一种非圆形送风截面的热风管道内衬的制作方法

本发明涉及一种适于黑色金属、有色金属冶炼高炉热风炉用热风管道，特别涉及一种大直径的输送高温、高压热气体的管道内衬。

背景技术：

高炉冶炼需要一种热风炉设备，用于加热具有一定压力的高炉鼓风，这种被加热的高炉鼓风需要通过管道输送到高炉，即所谓的热风管道。这种热风管道通过热风支管与热风炉组中的每座热风炉相连，热风管道的一端为盲端，另一端接入高炉的围管。热风管道外部由钢壳制造，钢壳用于承受鼓风压力，钢壳内部砌筑有耐火材料，起到保温作用。耐火材料通常有多环耐火砖或者保温材料组成，其中内环砖由重质砖砌筑而成，内环重质砖支撑外部各环的保温耐火材料并承受热风冲刷。常规的热风管道由圆形钢壳、圆形砌筑的耐火材料组成，送风截面也是圆形的。

热风管道通常设计为圆形，这是因为圆形热风管道受力最好且占地最小。热风管道外部由钢壳制造，圆形钢壳用于承受鼓风压力，钢壳内部沿钢壳内壁砌筑有耐火材料，耐火材料起保温作用，保温材料沿钢壳也以圆形方式砌筑。热风温度为1100℃~1450℃，耐火材料通常由多环耐火砖和其它保温材料组成，其中内环砖由多块楔形的重质砖砌筑而成，楔形砖以管道圆心为中心砌筑，起到对外层保温材料的支撑作用，外层耐火材料通常由轻质保温砖、保温棉和喷涂料组成，各层耐火材料具有不同的保温效果，最外层的耐火材料与钢壳接触面的温度为100℃~150℃，热风管道钢壳外部的温度也为100℃~150℃。

提高热风炉的送风风温有利于降低高炉冶炼成本，提高鼓风压力有利于提高高炉产量，因此，随着高炉冶炼技术提高，热风管道所输送的热风具有高温、高压特性，这就增加了常规的热风管道内衬的不稳定性。对于圆形的内衬来说，内环重质砖一般采用楔形砖砌筑而成。热风管道顶部耐火砖所受温度最高（热风管道内部的上部与下部温差达数十度），同时受到热风的高流速冲刷和数百度温差的冲击，并在外层耐火材料和自身的重力影响下，长期运行情况下很容易脱落，这就是常见的所谓热风管道顶部耐火砖掉砖的现象。

随着高炉炉容增大，高炉鼓风风量也随之增加，因此，热风管道直径也越来越大，热风管道内环耐火砖顶部脱落的隐患也会加重。这是因为，耐火砖的尺寸并不能随着热风管道管径的增加而无限制增加，因为过大、过重的耐火砖不利于人工搬运和砌筑，制造难度也增大。当管径增大且采用圆形砌筑方式时，楔形耐火砖的大小头尺寸差也减小，因此，耐火砖的稳定性也随之降低。作为对上述公知内容的验证，根据发明人的计算，随着管径增加，耐火砖顶部所受应力也增大，也就是说，对于圆形耐火砖内衬来说，管径越大，顶部受力情况也越差。

相比热风管道内衬顶部，热风管道内衬底部的温度低数十度，且底部座于热风管道钢壳之上，结构相对稳定，因此事故率较低。

为了提高热风管道内衬顶部的稳定性，有一种尝试是将热风管道顶部由砌砖方式改造浇注料，但这种方式显然无法在整个数十米长的管道上实施，通常只能应用在热风管道与热风炉连接的t形部位，由于两种施工方式不同，局部浇注料与耐火砖的结合部存在较大的脱落事故隐患。因此，局部采用浇注料的方式通常只在应急维修时应用。

在俄罗斯，公开的研究资料显示，早期技术人员曾经做过一些涉及到本发明的技术尝试，在砌筑热风炉热风出口和热风短管（即热风支管从热风炉热风出口到热风阀之间段）时采用的加强措施，包括在圆形的热风出口上部增加特殊的拱形装置—拱形浇注料、特殊的拱形砖等，通过这些拱形装置承担热风出口上部耐火砖的重力载荷，从而降低热风出口顶部耐火砖的承载，降低顶部耐火砖脱落的隐患。但上述技术方案因为施工复杂、与普通墙砖衔接部位容易受损，并没有全面推广。

高风温、高风压、大风量是当今和未来的高炉冶炼技术趋势，目前的热风管道圆形砌筑设计（即所谓的圆形送风截面）无法满足高稳定性和长寿命的要求，热风管道经常需要维护，增加了热风系统的运行成本。过去以及现有的一些技术尝试并没有从根本上解决现存问题，反而可能会带来更严重的脱落事故。

技术实现要素：

本发明需要解决的问题是：研究一种可以从根本上提高热风管道、尤其是大直径热风管道内衬稳定性的设计和砌筑方式，解决高温、高压、大管径的热风管道内衬稳定性问题，提高热风管道的使用寿命（无维护）。基于此，在采用圆形热风管道钢壳的基础上，以标准的圆形内衬设计为对比对象，提出了三种解决方案，所述各种解决方案的关键技术是：采用一种非圆形送风截面的设计，通过减小管道内衬顶部的拱形直径的方式提高其稳定性；通过增大管道内衬底部直径、减薄内环耐火砖厚度的方式保证通风能力（即送风截面积不变）。

在圆形、拱形、锥形结构的砌筑方式中，公知的各种技术方案对比结果表明，采用楔形耐火砖的砌筑稳定性最高，这是因为楔形耐火砖在砌筑组合中以中心线对中的方式排列，在重力作用下，楔形耐火砖从大头向小头方向滑动时彼此受到挤压而不会脱落。在本发明中也采用这种稳定性高的楔形耐火砖，其中，顶部的耐火砖增加子母锁扣（通常的方式为位于楔形耐火砖中部的凸起条和凹槽形式），以增强楔形耐火砖的稳定性，同时也起到降低热风对灰缝的冲刷作用；其中，内环重质砖的外部轮廓为圆形，并且与圆形热风管道钢壳同心。

第一种解决技术方案：一种热风管道内衬，其内环由重质的楔形耐火砖砌筑而成，形成一种非圆形的送风截面，它上部具有半圆形的拱顶，两侧则为垂直的直壁，底部为平底，两侧的直壁与圆形拱顶以平滑过渡。其中所述顶部圆形拱顶的直径一般为1000~1500mm，采用楔形重质砖砌筑；其中：所述两侧直壁采用长方形（或正方形）耐火砖砌筑，所述底部采用长方形（或正方形）砌筑。

第二种解决技术方案：一种热风管道内衬，其内环由重质的楔形耐火砖砌筑而成，形成一种非圆形的送风截面，它上部具有较小直径的圆弧形拱顶，所述直径一般为1000~1500mm；在拱顶弧段两侧、按照与拱顶弧相切的方向、以直线延伸，直至与下部一个底部圆弧相交（相交部位采用圆弧过渡），形成一个梨形的送风截面；内环砖外缘为圆形，与管道钢壳同心，内环砖外部的保温轻质砖则与圆形内衬设计相符。其中：所述拱顶弧段与底部圆弧的两侧连接段形成的角度为60°~120°，以60°~90°为最佳；所述弧形拱顶，其耐火砖厚度应等于或大于圆形内衬的厚度；所述下部圆弧内衬，即比圆形内衬直径更大的圆弧内衬，其耐火砖厚度小于圆形内衬耐火砖厚度；所述拱顶圆弧与底部圆弧内衬相交的两侧直线连接段，其下部以过渡圆弧方式与下部圆弧内衬相交；所述热风管道内衬的截面积与圆形管道内衬截面积相同，相差不应超过3%。

第三种解决技术方案：一种热风管道内衬，其内环由重质的楔形耐火砖砌筑而成，形成一种非圆形的送风截面，其特征在于：在第二种解决技术方案的基础上，在拱顶弧段两侧以一个或多个直线段或圆弧的组合形式与下部的圆弧内衬以过渡圆弧方式相交。其中：所述拱顶弧段与底部圆弧的两侧连接段形成的角度为30°~90°，以30°~60°为最佳；所述拱顶，其耐火砖厚度应等于或大于圆形内衬的厚度；所述下部圆弧内衬，是指比圆形内衬（即常规设计的圆形内衬）直径更大的圆弧内衬，其耐火砖厚度小于圆形内衬耐火砖厚度；所述热风管道内衬的截面积与圆形管道内衬截面积相同，相差不应超过3%。

上述解决技术方案中，第二、三种技术方案比较优选，其中第三种技术方案最佳。

在第一种技术方案中，热风管道内衬送风截面形状如桥拱，即“上部拱形、下部直方”，相比圆形管道内衬技术方案，上部圆形拱顶直径较小（一般取1000~1500mm）。在这种情况下，楔形耐火砖的大小头尺寸相差大，砌筑稳定性高。但是，如果要保证管道内衬截面积与圆形管道一致，则热风管道的钢壳也只能随之做成“上部拱形、下部直方”的形状，这种限制影响了该技术方案的推广应用。

在第二种技术方案中，为了保证送风截面的面积与圆形管道一致，热风管道内环耐火砖砌筑成梨形送风截面，即上部拱形的直径较小（小于标准的圆形管道内环耐火砖的直径，一般取1000~1500mm），下部则为较大直径的圆弧。由于热风管道内衬顶部受高温影响最大，且承受管道上部内衬重力载荷，因此，这种梨形送风截面的管道（即所谓梨形管道）内衬顶部重质砖的厚度设计成与圆形管道内环砖一样（或者更大），这样就可以保证热风管道钢壳上部温度符合设计要求。相比之下，所谓梨形管道的下部耐火砖厚度可以适当减薄。该技术方案显示出这种所述梨形管道的优势，即通过减小热风管道内衬顶部直径，有利于提高楔形耐火砖砌筑的稳定性。但是，这种梨形管道技术方案的局限在于顶部圆弧与下部圆弧两侧连接段的夹角比较大，这就降低了两侧连接段的耐火砖砌筑稳定性。

第三种技术方案也属于所述梨形管道，但是改进了第二种技术方案的缺陷，该技术方案减小了顶部圆弧与下部圆弧两侧连接段的夹角，并根据经验提出了所述梨形送风截面的两个侧壁夹角的最佳值，其目的是提高两侧连接段（即侧壁）耐火砖砌筑的稳定性。

第三种技术方案的创新内容是常规的、圆形热风截面的热风管道内衬设计所不具备的，它基本上解决了大管径圆形热风管道长期存在的砌筑稳定性差的问题。

因此本发明采用如下的技术方案：

一种非圆形送风截面的热风管道内衬，该内衬包括内环砖,内环砖外缘为圆形并且与圆形的热风管道壳体同心，所述内环砖内衬的内缘形成非圆形送风截面，非圆形送风截面包括上弧段、下弧段及连接上下弧段的两个侧边，其特征在于：

与具有标准圆形送风截面的热风管道内衬相比，非圆形送风截面的上弧段的直径较小，下弧段直径较大；

非圆形送风截面的截面积与标准圆形送风截面的截面积相差不大于3%。

上弧段直径小于具有标准圆形送风截面的热风管道内衬直径，下弧段直径等于或大于具有标准圆形送风截面的热风管道内衬直径。

连接上弧段与下弧段的两个侧边向顶部圆弧方向收缩并形成夹角，该夹角的范围是30°~90°，优选为30°~60°。

所述非圆形送风截面为梨形。

非圆形送风截面的热风管道内衬顶部内衬的厚度等于或大于标准圆形送风截面的热风管道内衬的厚度，非圆形送风截面的热风管道内衬底部内衬的厚度小于标准圆形送风截面的热风管道内衬的厚度，。非圆形送风截面的热风管道内衬底部的内衬厚度与圆形送风截面的热风管道内衬厚度比值为0.5~0.9，优选为0.7~0.8。

上弧段的直径范围为1000-1500mm。

所述内衬包括由内环砖砌筑而成内环，内环砖是普通的楔形耐火砖，优选是带子母锁扣的楔形耐火砖。

所述内环砖外层布置轻质保温耐火砖、保温棉和喷涂料，或者布置轻质保温耐火砖、保温棉和轻质耐火砖，所述轻质砖依热风管道圆形钢壳砌筑。

这里的标准圆形送风截面是指按照标准设计方法设计出来的具有标准直径的热风管道内衬的截面。

本发明具有的技术效果：

（1）首先，本发明在保证不减小热风管道内衬截面积的前提下，通过缩小热风管道内环顶部直径的技术措施，即明显地提高了热风管道耐火砖砌筑稳定性，同时不影响热风管道通风能力和送风效果。

（2）本发明适用、但不限于较大直径的圆形钢壳热风管道内衬。不仅适用于热风主管，同样适用于热风支管、热风炉拱顶位置的热风出口以及高炉围管的内衬，可以全面提高热风输送系统保温内衬的稳定性。

（3）本发明重点解决了热风管道内衬重质砖顶部的不稳定性问题，本发明涉及的内环重质砖的外缘为圆形，与圆形热风管道钢壳同心，因此并不影响外层轻质保温耐火砖的砌筑，因此降低了非圆形热风管道梨形内衬的砌筑难度，有利于本发明的推广应用。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1为本发明实施例1所述的桥拱形热风管道耐火砖砌筑示意图；

图2为本发明实施例2所述的上小下大的梨形送风截面的内衬砌筑示意图；

图3为本发明实施例3所述的上小下大、且两侧连接段夹角较小的梨形送风截面的内衬砌筑示意图；

图4为梨形送风截面与圆形送风截面风速分布计算比较图。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步描述：

实施例1

图1为桥拱形送风截面的热风管道内衬，其内环由重质的楔形耐火砖砌筑而成，形成一种非圆形的送风截面，它上部具有半圆形的拱顶，两侧则为垂直的直壁，底部为平底，两侧的直壁与圆形拱顶以平滑过渡。其中所述顶部圆形拱顶的直径一般为1000~1500mm，采用楔形重质砖砌筑；其中：所述两侧直壁采用长方形（或正方形）耐火砖砌筑，所述底部采用长方形（或正方形）砌筑。与圆形送风截面的热风管道内衬相比，因为所述热风管道内衬截面顶部的直径比较小，楔形耐火砖砌筑稳定性提高。但为了保证管道内衬截面积与圆形管道内衬截面积一样，送风截面的桥拱下部的直方段的高度增加，无法布置在与常规的圆形热风管道内衬同样管径的圆形钢壳内。

实施例2

图2为一种梨形送风截面的热风管道内衬技术方案，其中实线为梨形送风截面的管道内环砖内衬02，虚线为圆形送风截面的管道内环砖内衬00（直径d00，且耐火砖厚度为a03），上部拱形21的直径d21较小（即d21＜d00），上部耐火砖厚度为a21，下部为则为较大直径的圆弧形23，其直径为d23（d23＞d00），下部耐火砖厚度为a23，上下弧段的两侧连接段为22，其夹角为δ2；下部弧段的水平中心线为24，圆形送风截面的热风管道水平中心线为05，下部弧段的水平中心线24与圆形送风截面的热风管道水平中心线05的距离为h2，h2通常根据截面积计算得出，h2＞0。

所述技术方案送风截面的上部拱形直径d21＜d00，下部直径d23＞d00，d21通常为1000mm~1500mm；所述技术方案顶部耐火砖厚度a21≥a03，下部弧的耐火砖厚度a23＜a03，a23/a03的比值范围0.5～0.9，以0.7～0.8为佳。

为了验证本发明的送风效能，发明人将梨形送风截面与圆形送风截面进行了风速分布计算，如图4所示，计算结果表明，梨形送风截面与圆形送风截面在风速分布方面没有实质性的差异，不存在特殊的湍流。

本领域技术人员将会认识到，在不偏离本发明的保护范围的前提下，可以对上述实施方式进行各种修改、变化和组合，并且认为这种修改、变化和组合是在独创性思想的范围之内的。