李 軍, 許秀芹, 李方義

(索通發(fā)展股份有限公司,山東 德州 251500)

環(huán)式焙燒爐通常是由爐底、側墻、橫墻、火道墻及煙道等幾部分組成。在生產(chǎn)過程中,焙燒爐橫墻不但會彎曲,且局域橫墻也會發(fā)生開裂現(xiàn)象,且隨著焙燒爐的大型化,橫墻開裂現(xiàn)象也愈加多發(fā)和突出。橫墻開裂既增加焙燒爐日常維護工作量,且因橫墻的不易修復性,也將嚴重影響焙燒爐的整體使用壽命。查找焙燒爐橫墻開裂的原因,并提出相應對策,是炭素從業(yè)人員迫切的希望和要求。本文從設計和工藝等方面分析橫墻開裂的原因并提出相應的對策,供工程技術人員參考。

1 焙燒爐橫墻開裂現(xiàn)象

對某企業(yè)焙燒爐橫墻仔細觀察發(fā)現(xiàn),橫墻開裂有多種樣式存在:①有在料箱橫墻內伸縮縫處拉開的(圖1a)；②有在料箱角縫處開裂的(圖1b)；③有在火道墻中心線對應橫墻位置開裂的(圖1c)；④還有上述多種開裂形式并存的混合式開裂的情況(圖1d)等。橫墻典型開裂形式見圖1。

圖1 橫墻開裂典型圖例

當然,伴隨著局域橫墻開裂,橫墻其它部位同時也會出現(xiàn)部分伸縮縫縮小甚至消失和個別橫墻過風口與火道墻過風口產(chǎn)生錯位等現(xiàn)象,這些現(xiàn)象應屬于橫墻開裂的伴生現(xiàn)象,會或多或少的改變料箱寬度和過風口截面,本文在探討橫墻開裂的原因時也一并對上述伴生現(xiàn)象予以解釋。

2 橫墻開裂原因分析

眾所周知,熱脹冷縮是絕大多數(shù)材料固有的物理特性,且熱膨脹產(chǎn)生熱應力。對于焙燒爐這種使用耐火材料砌筑的熱工設備發(fā)生熱脹冷縮現(xiàn)象也不例外,其橫墻必然也要發(fā)生高溫區(qū)砌體向低溫區(qū)砌體膨脹和位移的現(xiàn)象。減小高溫區(qū)和低溫區(qū)的溫差,就能降低橫墻熱膨脹的熱應力,反之,橫墻膨脹的熱應力將會增強。

仔細分析橫墻開裂的情況,筆者認為與環(huán)式炭素焙燒爐特有的熱工方式有關,另外與爐子結構設計細節(jié)存在缺陷、耐火材料品質和操作管理等因素也有一定關聯(lián)。

2.1 與環(huán)式炭素焙燒爐特有熱工方式有關

環(huán)式炭素焙燒爐是通過火道墻對料箱內炭素制品進行間接預熱、加熱、焙燒以及冷卻的熱工設備。環(huán)式炭素焙燒爐在每個生產(chǎn)周期中都會經(jīng)歷升溫、保溫和冷卻三個階段,在不同的熱工階段,橫墻會有不同的熱脹冷縮表現(xiàn)。

(1)焙燒爐升溫階段,橫墻總體向外膨脹

由于炭素焙燒爐是屬非穩(wěn)態(tài)間接傳熱的熱工設備,因此在升溫階段,鑲嵌上下游火道墻的橫墻小局域首先升溫,而料箱內橫墻段滯后升溫,此時鑲嵌火道墻的橫墻部分會產(chǎn)生向兩側橫墻的熱膨脹(圖2雙箭頭表示)。又由于橫墻內鑲嵌有多條火道墻,因此橫墻內部會出現(xiàn)多個小局域的方向不同的熱膨脹。

但橫墻小局域的熱膨脹又需要服從橫墻整體的熱膨脹。表1、表2為某企業(yè)16料箱焙燒爐兩系統(tǒng)分別移爐11小時、29小時后各火道控制溫度和各料箱1.55米深處實測溫度。很明顯,邊料箱溫度低于中間料箱的溫度。因此,中部橫墻要向兩側低溫區(qū)橫墻產(chǎn)生熱膨脹及熱應力,最終形成橫墻的位移。圖2為在升溫階段橫墻小局域和總體熱膨脹的示意圖。

表1 某燃燒系統(tǒng)移爐11小時后4～6P爐室火道及料箱溫度

表2 某燃燒系統(tǒng)移爐29小時后4～6P爐室火道及料箱溫度

圖2 升溫階段橫墻向兩側低溫區(qū)膨脹示意圖

(2)在保溫和冷卻階段,橫墻不均衡冷縮,導致橫墻伸縮縫或磚縫開裂或收縮

焙燒爐在保溫和冷卻階段,無論鼓風架還是冷卻架鼓入的冷空氣,會使火道對應的橫墻段降溫相對較快,而料箱對應的橫墻段降溫較慢(因料箱物料多,熱焓大,且有填充料密封,散熱差),這樣在每個火道對應橫墻段與相鄰料箱對應的橫墻段的小局域范圍都會出現(xiàn)溫差,料箱處橫墻因溫度高有向火道處橫墻冷縮的熱力學運動,會引起料箱處橫墻伸縮縫加大的趨勢。

但橫墻小局域的熱脹冷縮同樣要服從橫墻整體熱脹冷縮的要求。在焙燒爐保溫及冷卻階段,橫墻溫度總體仍為中間高兩側低的態(tài)勢,橫墻仍有逐步減少的向外熱膨脹力的存在。同時,保溫與冷卻階段的橫墻溫度與橫墻最高溫時(如6P爐室)相比,又是不斷降低的,因此,橫墻又有冷縮的運動。橫墻最終呈現(xiàn)的是多種熱脹冷縮的疊加:有些部位伸縮縫或磚縫被嚴重擴大甚至開裂,而有些區(qū)域伸縮縫會因主次膨脹方向相反,而使伸縮縫縮小(即伴生現(xiàn)象)等。圖3給出橫墻小局域及橫墻主體在降溫階段的熱脹冷縮示意圖。

圖3 降溫階段橫墻復雜的熱脹冷縮狀態(tài)示意圖

當然,橫墻的熱脹冷縮不是孤立的,它也要受焙燒爐其它部件熱脹冷縮及變形的影響,其中關聯(lián)度最高的是火道墻,因為火道墻兩端是鑲嵌在上下游橫墻內的,火道墻與橫墻一般僅預設了6 mm左右很小的側部伸縮縫間隙。

2.2 火道墻變形助推橫墻開裂

已知火道墻在熱應力作用下,也會發(fā)生“括號”型、“反括號”型的彎曲變形[1]。在其變形過程中,總會有施加給橫墻的分力,助推橫墻產(chǎn)生移位。特別自焙燒爐引入高溫膠泥砌筑以后,火道墻的整體抗彎強度大大增強,其彎曲變形的熱應力更多的施加在橫墻上,導致橫墻裂縫加大。而在橫墻降溫需要收縮的階段,火道墻由于被料箱內物料填充難以回縮,此時火道墻又成為橫墻收縮的阻礙。因此火道墻助推了橫墻的開裂。

2.3 橫墻磚縫無互鎖的設計

在調研焙燒爐橫墻開裂原因的過程中還發(fā)現(xiàn),由于不同設計院有不同的設計風格,有橫墻設計采取上下層有井字形子母口互鎖設計的,也有橫墻過風口以下僅有縱向平行的子母口而沒有橫向子母口設計的。不同的設計產(chǎn)生了不一樣的結果:上下層為井字形子母口互鎖設計的橫墻,其開裂現(xiàn)象遠低于無互鎖的橫墻。平行無互鎖式的橫墻設計便于橫墻膨脹時的滑動,但更容易導致過大裂縫的形成,且無互鎖橫墻的開裂位置多發(fā),橫墻開裂的風險極大。圖4給出兩種設計圖的對比。

圖4 橫墻頂頭磚縫有、無互鎖設計對比

2.4 筑爐材料及鼓風口位置對橫墻開裂影響

2.4.1 耐火材料品質

分析橫墻開裂原因,不能不涉及到橫墻磚和膠結材料的質量問題。通常設計單位依據(jù)性能手冊挑選耐火材料,且橫墻磚的指標一般低于火道磚的指標。然而,在許多情況下,性能手冊中實際材料組分很久沒有更新[2],加之國內耐火材料市場良莠不齊,往往造成所選材料性能較低,經(jīng)不起焙燒爐循環(huán)加熱和冷卻的沖擊,并不能很好的滿足焙燒爐大型化及高溫焙燒的要求,過早出現(xiàn)了橫墻開裂或斷裂的情況。而建爐時選用優(yōu)質耐火材料的企業(yè),往往較少受到橫墻開裂的困擾,焙燒爐壽命也較長。

在粘接材料方面,已知普通耐火泥漿粘結強度<水調高溫耐火膠泥強度<膠調高溫耐火膠泥強度。觀察使用上述不同膠結材料砌筑的橫墻,膠調膠泥橫墻不管從彎曲度還是橫墻開裂程度均小于水調膠泥,而使用普通耐火泥漿砌筑的橫墻彎曲度最大,開裂的間隙通常也是最大的。

2.4.2 鼓風口位置

由于原始設計不同,有些焙燒爐鼓風架和冷卻架風管是安裝在焙燒爐火道墻第一火井孔位置的,而最新設計的焙燒爐鼓風管均是安裝在橫墻口上的。已有文獻資料說明[3],鼓風架掛在橫墻上是最佳的,其優(yōu)點是密封好,能大幅減少漏風系數(shù),同時橫墻升降溫相對均勻不易變形使用壽命長等。但目前發(fā)現(xiàn)部分橫墻口下方的橫墻磚斷裂(見上文圖1c),除懷疑橫墻磚質量欠佳外,是否因鼓風導致該處橫墻磚急冷也值得關注,畢竟耐火材料抗急冷急熱次數(shù)是有限的。

3 抑制橫墻開裂的對策

根據(jù)以上分析,筆者認為抑制橫墻的開裂需要從以下幾方面著手:

3.1 優(yōu)化焙燒爐橫墻及相關部位的設計

(1)橫墻磚應采取成熟的井字形子母口設計,使上下層磚頂頭縫互鎖,盡可能將膨脹量限定在各個料箱橫墻伸縮縫范圍內,防止整個橫墻的位移量疊加集中于橫墻某一到兩處的位置;

(2)適當增加橫墻磚厚度和子母口尺寸,既增加橫墻磚的抗折強度,又增強子母口的防脫效果;

(3)注重伸縮縫的預留。如增加火道墻與橫墻角縫間隙到10～20 mm,內設柔性耐火材料,以減小火道墻彎曲變形時施加給橫墻的推力,也為橫墻冷卻階段回縮減少阻力;增加火道墻與橫墻之間的伸縮縫間隙到50～60 mm,相應增加該處伸縮縫中陶瓷纖維毯用量,以降低火道墻對橫墻的傳熱量和擾動等;另外,橫墻兩端側部保溫墻采取與火道墻外側保溫墻差異化(區(qū)段化)的設計,即橫墻兩端的保溫墻預留的伸縮縫要小,以限制橫墻的過渡膨脹或位移;

(4)設計新型過渡磚,將過渡磚安置在橫墻上,避免冷空氣直吹橫墻磚等。

3.2 選用優(yōu)質耐火材料

(1)使用高溫膠泥砌筑橫墻。對單爐室具有十多個料箱的超大焙燒爐,建議使用膠調型高溫高強膠泥砌筑橫墻,以增強橫墻的粘結強度;

(2)無論小型焙燒爐還是超大型焙燒爐,其橫墻長度均是焙燒爐爐墻中最長的。小型焙燒爐橫墻長度一般在10米以上,超大型焙燒爐橫墻有20多米,因此對橫墻磚的線膨脹率指標要適當提高,比如1000℃線膨脹率從≤0.6%降低到≤0.3%以下,以降低橫墻熱脹冷縮的絕對尺寸。

3.3 優(yōu)化焙燒爐維護方案及探索新的熱工制度等

(1)料箱角縫使用陶瓷纖維毯、陶瓷纖維板等柔性耐火材料+耐火泥封面式維護,原則上應禁止塞耐火磚片或使用耐火澆注料填縫式的維護,要保持伸縮縫的彈性,為橫墻的熱脹冷縮留有空間;

(2)對彎曲度≥30 mm的火道墻及時校直,減少火道墻變形對橫墻施加的外力;

(3)探索變更熱工制度的可能性。如:將各火道按統(tǒng)一的升溫曲線變更為差異化的升溫曲線,使各火道腔溫度總體呈兩端高中間低的“V”型格局,盡可能讓料箱溫度均衡。在降溫段,探索利用變頻和智能控制技術,將焙燒爐無序降溫調整為可控降溫;

(4)探索在料箱橫墻處設置隔熱板的可能性和經(jīng)濟性,目的仍為降低橫墻溫度和溫差,進而降低橫墻開裂的風險等。

4 結 語

環(huán)式炭素焙燒爐橫墻開裂原因包括獨特的熱工制度、爐子結構設計、耐火材料質量等方面因素,要有針對性的完善橫墻結構設計、選材、生產(chǎn)維護及焙燒爐熱工制度,將有利于抑制橫墻開裂,從而降低橫墻的維護工作,并為延長焙燒爐的整體使用壽命奠定基礎。