干熄焦高温矩形膨胀节在线修复与维护

朱庆庙 ，庞克亮 ，侯士彬 ，王超 ，武吉

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司炼焦总厂，辽宁 鞍山114021）

干熄焦（CDQ）是通过循环风机将冷的惰性气体鼓入干熄炉内，与炽热红焦换热后将焦炭冷却，而吸收了红焦显热的惰性气体再将热量传递给锅炉产生蒸汽，最终冷却后的惰性气体经风机鼓入干熄炉循环使用。干熄焦有两个高温矩形膨胀节，分别位于干熄焦一次除尘与锅炉、干熄炉之间的连接处，用于吸收一次除尘砌体与锅炉入口砌体、干熄炉砌体与一次除尘砌体间的热膨胀，消除三个主体设施间的相对位移。其结构相对复杂，运行过程中容易损坏，出现内部浇筑料脱落、膨胀节整体烧毁泄漏等问题。鞍钢股份有限公司炼焦总厂（以下简称炼焦总厂）4#125 t/h干熄焦生产系统于2008年10月投产运行。在2012年8月干熄焦大修检查时，发现干熄炉与一次除尘之间的膨胀节在顶部位置出现了局部脱落，经过浇筑后继续生产。在2014年9月大修检查时，发现同样位置的浇筑料脱落，影响干熄焦的稳定运行。因此，文中对干熄焦高温矩形膨胀节的损坏原因进行了分析，并提出了膨胀节在线修复与维护技术，实践效果良好。

1 干熄焦高温矩形膨胀节损坏原因分析

1.1 一次除尘系统温度波动

在干熄焦系统正常生产情况下，干熄炉出口（即膨胀节处）温度应保持在950～1 000℃左右。当焦炉、干熄炉定修或遇到生产故障连续停产4 h以上时，干熄炉出口温度将会降低到700～800℃，热胀冷缩将会造成膨胀节内衬表面浇筑料开裂，降温幅度越大，浇筑料损坏程度越大。待恢复正常生产后，高温循环气体由浇筑料裂缝处窜入内部，长时间的侵蚀作用会烧坏浇筑料内部挂件的焊接点，随着浇筑料内部挂件不断损坏掉落，膨胀节内部浇筑料失去挂件的悬吊，造成浇筑料局部脱落。由于膨胀节波纹板外表面没有明显变化，浇筑料局部脱落后不易被发现，干熄焦系统继续生产运行，损坏处长时间受高温侵蚀及压力波动影响，逐步扩大，最终出现矩形膨胀节内部浇筑料的大面积坍塌，直至烧坏膨胀节表面波纹板，造成膨胀节主体框架损坏。可以看出，温度剧烈波动是干熄焦高温矩形膨胀节损坏的直接原因。

1.2 膨胀节内部悬吊挂件设计不合理

干熄焦高温矩形膨胀节内使用的焊接挂件为倒立的“Y”形结构，焊接时只能点焊，焊接在倒立“Y”的腿上，这种连接方式造成浇筑料的承重连接点不牢固，易损坏。

1.3 高温矩形内衬浇筑方式有缺陷

一般制作干熄炉矩形膨胀节时，应在地面施工，先按照标准尺寸焊接制作框架，框架制作完成后，在波纹管内部焊接“Y”形内部挂件，然后对矩形膨胀节内部“Y”形挂件进行浇筑施工。施工时，要求制模浇筑，浇筑料必须完全将内部挂件覆盖住，既保护内部挂件又与其成为一体。同时，浇筑施工时必须有辅助震动设备，使浇筑料均匀填充到支模内，并将浇筑料内部气泡排出，使其浇筑后成为一个整体，保证浇筑料表面光滑无裂痕。由于炼焦总厂干熄焦大修时，矩形膨胀节采用在线修补方式，工期短且施工难度大，虽然浇筑时也采用支模浇筑，但整个施工过程无法确保浇筑料内部气泡全部排出，施工质量无法与在地面浇筑相比，且浇筑施工最后在最高点收尾时，无法保证浇筑料填充充实，浇筑料砌体容易出现空洞，导致整体强度下降，影响内衬浇筑料使用寿命。

1.4 膨胀缝预留不合理或填充不实

干熄炉高温矩形膨胀节位于干熄炉和一次除尘砌体之间，按照要求各留10 mm膨胀缝。而膨胀节内部浇筑料中间位置需预留80 mm的膨胀缝，两处预留的膨胀缝均需使用陶瓷纤维毡填塞密封。在实际施工时，膨胀缝内虽填充了陶瓷纤维毡，但未进行压实或膨胀缝预留过大。在干熄焦正常生产过程中，膨胀缝内未填满压实的陶瓷纤维毡被1 000℃左右的高温循环气体烧成棉絮状，之后被高温烟气逐步侵蚀，导致膨胀缝填充料被抽空，进而循环气体窜入膨胀节浇筑料上部的波纹管内，加速内衬的损坏，造成膨胀节烧损。

2 在线修复与维护技术措施

2.1 减少一次除尘系统温度波动

干熄焦系统整体实行连续排焦制度，进行连续化生产，杜绝干熄焦系统频繁升、降温，避免由于焦炉检修造成锅炉入口膨胀节温度波动。调整空气导入气动阀开度时，每次不允许超过2%，严格控制空气导入量的变化速度，避免锅炉入口负压增加过快。改变排焦振幅时，要求每次在3%以内，且尽量少改变振动给料器的振幅，避免冷却段阻力忽大忽小，影响锅炉入口负压，导致其波动过大，造成系统温度波动。

2.2 膨胀节内部挂件改型

在矩形膨胀节原有波纹管上表面，重新加铺一层不锈钢波纹管，通过氩弧焊接，进一步巩固膨胀节密封效果并增加抗高温强度。在焊接过程中要求全部满焊，避免内外冷热气体窜漏，烧损膨胀节主体框架。

在干熄焦高温矩形膨胀节内部，“Y”形内部挂件起悬吊牢固浇筑料的作用，同时也是使内部轻质浇筑料和重质浇筑料成为一体的保障。“Y”形挂件焊接的牢固程度，直接影响膨胀节内浇筑料的使用寿命。炼焦总厂在现场拆除旧浇筑料时发现，很多内部挂件出现严重烧损现象，个别已经断裂脱落，直接危害到膨胀节的使用寿命。原膨胀节挂件缺陷见图1。

图1 原膨胀节挂件缺陷图

针对这种情况，在焊接新内部挂件时，设计了一种新型挂件，改进了挂件结构，即在 “Y”形挂件下部增加一根横筋，改变原挂件焊接方式，采取在整个横筋上进行整体焊接的方式，并采用加固双面焊接，增加整体挂件的承重强度。改进后挂件焊接方式见图2。

图2 改进后挂件焊接方式

同时，对未脱落的膨胀节挂件采取两点焊接的加固方式，增加挂件的焊点，增强挂件的牢固程度，避免每个挂件只有一点承受浇筑料悬吊的重力，在最大程度上避免挂件由于浇筑料重力及受到高温烟气侵蚀造成的掉落问题，充分保障浇筑料的牢固性。未脱落挂件加固焊接方式见图3。

2.3 改进膨胀节浇筑方式

干熄炉出口高温矩形膨胀节浇筑用的耐火材料依然采用设计用料，膨胀节的内衬用隔热轻质浇筑料CL-100浇筑，膨胀节浇筑料外层即与高温烟气接触面层采用高强度的CZH027浇筑。在支模浇筑过程中，两种浇筑料要与新型挂件紧密接触，使其牢固地成为一体，且在整个施工过程中使用振动棒震动，确保浇筑料均匀浇筑到模具中，同时也最大程度排除浇筑料内部的气泡，避免因浇筑料内部出现空洞，造成膨胀节强度下降。在最高点收尾浇筑时，一定要灌满压实并辅助震动。浇筑后的砌体表面高出内部新型挂件30～50 mm，在干熄焦生产过程中，确保挂件不直接接触循环气体。

图3 未脱落挂件加固焊接方式

2.4 膨胀节膨胀缝密封、养护与升温

（1）对膨胀节中间膨胀缝部位进行密封。在膨胀节中间膨胀缝部位铺垫压实硅酸铝纤维毡后，用角型白钢板压在硅酸铝纤维毡上，防止其掉落。将膨胀缝密封用的角型板焊接在膨胀节的筋板上，并焊接挂件。然后将膨胀节内整体填充硅酸铝纤维毡并捣打、压实，确保开工后生产运行时起到密封隔热作用，避免高温烟气进入膨胀节内部损坏挂件。矩形膨胀节与两侧砌体连接处的膨胀缝严格按照80～100 mm的标准预留，并反复用陶瓷纤维毡填充、捣打、压实，确定不会在生产运行过程中被抽空。干熄焦高温矩形膨胀节中间部位处理图见图4，浇筑完成后的膨胀节见图5。

（2）膨胀节内部浇筑完成后，浇筑料需经过48 h以上的养生时间。在养生过程中，系统保持常温，最后拆除模具对整体进行检查，将明显菱角及支模浇筑的接缝处进行抹补压实，避免在生产过程中循环气体侵蚀存在缝隙的地方导致其扩大。

（3）严格按照规定升温。在线修复的膨胀节对大修恢复时的升温要求比较高，升温过快，容易导致内部水分流失过快，不能等到整体均匀膨胀，造成浇筑料表面龟裂，影响使用寿命；升温过慢，则不能很好地驱除内部水分，同时对浇筑料耐火材料的使用强度产生影响。因此，干熄炉一定要按照制定的升温计划进行升温，升温控制标准为5 ℃/h（120 ℃/天）。

图4 膨胀节中间部位处理图

图5 浇筑完成后的膨胀节

3 应用效果

2014年8月，采取以上技术措施对炼焦总厂4#干熄焦高温矩形膨胀节进行在线浇筑处理。2017年5月干熄焦大修时，对高温矩形膨胀节进行检查，未出现浇筑料掉落坍塌现象。复检效果见图6。

图6 2017年5月复检效果图

由图6可以看出，经32个月的实践检验，膨胀缝内部后填充的石棉毡被高温气体侵蚀，但没有造成膨胀节局部高温烧损的问题，未影响整个高温矩形膨胀节的安全使用。重新填补密封膨胀节中间部位膨胀缝后继续使用，2018年10月，开炉检查效果见图7，高温矩形膨胀节浇筑料仍然牢固，密封严密。

图7 2018年10月开炉检查效果

炼焦总厂4#干熄焦高温矩形膨胀节在线修复技术实施前后的关键性能参数对比情况见表1。

表1 高温矩形膨胀节在线修复技术实施前后关键性能参数对比

由表1可以看出，高温矩形膨胀节在线修复技术延长了干熄焦系统的年修周期，实现了干熄焦系统年休周期2年的目标，年修时长缩短了20%，年修费用降低了约41.4%，干熄焦生产效率由98%提升至98.3%。

4 结语

为了解决鞍钢股份有限公司炼焦总厂4#干熄焦高温矩形膨胀节内部浇筑料脱落的的问题，提出了膨胀节在线修复与维护技术措施，包括减少锅炉入口温度波动、膨胀节内部挂件改型、改进膨胀节浇筑方式、增加膨胀节膨胀缝的密封、强化升温前养护与升温过程控制等，并应用于生产实践中。经过32个月的实践检验表明，此项技术有效延长了干熄焦高温矩形膨胀节的使用寿命，能够满足干熄焦系统年修周期2年的需求，且使干熄焦系统的年修时长缩短了20%，年修费用降低了约41.4%，干熄焦生产效率由98%提升至98.3%，保障了干熄焦系统的平稳运行。