摘 要： 随着高炉大型化和高风温技术的应用，高炉风压和顶压的提高，高炉及热风炉已等同于“压力容器”；另外，新设计的热风炉大多远离高炉，热风管道过长；旧有的热风炉在结构上存在着“老化”的重大隐患；热风炉的操作管理也时常存在“侥幸”心理，加之操作人员技术水平不佳，时而出现换错炉而断风事故、燃烧器爆炸事故、炉皮鼓开事故和冷风管道爆炸事故。给人民生命财产和设备造成重大损失，我们要认真应对，避免此类事故的发生。
关键词：高炉 热风炉 送风系统 结构稳定性
Study on Blowing System Structural Stability of Blast furnace
LIU Quanxing
(Qingdao Iron & Steel Co. ltd)
Abstract: With large-scale operation furnace and applications of the high hot blast temperature technology, and the operation of high top-pressure and hot blast pressure in blast furnace, the blast furnaces and their hot blast stoves have been tantamount to "pressure vessel". In addition, most of the new design of the hot gas away from the blast furnace, hot air pipe had long; the old hot blast stoves in the structure of the existence major hidden dangers of "ageing" ; hot blast stoves of the operation and management had always existed "lucky" psychological, coupled with poor technical level operators, sometimes for the wrong furnace operation in the accident off the wind, burning with the explosion of a burner accident and explosion of the blast pipeline system. To people's lives and property and equipment, causing major losses, we must seriously deal with and avoid such accidents.
Keywords: Blast furnace Hot Blast Stoves Air supply system Structural stability
1.前言
随着科学技术的进步，广大的科学工作者很好地解决了热风炉的重大关键技术，例如热风炉的燃烧技术，传热技术，气流流动和分布技术等，高炉大型化和高风温技术才得到了成功应用。高炉热风压力和炉顶压力的提高，高炉及热风炉已等同于“压力容器”；另外，新设计的热风炉大多远离高炉，热风管道过长；旧有的热风炉在结构上存在着“老化”的重大隐患；热风炉的操作管理也时常存在“侥幸”心理，加之操作人员技术水平不佳，时而出现换错炉断风事故、燃烧器爆炸事故、炉皮鼓开事故和冷风管道爆炸事故。给人民生命财产和设备造成重大损失，我们要认真应对此类热风炉送风系统的结构稳定性问题，避免各类事故的发生，实现真正意义上的高温、绿色节能和长寿热风炉。。
2.高炉热风炉系统事故案例及原因分析
2.1 事故案例
案例1：1998年12月27日9：00左右，某厂3#高炉2#热风炉崩裂事故。当场死亡6人，重伤2人。直接经济损失χχχ万元。
原因：炉体老化，检修中焊接质量欠佳。
案例2：1997年3月6日17点30分,开炉仅两年的某厂10号高炉的热风围管在3号铁口上方爆裂鼓开,并将高压水总管(Φ400mm)烧损,大量的水从围管开口处(1200mm×6000mm )由风管灌入炉缸，炉缸严重冻结。
原因：设计与施工质量问题。
案例3：1990年9月19日某厂7#高炉3#热风炉拱顶开裂事故。19日6：05——9：35，共计休风210分钟，损失生铁1200吨。直接经济损失χχ万元。
原因：某建设公司抢修拱顶后，炉皮焊接质量差，焊口没有深度，焊缝口夹有铁棍。
案例4：1998年6月22日某厂7#高炉3#热风炉蓄热室管道盲板开裂事故。22日4：25——11：45，共计休风440分钟，损失生铁2200吨。直接经济损失χχχ万元。
原因：某修建部施工焊接质量差，焊肉没有达到技术要求，盲板没有加固筋。
案例5：1995年12月22日某厂10#高炉1#热风炉煤气短管开裂事故，休风935分钟，损失生铁4900吨。直接经济损失χχχ万元。
案例6：2008年8月3日某厂6#高炉2#热风炉热风外短管膨胀节开裂、管道吹损事故，休风2465分钟，损失生铁5000吨。后来又多次处理。直接经济损失χχχ万元。
原因：新设计的热风炉大多远离高炉，热风管道过长；膨胀节材质差，多次包补，施工焊接质量差，有串风现象。使用风温1230℃。
案例7：2006年7月20日某厂2#高炉热风炉冷风管道爆炸事故，将2#冷风阀炸碎。直接经济损失χχχ万元。
原因：热风炉烧嘴冷却用冷风阀门没有及时关闭，煤气由此倒流到冷风管道。
案例8：2009年12月30日某厂2680m3高炉2#热风炉热风外短管三岔口开裂、管道吹损事故。直接经济损失χχχ万元。
原因：结构稳定性差，多次包补，施工焊接质量差，有串风现象。使用风温1230℃。
案例9：2010年2月12日某厂5800m3高炉热风炉热风管道拉杆断裂，膨胀节开裂、管道吹损事故。直接经济损失χχχ万元。
原因：新设计的热风炉大多远离高炉，热风管道过长；膨胀节材质差。
2.2 几起典型事故原因分析
2.2.1．某厂10号高炉热风围管爆裂和炉缸严重冻结两大事故
1997年3月6日17时35分，某厂10号高炉3#铁口上方突然发生围管爆裂事故，致使紧急休风。该高炉由30个风口，4个铁口及事故发生前使用的1#和2#铁沟（2#铁沟由3#铁沟报废改制的）。当时发现爆裂的围管将高压水管崩坏，大量循环水顺着爆裂的围管通过风口流进炉内，造成炉缸冻结。形成热风围管爆裂和炉缸严重冻结两大事故。
这次围管爆裂，主要原因是设计与施工质量问题。热风围管强度满足不了高温高压的要求；也有人认为，热风围管上方的大量积灰，直接影响管皮散热，也可能为一“诱因”。
处理此次事故，从3月6日开始抢修、9日正式送风至25日恢复正常，共计16天。一般来说，开始时，由于对这次事故严重性估计不足，没有认清炉缸漏水是炉缸冻结所致，做出3-5天即可恢复高炉生产的错误判断。10号高炉没有渣口装置，恢复炉况时又几次波动，炉前的两次堵炮时机掌握不准确，忽视了对铁口两侧的维护以及对碱度和炉温调剂不及时等，都是造成这次恢复炉况缓慢的直接原因。
2.2.2某厂3号高炉2号热风炉炉皮鼓开事故
某厂3号高炉炉容为1053m3。于58年开始兴建，60年投入生产。高炉于73年进行全面大修。2号热风炉先后于87年6月、92年、95年6月、98年10月进行了多次大中小修，其主要维修的内容有：热风出口挖补、球顶填水渣、更换球顶砖、蓄热室标高30.99m以上格子砖全换，蓄热室标高30.99m—36.99m的大墙和火井墙更换、火井墙标高30.99m以下内环砖更换、球顶以下炉皮进行打带焊接（共计7带）等。在历年的维修中，2号热风炉标高30.99m以下的炉壳及耐火砖衬自73年以来也基本未更换过。
事故发生于1998年12月27日早9：00时。事故发生时，三号高炉的三座热风炉中，1号炉处于燃烧期，2号炉处于送风末期，3号炉正在做由燃烧转为送风的操作工作。当时，助燃风机已停，煤气阀和煤气调节阀已关，燃烧阀及烟道阀还未关闭；2号热风炉停送操作尚未执行，在这之前，其各阀启闭位置正确，开关运动灵活无卡阻，热风阀无漏水现象。
事故发生前主要的生产运行参数：2号热风炉：冷风压力0.225MPa；风量2300m3/min；风温860℃；拱顶温度 960℃。1号和3号热风炉（2号热风炉与1、3号基本相同）。煤气压力：6.3kPa；煤气量：38000—40000 m3/h座。
12月22日高炉计划休风检修，同时对2号热风炉进行检修，检修项目主要是对热风出口部位炉壳进行挖补，挖补用料为普碳钢板，厚度12㎜，总面积约26.4㎡。
当日早8：00时高炉休风，修建公司检修人员进现场开始施工，直至26日中午11：00时，挖补工作基本完成，炼铁厂人员用冲压阀进行了冲压实验，实验介质为冷风管道的冷风，实验压力为0.22 MPa，实验期间对施焊焊缝进行了检查，在确认无跑风漏气的情况下，于26日中午12：00开始烘烤，烤炉。但此时尚有部分补焊钢板的加强筋未焊完，局部补焊处内部未补填水渣，随之既投入使用。当晚在运行中，先后两次发现施工部位有500㎜和200㎜长的竖缝漏风，均停止送风进行了处理。截止27日9：00时，该炉已在检修后进行了燃烧，送风五个工作周期。
27日早8：00，修建公司上白班的检修人员又进入施工现场，准备继续完成扫尾项目。
事故发生前，由于2号热风炉投入运行时间长，风温水平低，高炉已停止喷煤2小时，早8：20分打开铁口开始出铁，事故发生时，出铁已继续40分钟，渣、铁已基本出净，高炉操作未发现异常现象，运行一切正常。
导致事故突发的几种可能性，主要集中于煤气爆炸和焊接质量不佳，炉壳强度差上。
煤气爆炸：考虑爆炸为本次事故原因的依据主要是：热风炉是大量使用煤气的设备，热风炉区域内各种设备发生煤气爆炸的事例比较多见。这次2号热风炉事故造成的破坏非常严重，炉壳钢板破口面积大，飞溅物抛掷的距离远，这些现象与爆炸产生的效果相似。
煤气爆炸必须具备三个基本要素，一是要有足够量的煤气，二是煤气与空气均匀混合到一定的比例，三是温度要达到着火点，而且三个要素缺一不可。
从2号热风炉发生事故时的工作状态来看，正处于送风末期，换炉操作尚未执行，煤气阀烧阀均处于关闭状态，不可能有煤气进入热风炉。即使煤气阀、燃烧阀关闭不严，在送风期内，燃烧室里充满0.22MPa的热空气，压力只有6.3KPa的低压煤气也不可能由煤气阀、燃烧阀泄漏至热风炉内，因此不具备煤气发生爆炸的基本条件。
另一方面，高炉在事故发生之前，处于顺行状态，没有用热风炉进行倒流休风、倒流坐料等操作；鼓风机运转正常，没有突然停风等事故发生，因而不会产生高炉炉缸内煤气倒流回热风炉的情况。
由此可见，热风炉内不存在煤气，因煤气发生爆炸的几率为零。
发生爆炸的另一个可能的原因是有大量的水漏入热风炉，当水遇到高温耐火砖时，在极短的时间内汽化，产生大量蒸汽，体积急剧膨胀，使炉内压力骤然上升，当炉壳和大墙承受不了这一压力时，高压蒸汽从炉体最薄弱的部位喷出，致使炉壳破裂，炉衬崩塌，而造成爆炸。
热风炉设备中，使用水冷却的设备主要是热风阀，它使用的冷却水由四号高炉软水泵站共给。据调查，事故发生之前，泵站供水压力和流量均在正常范围之内，未见异常。热风阀也无漏水现象，不可能有大量的水进入热风炉，即便有少量的水泄漏，产生的水蒸汽数量有限，也会随热风炉送入高炉，不会在热风炉内造成爆炸现象。
从爆炸产生的效应方面分析，这次事故的一些现象也与之有较大差别。
爆炸是剧烈的化学或物理膨胀过程反应，是开放性的，能产生高温高压以及强大的冲击波，使周围建筑物产生强烈振动。但调查中在崩裂处形成高温高速气流，引发炉壳裂口迅速扩大，与此同时，在高温气体的推动下，炉墙破裂飞出，并引起炉内大量耐火材料塌落，塌落时会产生巨大的冲击力，这样的高温气流的冲刷力和耐火材料的冲击力的叠加作用下，炉壳裂口进一步扩大，大量耐火砖由裂口处涌出。
这一理论的依据是：
① 热风炉因炉壳强度，砖衬开裂等原因而引发炉壳崩裂，并且将砖衬崩出的事故时有发生，只不过是规模有大有小，破损程度有重有轻而已。
② 本次事故现场，炉壳破口处两侧的钢板大部分保持原来形状，破口出的焊缝多呈断裂状，明显可见被拉断的。
③ 热风炉内有0.225MPa的热风压力，炉壳是个受压容器，该压力可视为炉壳崩裂的原动力。
④ 热风压力和流量的记录显示，在事故的当时，风压降低而流量提高，该过程是一个卸压过程，而非增压过程。
因而，可以断定，本次事故确是由炉壳崩裂而引发的恶性事故。
6 事故原因分析
6.1 炉壳崩裂原因
① 三号高炉热风炉系统是58年设计，59年施工，60年投产的，由于历史的原因及当时技术水平的限制，该系统存在多个先天不足之处，比如：炉壳厚度仅为10mm，偏薄；耐火材料热工性能差，稳定性差；炉壳内没有采取喷涂等保护措施等，均对热风炉的高温长寿运行不利。
② 内燃式热风炉在结构上存在着固有的缺陷，常发生供顶开裂掉砖，火井上部砖墙向蓄热室一侧倾倒和上部掉砖，格子砖错位和堵塞，火井下部隔墙开裂和短路，格子砖中心部分下沉为锅底形，高温区耐火砖渣化的变质，炉底板上翘及焊缝开裂，甚至腐蚀漏风等，这些现象在73年2号热风炉大修时的破损调查分析报告中得到了验证。
随着炼铁技术的不断进步，以及新技术、新工艺的采用，比如：扩容、富氧喷煤的使用炉顶压力提高，干法除尘的投用等，使高炉冶炼大大强化，高炉公况明显提高，但在这一过程中，热风炉的技术进步显得滞后，使热风炉的负荷逐年加重。
③ 2号热风炉炉壳从60年投产至今，已运行38年，中途从未做过整体更换（中下部），长期在恶劣环境条件下工作，温度呈周期性变化不断地充压、放压已达十万余次，热疲劳次数较高，再加上在高温下晶间应力腐蚀的作用，炉壳强度降低。
由于设备老化，在维修中采取的一系列措施，往往由于各种因素的影响，不能奏效，达不到预期的目的。比如：挖补、焊加强板等很难做到等强度焊接；新旧钢板之间的焊接难度大，且只能单面焊，焊缝内应力较大，新旧钢板之间厚度不等，焊缝处不做过渡处理，也会造成焊缝应力集中，削弱焊缝的强度。
从近一个月的点检记录上可以看到，2号热风炉检修次数频繁，特别是热风炉出口部位，从12月1日至12月21日，补焊次数多达7次，说明2号炉炉壳老化程度严重。
④ 2号热风炉自73年以来30.99m标高以下的耐火砖基本未更换过，至今已使用25年，由于耐火材料长期工作在恶劣条件下，砌体的开裂剥落在所难免，从炉壳频繁补焊以及检修人员挖补时观察到炉体保温材料散落、热风出口上下部位的大墙上均有600mm长，5—10mm宽的裂缝，还有一些小裂缝的事实也证实了这一点。由于砌体开裂、剥落，形成炉壳窜风，导致炉壳与高温气体直接接触，使炉壳钢板工作温度上升。热风炉炉壳采用Q235（A3）钢板，有关资料载明，这种钢板随工作温度的增高，其许用应力大大降低，比如：温度≤20℃时，许用应力只有94MPa；而当温度上升至350℃时，许用应力降为77MPa;分别比常温下降低15%和30%。而在炉皮窜风时，炉皮温度可达500℃以上，在这种情况下，钢板已失去了结构强度。
此外，当炉壳崩裂时，大墙耐火砖失去炉壳的保护和支撑，在其本身强度不足的情况下，大面积、大体积的耐火砖瞬时塌落，必定在底部和炉壳上产生巨大的冲击力，这个力量的热风对炉壳的冲刷力相叠加，进一步加大对炉壳的破坏作用，使炉壳裂口扩展，从而扩大事故的规模。
6.2炉壳崩裂突破口的方位
根据炉壳裂口的形状和散落物的分布情况可确定突破口的方位如下：
①炉壳裂口左上放，其边缘是新旧钢板的接缝，该处有一直角相交的焊缝，这是应力集中的部位所在，那里强度最低，应该是首先破裂的部位。
②根据散落物分布的方向和距离绘制的简图（见附件5），散落物距离热风炉愈远，该物体喷出的初速度愈大，突破口应在其包容角的范围内。
③热风总管上平台栏杆的破坏情况也为突破口的位置提供了证据。
根据上述三点理由，可以确定突破口位于热风炉中心偏西61°-75°范围内，标高约16m处。
经过反复调研和分析，认为太钢三号高炉2号热风炉12.27事故的原因是多方面的，事故突发是由于热风炉老化严重，出现一些薄弱环节，造成处在送风状态的热风炉炉壳，因热风炉大墙砌体开裂严重，产生局部破损后，直接接触高温气体，从而是炉壳钢板许用应力下降，在其薄弱部位产生崩裂造成的。炉壳崩裂后，高温气体以每平方米22.9吨的压力，以每秒百米以上的速度冲出炉外，瞬时引发热风炉内中、上部砌体破坏，失去整体稳定性，大量高温耐火材料塌落，几种因素相互叠加导致炉皮由崩裂发展为大范围撕裂，上千吨耐火材料涌出炉外，发生热风炉本体毁坏的恶性事故。
2.2.3 某厂6号高炉2号热风炉热风管道膨胀节鼓开事故
2008年8月3日某厂6#高炉2#热风炉热风外短管膨胀节开裂、管道吹损事故，休风2465分钟，损失生铁5000吨。后来又多次处理。直接经济损失χχχ万元。
原因：新设计的热风炉大多远离高炉，热风管道过长；膨胀节材质差，多次包补，施工焊接质量差，有串风现象。使用风温较高，出事前风温为1230℃。
3. 防范措施
3.1设计与施工
设计，施工部门限于工作性质和现场工艺合理有着一定的差别，可以说，对热风系统按压力容器标准设计非常懂的人不很多，缺乏足够的实践经验。更有甚者，现场工艺人员善意提出的很好的意见和建议，得不到应有的认可。这样势必留下先天缺陷，以后生产应用问题就反映出来了，即便想改也比较难了。施工队伍限于工期紧，任务重，特别是甲方的默认，施工质量欠佳，不按规程试漏、试压。极易造成系统泄漏，给后续的生产埋下祸根。
严格执行高炉生产、设备运行、作业有关规定。建立健全本单位的生产组织机构,实行专业化管理,严格执行设备检查与维护制度。建立技术档案,完善应急预案,及时整改事故及设备隐患。赋予专业化队伍相应的职权,强化设备管理与操作专业队伍的培养。履行好各级安全生产责任制,最大的限度地保护人民生命和财产安全。
高炉与热风炉的相对位置不要过远；减少波纹膨胀器的使用。原则上来说，热风炉与高炉靠得越近越好；使用波纹膨胀器要充分考虑耐压强度与热风管道的整体稳定性；实践说明，大量使用波纹膨胀器有害无益。
送风系统的设计要全面优化，耐火材料的选择要有足够的安全容量。
在砌筑方面要精雕细刻，绝不可粗制滥造，以各种名义偷工减料。
严格焊接施工质量，该双面焊接的不能单面焊接。
严格按试压程序进行系统试压，发现问题，及时处理。
3.2操作与维护管理
高炉热风炉系非常重要的热工设备，要制定完备的检查与维护制度，作为A类设备进行管理，分班定期巡视检查。一旦发现异常，应立即休风处理，不得延误。
设备有缺陷，不得使用高风温。适当降低风温可以有效缓解事故的发生。
焊接质量是保证设备正常运行的关键环节。综合多起热风炉送风系统事故案例可以看出，焊接质量不佳是酿成重大事故的“罪魁祸首”。
4. 结论
4.1 随着高炉大型化和高风温技术的应用，热风炉及送风系统的稳定性问题应引起炼铁工作者高度重视。高炉炉顶压力的提高，高炉及热风炉已等同于“压力容器”； 旧有的热风炉在结构上存在着“老化”的重大隐患；切不可盲目使用高风温、高风压和高顶压。
4.2 新设计的热风炉大多远离高炉，热风管道过长，靠膨胀节来解决大膨胀量的问题是一种错误的设计理念。从热风炉及送风系统的稳定性角度考虑，热风炉靠近高炉可以大大降低事故的风险。
4.3 严格把好热风炉及送风系统的检修质量，不可偷工减料。焊接质量是保证设备正常运行的关键环节。综合多起热风炉送风系统事故案例可以看出，焊接质量不佳是酿成重大事故的“罪魁祸首”。
4.4 消除热风炉的操作管理的“侥幸”心理，提高操作人员技术水平，避免出现换错炉断风事故、燃烧器爆炸事故、和冷风管道爆炸事故。一旦发现炉皮鼓包、发红等，要立即休风处理。避免事故的发生。