岳光伟

（河北新金钢铁有限公司）

1  引言：炉顶密封的关键痛点与突破意义 

在工业炉窑（如高炉、热风炉等）的运行体系中，炉顶上密胶圈是保障设备密闭性的核心部件，其性能直接关系到料罐顺利放料压力稳定、能源损耗控制及生产连续性。作为炉顶与上部结构的密封界面，胶圈需长期承受高温（200-500℃）、高频挤压（日均360-390次）、粉尘侵蚀等严苛工况，是典型的“易损关键件”。

长期以来，行业内同型号设备胶圈普遍采用实心体结构，存在两大突出问题：一是寿命短，平均使用寿命仅3-4个月，极端工况下甚至不足3个月；二是抗疲劳性能差，高频挤压后易出现撕裂、永久变形，导致密封失效，引发非计划停机。同时因密封不良造成的能源浪费量也是不小的损失。

技术突破，通过胶圈结构从“实心体”到“304弹簧环形支撑”的革新，配合座圈的表面处理与形状优化，实现了胶圈寿命15个月、抗挤压频次30万次以上的跨越，为行业密封系统升级提供了可复制方案。

2  原有技术瓶颈：实心胶圈与平面座圈的性能局限 

2.1  实心胶圈的失效机理

原有胶圈为丁腈橡胶与石棉纤维复合的实心结构，失效模式主要包括：

1. 高频挤压疲劳断裂

炉顶启闭时，胶圈需承受周期性挤压应力（单次变形3-5mm左右）。实心结构无法分散应力，边缘易出现微裂纹，10万次左右挤压后扩展为撕裂，丧失密封能力。

2. 高温老化导致弹性衰减

300℃以上高温使橡胶基材热氧老化，2个月后回弹性下降30%以上，挤压后无法完全回弹，形成永久变形，导致密封间隙增大。

3. 局部偏压磨损

安装误差或炉体热变形导致接触偏压，偏压区域磨损速率是正常区域的2-3倍，短期内出现局部凹陷，引发泄漏。

2.2  平面座圈的协同缺陷

座圈为普通碳钢平面结构（粗糙度Ra12.5），存在两大问题：一是表面耐磨性不足，6个月后平面度偏差达0.5mm以上，加剧胶圈磨损；二是接触形态不合理，“线接触”导致应力集中于边缘，加速胶圈疲劳。

3  技术改造方案：结构革新与协同优化 

3.1  胶圈结构：304弹簧环形支撑的创新设计

1. 设计理念

采用“刚性支撑+弹性密封”复合结构，以304不锈钢弹簧为骨架提供抗疲劳支撑，外层包覆耐温密封材料，兼顾强度与密封性。

2. 304弹簧骨架参数

- 材料选择：304不锈钢耐温650℃，300℃下疲劳寿命是碳钢弹簧的3倍，适配炉顶高温环境。

- 结构设计：线径2mm，圈径20mm，节距1mm，整圈1个接口。

- 性能匹配：刚度系数80N/mm，5000N载荷下变形3-5mm，满足密封间隙要求。

3. 外层密封材料与复合工艺

选用氟橡胶（FKM）（耐温350℃），通过“预成型-硫化粘合”工艺复合。

4. 截面优化

采用“梯形+圆弧”截面（上底60mm，下底70mm，高30mm），底部R5圆弧过渡，减少接触应力集中。

3.2  座圈优化：喷钨处理与弧形辊花设计

1. 喷钨表面处理

采用超音速火焰喷涂（HVOF）制备0.3-0.5mm钨涂层，参数为氧气流量200L/min、煤油流量18L/h、喷涂距离300mm。涂层硬度HV0.3≥1200，磨损速率仅为普通碳钢的1/5，15个月内平面度偏差≤0.1mm。

2. 弧形辊花形状

- 弧形基底：半径500mm的弧形设计使接触面积增加30%，

- 辊花结构：表面加工0.5mm深、5mm间距的环形辊花，增加摩擦力防止滑动，同时提高了密封性能。

4  改造效果：从实验室到工业应用的验证 

4.1  实验室测试

1. 高频挤压疲劳试验

300℃环境下，以3次/分钟频率、5000N载荷测试，30万次挤压后胶圈无撕裂，回弹率保持90%以上，弹簧应力松弛率≤5%，密封性能无泄漏。

2. 磨损对比

实心胶圈10万次挤压后磨损3.2mm，改造后胶圈30万次磨损仅0.8mm，速率降低75%。

3. 座圈耐磨性

喷钨座圈磨损量为普通碳钢的1/8，与胶圈磨损速率匹配，避免单方过度损耗。

4.2  工业应用成效  

2023年6月在某高炉应用，至2024年9月（15个月）表现如下：

- 寿命突破：胶圈无失效迹象，密封稳定（压力波动≤0.2kPa），较原结构提升150%。

- 抗挤压验证：累计挤压22万次（日均390次），拆检后表面轻微磨损，弹簧完好。

- 经济效益：年减少停机12小时，备件成本降低3倍，年节约煤气4万元，综合效益超40万元。

5  应用价值与推广前景 

本技术突破的核心价值在于：

1. 技术创新：首次将金属弹簧支撑结构应用于炉顶密封，突破实心胶圈性能瓶颈，为高温高频密封场景提供新范式。

2. 经济效益：单台高炉年效益超40万元，钢铁企业推广至10台设备年效益可达400万元以上。

3. 绿色生产：减少能源泄漏，吨钢能耗降低固废减少符合“双碳”目标。

6  结论 

高炉上密胶圈的技术突破，是304弹簧环形支撑与喷钨弧形座圈协同优化的结果。15个月寿命与30万次抗挤压能力，验证了“结构革新突破材料瓶颈”的可行性，为工业炉窑密封系统长周期运行提供了保障，具有显著的行业推广价值。