方養(yǎng)吾

(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司 上海 201900)

1 前言

石灰是鋼鐵、塑料兩大基材的重要輔料及基本原料，在工業(yè)廢水處理、垃圾焚燒、煙氣脫硫等環(huán)保領(lǐng)域有巨大的市場(chǎng)前景，作為性價(jià)比最高的堿性氧化物及其高鈣特性，石灰還廣泛應(yīng)用于高速公路、高鐵、建筑業(yè)、工業(yè)(有色、造紙、制糖、純堿、食品、醫(yī)藥、建材制品)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，是重要的基礎(chǔ)原材料[1]。

在冶金工業(yè)中，石灰作為冶煉生產(chǎn)過程中的重要熔劑和造渣材料，隨著鋼鐵冶金技術(shù)的精細(xì)化，要求石灰具有較高的活性度和較低的含硫磷量，即要求使用活性度高的石灰[1]。

TD500型石灰窯是一種國際上比較先進(jìn)的雙膛窯石灰生產(chǎn)窯型，其熱耗低、生產(chǎn)石灰活性度高。國內(nèi)一個(gè)電石生產(chǎn)企業(yè)建設(shè)了TD500型石灰窯生產(chǎn)線，在投產(chǎn)半年后，出現(xiàn)卸灰抽屜框架主梁斷裂變形等問題，造成生產(chǎn)暫停，封窯檢修。

2 卸灰抽屜機(jī)構(gòu)及工作原理

卸灰抽屜機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)料槽、液壓推拉裝置、抽屜板、上層輥輪、下層輥輪、中間連接框架等幾部分組成，詳見圖1。

整個(gè)卸灰抽屜是支撐在底部支撐框架上的，通過上下2層輥輪和中間連接框架的垂直布置，上部抽屜板通過液壓缸驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)前后及左右移動(dòng)，移動(dòng)的行程設(shè)為160mm。工作時(shí)，油缸分別按順序運(yùn)行推拉動(dòng)作，完成下料工作，液壓式卸灰抽屜將焙燒好的石灰沿橫斷面四周間隙均勻排向下部的石灰冷卻料斗。出料裝置下部共分上、下兩層輥輪，在水平面形成垂直布置，兩層垂直布置是為了最大限度地保證窯內(nèi)四周下料間隙的均勻合理，液壓缸推拉速度和行程都可以調(diào)整，達(dá)到控制出料速度的目的，保證了工藝調(diào)整產(chǎn)量的需要。

圖1 出灰系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1-底部支撐框架;2-下層輥輪;3-中間連接框架;4-上層輥輪;5-液壓推拉裝置;6-抽屜板;7-導(dǎo)料槽;8-窯殼底部

名稱結(jié)構(gòu)及材料簡(jiǎn)要支撐輥輪裝配1、鋼板間長(zhǎng)度372mm2、頂板間長(zhǎng)度272mm滾輪板1、總長(zhǎng)度340mm;2、開槽長(zhǎng)度65;3、材質(zhì)Q235B滾輪1、有中間螺紋孔;2、材質(zhì)45#頂板1、齒條直角過渡;2、中間孔Φ18;3、材質(zhì)Q235B;4、厚度30mm下部抽屜板材料為Q235B中間連接框架1、材料為Q235B;2、鋼板厚度一般為20mm上部抽屜板材料為Q235B下部臺(tái)車框架框架為H型鋼焊接,材料為Q235B

3 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及要因分析

TD500型石灰窯在投產(chǎn)半年后，出現(xiàn)卸灰抽屜抽動(dòng)卡阻困難，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，抽屜上面出現(xiàn)體積巨大的結(jié)塊料，且表面發(fā)紅，溫度大約500℃左右。抽屜板下框架與驅(qū)動(dòng)液壓缸連接處的中間梁斷裂，另一側(cè)中間梁也已發(fā)生蠕變。

抽屜內(nèi)物料清空完后。發(fā)現(xiàn)物料結(jié)塊尺寸目測(cè)2.5m×3m×1m。且夾雜大量類似石英石材質(zhì)的石塊。

據(jù)原料車間反饋石灰窯從2013年元月投產(chǎn)至今，抽屜的運(yùn)行情況很不理想。四年來，抽屜大梁及連桿斷裂的事故頻繁。尤其是2016年11月和12月期間，短短兩個(gè)月內(nèi)抽屜和連桿處發(fā)生斷裂的次數(shù)多達(dá)22次，嚴(yán)重制約了石灰窯的連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)以上出現(xiàn)的情況，重點(diǎn)從窯體結(jié)構(gòu)和窯生產(chǎn)工況2個(gè)方面進(jìn)行了故障原因分析。

3.1 窯生產(chǎn)工況

通過檢查生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合工藝生產(chǎn)條件等方面分析原因，主要有以下幾點(diǎn)：

1)石灰石原料狀況：工藝要求供生產(chǎn)的石灰石原料粒度為40-80mm(其中20-40mm≤5%，90-120mm≤5%)，但通過抽檢原料倉內(nèi)的石灰石小于20mm的細(xì)料量超過了10%。塊料表面附著較多粉料。窯內(nèi)部粉料太多影響了窯內(nèi)內(nèi)部的空氣流動(dòng)，窯體內(nèi)不同截面溫度相差較大，易造成局部結(jié)塊，也嚴(yán)重影響了石灰的整體質(zhì)量。冷卻風(fēng)氣流傳遞不均勻，石灰冷卻效果差，導(dǎo)致石灰到達(dá)抽屜位置時(shí)溫度過高。

經(jīng)過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)原料中硅(Si)含量超過2%，且石灰石原料夾雜了大量雜石。通過高溫煅燒，SiO2和石灰石反應(yīng)生成硅酸鈣，物料結(jié)塊增多，增大抽屜動(dòng)作阻力。

2)生產(chǎn)操作：在正常生產(chǎn)時(shí)窯體通道處溫度為1050℃，卸灰抽屜處的溫度應(yīng)控制在150℃以內(nèi)(最好在100℃左右)。通過檢查歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通道處溫度最高達(dá)到了1300℃左右，卸灰抽屜處溫度高于250℃，過高的溫度造成卸灰抽屜框架結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度性能降低，在液壓缸的反復(fù)推拉作用下導(dǎo)致變形斷裂。

3.2 窯體結(jié)構(gòu)

表2 TD400和TD500卸灰抽屜參數(shù)表

通過對(duì)比表1中國內(nèi)TD400型和TD500型石灰窯，TD400型窯在國內(nèi)卸灰抽屜基本沒有出現(xiàn)故障。得出如下結(jié)論：

1)TD400石灰窯抽屜上部是一個(gè)錐體，錐體角度為23°，分散了對(duì)抽屜的承重。TD500石灰窯的抽屜上部是柱體，滿膛石灰石的重量全部壓在了抽屜上。

2)TD500型石灰窯比TD400型石灰窯卸灰抽屜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低。

3)石灰窯抽屜的滾輪主要起兩個(gè)作用，一是支撐抽屜，二是對(duì)抽屜的動(dòng)作起導(dǎo)向作用。TD500的滾輪中心距較大，抽屜的抗彎強(qiáng)度小，更易導(dǎo)致變形。

由表2比較得出，500TPD D型石灰窯抽屜結(jié)構(gòu)比其低產(chǎn)量窯型的抽屜結(jié)構(gòu)單薄，為此，根據(jù)不同的工況對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果如下[3]：

a) 應(yīng)力大的部位主要發(fā)生在框架連接處。整體應(yīng)力云圖如圖2所示。

b) 上部抽屜板應(yīng)力云圖如圖4所示，圖中圈出所示處應(yīng)力最大為375MPa，受力變大是因?yàn)樯喜砍閷习迨艿脚c框架運(yùn)動(dòng)相反的摩擦力的作用。

c) 中間框架應(yīng)力云圖如圖4所示。最大等效應(yīng)力發(fā)生在型鋼圓角處，最大183MPa。

d)液壓推拉裝置連接處框架應(yīng)力云圖如圖5所示。最大等效應(yīng)力發(fā)生在型鋼連接匯集處，最大246MPa。

根據(jù)以上分析結(jié)果總結(jié)如下：

圖2 整體應(yīng)力云圖

圖3 上部抽屜板max375MPa應(yīng)力云圖

a )上部抽屜與框架連接部位及液壓推拉裝置連接處框架強(qiáng)度薄弱，在重力與摩擦力引起的傾覆壓力作用下，可能會(huì)破壞。見圖6上部抽屜應(yīng)力分析圖。

圖4 中間框架max183MPa應(yīng)力云圖

圖5 液壓缸連接處框架max246MPa應(yīng)力云圖

圖6 上部抽屜板應(yīng)力分析圖

b) 中間框架梁四周型鋼及液壓推拉裝置連接處框架交匯處應(yīng)力過大，液壓推拉運(yùn)動(dòng)時(shí)可能發(fā)生破壞。見圖7下臺(tái)車框架應(yīng)力分析。

4 對(duì)策和措施

根據(jù)對(duì)以上工況和卸灰抽屜原因分析，對(duì)生產(chǎn)工藝優(yōu)化控制和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。

1)石灰石原料粒度要確保在40-80mm范圍內(nèi)(其中20-40mm≤5%，90-120mm≤5%)。

2)卸灰抽屜溫度要控制在150℃以下。

圖7 下臺(tái)車框架應(yīng)力分析圖

3)石灰窯投運(yùn)以來，已更換過一次卸灰抽屜，在第二次更換抽屜時(shí)，對(duì)抽屜結(jié)構(gòu)框架和H型鋼均作了加強(qiáng)，材質(zhì)也由原來的Q235B改為Q345B，投運(yùn)后曾穩(wěn)定運(yùn)行了半年時(shí)間，這說明加強(qiáng)抽屜結(jié)構(gòu)的思路是正確的。在抽屜高度受到限制的前提下，繼續(xù)增加H型鋼的強(qiáng)度，建議將H200型鋼的腹板厚度確定為25mm，翼板厚度確定為20mm。液壓推拉裝置連接對(duì)板處厚度確定為30mm，焊接處做消除應(yīng)力集中的處理措施。

圖8 增加23度出料裙板

4)參照TD400石灰窯的結(jié)構(gòu)，將出料裙板按23度角往里收縮成錐型，分散物料對(duì)抽屜的正壓力。詳見圖8。按照出料料裙板收縮后的實(shí)際尺寸，同比例縮小抽屜板的面積，并將縱、橫向支撐滾輪的中心距同步往里收縮，以增強(qiáng)抽屜的抗彎曲強(qiáng)度。

5)增大滾輪限位塊和限位齒條的間隙，減輕運(yùn)行中的摩擦啃齒現(xiàn)象，降低運(yùn)行阻力。

5 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況和抽屜結(jié)構(gòu)對(duì)故障的影響；介紹了TD500型石灰窯卸灰抽屜的結(jié)構(gòu)和材料情況，并提出有效優(yōu)化措施。經(jīng)過2年半的生產(chǎn)實(shí)際考核，卸灰抽屜未出現(xiàn)故障，滿足了穩(wěn)定生產(chǎn)的需要，為其它石灰窯型卸灰抽屜設(shè)計(jì)及故障的解決提供了一定的參考。