧阳德刚，将扬虎，等. 蜂窝陶瓷蓄热体破损原因分析[J].武钢技术，2006,44（5）：29-33.

[3]卢建鸿，王存利，等. 蜂窝体损坏原因分析及改进措施[J].山东冶金，2005,27（3）：23-24.

[4]骆志平，尹志香，等. 加热炉蜂窝体蓄热能力下降原因分析[J]鄂钢科技，2010（4）：23-24.

[5]白羽. 环形加热炉内衬膨胀缝留设技术[J].山西建筑，2008,34（22）:146-147.

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