工業(yè)硅爐底部環(huán)燒壞原因分析及改進

武榮強

（新疆西部合盛硅業(yè)有限公司，新疆石河子 832000）

1 故障現(xiàn)象

某公司工業(yè)硅爐63#爐配置3 個電極共有6 塊底部環(huán)，于2020 年10 月建成投入運行，運行不滿3 個月就有2 塊底部環(huán)被燒壞：11 月底，A 相電極內(nèi)側(cè)底部環(huán)燒壞；12 月初，B 相電極內(nèi)側(cè)底部環(huán)燒壞，進水膠皮管憋壓被崩開。

現(xiàn)場查看拆下來的實物，燒壞情況比較嚴重，底部環(huán)中部外圈爆裂。通過解體查看63#爐12 月初燒壞的B 相內(nèi)側(cè)底部環(huán)情況，底部環(huán)外側(cè)水道被聚集沉積的廢渣雜質(zhì)堵死，中間水道被廢渣雜質(zhì)塞滿，內(nèi)側(cè)水道積存大量廢渣雜質(zhì)。

經(jīng)過調(diào)查落實，63#、62#爐都是改造爐型。62#爐底部環(huán)是購買件，63#爐底部環(huán)是公司自行制作件，根據(jù)某公司原設計圖紙修改繪制加工制作。

2 原因分析

2.1 結(jié)垢成因分析

全廠的循環(huán)水取樣化驗鈣、鎂離子含量：鈣離子含量139.11 mg/L，pH 值7.86，導電率876 μs/cm，總堿度（以CaCO3計）240.19 mg/L，硬度218.17 mmol/L。

由于行業(yè)沒有標準，遵循GB/T 50050—2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范》，GB/T 50335—2002《污水再生利用工程設計規(guī)范》。參考設計規(guī)范和同行業(yè)管理經(jīng)驗，從兩次水質(zhì)分析結(jié)果來看，循環(huán)水水質(zhì)基本沒有問題，水中鈣離子的含量不足于使底部環(huán)水道內(nèi)短時間形成大塊結(jié)垢。

但是，硅廠循環(huán)水是開式直冷系統(tǒng)，水池和回水集水槽都是敞開式的，硅廠自動上料皮帶傳輸系統(tǒng)就在爐子的回水集水槽外上方，且和回水集水槽平行，集水槽上口沒有防護網(wǎng)，水泵的各管路上沒有安裝過濾網(wǎng)，顆粒狀的雜質(zhì)很可能會撒落入集水槽，進入涼水塔水池，再通過水泵壓送到水冷件內(nèi)部，隨著水流進入死區(qū)沉積下來。從解體的63#爐報廢的底部環(huán)水路分析，水道內(nèi)的“結(jié)垢堆積物”很可能是循環(huán)水中的顆粒狀“廢渣污泥雜質(zhì)”因壓力不夠、水流變慢而沉積聚集而成。

將塊狀廢渣雜質(zhì)和散狀廢渣雜質(zhì)進行成分分析，檢測報告見圖1。

圖1 固態(tài)顆粒物樣品全分析檢測報告

水質(zhì)分析和固體雜質(zhì)化驗結(jié)果：廢渣雜質(zhì)的主要成分是鈣26.5%、鎂4.45%、鐵0.81%和碳7.8%，其他59.2%。從塊狀雜質(zhì)和散狀雜質(zhì)外觀分析：底部環(huán)等冷卻件水道的結(jié)垢和雜質(zhì)除了有水中溶解的鈣鎂離子外，還有一大部分是固體顆粒聚集結(jié)塊而成，說明水中混進了外來雜質(zhì)。

2.2 底部環(huán)制作方案分析

經(jīng)落實，底部環(huán)制作方案是根據(jù)原設計圖紙改進而成，但原圖紙水路焊接工藝要求不合理，存在的問題：中間兩道隔水板是斷續(xù)焊接，水路封閉不嚴密，有縫隙，水流很可能走捷徑，造成底部環(huán)外水道水流不動，積水長期承受高溫產(chǎn)生汽化，致使底部環(huán)外側(cè)幾乎處于干燒狀態(tài)（圖2）。

分析圖2 可以看出：

圖2 底部環(huán)原設計水路圖

（1）底部環(huán)底板角部由原來的圓形改成直角（為方便加工焊接），其余基本沒做大的改動。

（2）蓋板焊接的制作技術(shù)要求：①兩片連在一起做，兩套背靠背一起做；②兩道隔水板上設有長80 mm 凸臺，嵌入蓋板上80 mm 孔配焊。但圖紙未說明焊接順序。

（3）從底部環(huán)制作圖的斷面圖可以清楚地看到：每片底部環(huán)兩道隔水板在底板上是雙面滿焊，中間水路的蓋板是切弧形坡口嵌入式焊接，蓋板內(nèi)外側(cè)和邊板之間是搭接焊。隔水板做出了間斷凸臺型，從“底部環(huán)—蓋板”和“底部環(huán)—隔水板”圖可以看出蓋板與隔水板之間是間斷焊接（焊接不連續(xù)，每隔100 mm 焊接80 mm 長，形成了間斷式的100 mm 縫隙），這是造成底部環(huán)短時間被燒壞的設計缺陷。

2.3 焊接工藝分析

（1）從63#爐報廢底部環(huán)解體情況分析，焊接操作是按照原設計方案和圖紙要求進行制作的：在蓋板上挖出兩條弧形間斷方孔覆蓋在隔水板上，與隔水板的凸臺相配合，兩道隔水板與蓋板之間采取間斷焊接，沒有滿焊（圖3）。水道之間有縫隙，水流走了捷徑（底部環(huán)水流方向是里進外出），造成底部環(huán)外水道的水長期不循環(huán)流動，長期承受高溫，是造成底部環(huán)燒壞的次要原因。

圖3 底部環(huán)間斷焊接縫隙

（2）從63#爐報廢底部環(huán)解體情況分析，兩道隔板上有焊瘤焊渣沒有清理掉（圖4），焊瘤焊渣不處理，水道壁不光滑，焊瘤后面容易形成真空空間，也造成水流速度變慢，造成水道積渣。就此認為焊接順序存在問題。經(jīng)詢問焊接操作者證實，焊接順序是先焊接兩邊邊板與蓋板之間的接縫，后焊接中間隔板凸臺接縫。合理的焊接順序應該是先焊接兩道隔板凸臺接縫，滿焊清渣后再焊接邊板與蓋板之間的接縫。因此，這焊接順序錯誤是造成底部環(huán)水道積渣的一個原因。

圖4 底部環(huán)焊瘤未清理

（3）底部環(huán)制作過程中沒有質(zhì)檢人員進行檢查，制作完成后沒有相關(guān)人員進行驗收，也沒有檢驗試驗記錄，質(zhì)量管控上存在缺陷。

2.4 廢渣雜質(zhì)來源和形成

從其他爐子拆下的保護屏清渣孔可以看出，保護屏水道內(nèi)同樣積有很多類似的廢渣雜質(zhì)，說明其他水冷件都存在同樣問題，只是63#爐的情況比較嚴重，雜質(zhì)將水道堵死，造成橡膠管崩裂、底部環(huán)炸裂嚴重。

2.5 試驗分析

（1）從63#爐新?lián)Q上的B 相內(nèi)側(cè)底部環(huán)出水口接滿一水桶查看，桶底部有3、4 顆1～2 mm 粒徑的黑色顆粒，說明循環(huán)水中確實存在顆粒雜質(zhì)，檢查其他幾個出水管的水幾乎沒有雜質(zhì)。

將63#爐分水器備用分水管接出一根管子，水直接流回集水槽，在出水口放置濾網(wǎng)，19 h 后濾網(wǎng)中積存了200 多顆大小不等的固體雜質(zhì)，其中大塊（5～12 mm）是管線脫落的鐵銹渣，小塊（1～4 mm）是砂礫。

將63#爐分水器另一路備用分水管接出一根管子，水直接流回到集水槽，在出水口放置濾網(wǎng)，24 h 后紗網(wǎng)中積存了更多的大小不等固體雜質(zhì)，其中大塊（8～15 mm）是管線脫落的鐵銹渣，小塊（1～6 mm）是砂礫。

3 次試驗證實了循環(huán)水管網(wǎng)中顆粒雜質(zhì)的存在。所不同的是，出水雜質(zhì)顆粒小，進水雜質(zhì)顆粒大。這也說明大顆粒雜質(zhì)一旦進入水冷件（特別是底部環(huán)）很難流出去。

（2）經(jīng)現(xiàn)場查看水池發(fā)現(xiàn)：水池底部沒有設置沉渣池（溝）或排污溝；池與池連通的過水通口沒有設置濾網(wǎng)；循環(huán)水泵的主管路上和各個分支路也沒有安裝過濾器（網(wǎng)）。這樣使得從進入水池的“廢渣雜質(zhì)”又被水泵再一次壓進水冷件里，一部分“廢渣雜質(zhì)”因為流水壓力不足沉積下來。

（3）底部環(huán)里的水位是整臺爐子水冷件的最低點，距離回水最高點（三樓回水水平段）9 m 高差。循環(huán)水中的“廢渣雜質(zhì)”進入底部環(huán)水道死角聚集下來，越積越多。當進水壓力0.18 MPa 時，管道里的水可以壓18 m 高。但當進水壓力小于0.18 MPa 時，聚集下來的大顆粒雜質(zhì)不可能被水流全部帶出底部環(huán)水道，這樣越積越多，最后將水路堵死，外側(cè)水路不循環(huán)，長期承受高溫，最后爆裂。這是底部環(huán)短時間內(nèi)被燒壞的原因。

3 結(jié)論及反映出的問題

（1）循環(huán)水池上、中部水質(zhì)成分含量基本達標，可以滿足運行要求，但是水池底部有大量顆粒狀廢渣雜質(zhì)進入循環(huán)水路。

（2）制作設計方案不合理，原設計有缺陷。

（3）改進圖紙沿用原焊接工藝（隔水板間斷焊接），沒有察覺原設計水路隔板焊接工藝有缺陷。

其中，wi為工資，F(xiàn)為固定成本，ci為邊際成本，tij為冰山運輸成本，Yj為j地區(qū)的總支出水平，μ為購買該產(chǎn)品的支出占總支出比例，Gj為地區(qū)j的價格指數(shù)，δ（δ＞1）為異質(zhì)產(chǎn)品的替代彈性，δ越大，越接近1，說明異質(zhì)品之間的替代性越大。

（4）制作過程中沒有質(zhì)檢人員進行檢查質(zhì)量。

（5）集水槽上部未設防護網(wǎng)和過濾網(wǎng)。

（6）水池底部未設置沉渣池（溝）或排污溝。

（7）循環(huán)水分管路和支管路上未安裝不同規(guī)格的過濾器（網(wǎng)）。

4 改進措施

（1）改進不合理的水冷件的設計工藝，將底板和邊立板改成一次壓制成型，將頂板設計成三道通孔。

（2）重新設計水路，改變水路水流方向，水流從外側(cè)進水，通過內(nèi)測水道進入中間水道，從另一端出口流出。水路封閉嚴實無縫隙，水流不走捷徑，不會造成底部環(huán)外水道水流不動，3個水道受熱均勻，整個底部環(huán)受熱均勻、不變形。底部環(huán)外側(cè)不會被干燒，延長了底部環(huán)使用壽命（圖5）。

圖5 改進后的底部環(huán)水路

（3）改進不合理的水冷件的水路隔板焊接工藝，3 道隔水板的底部和頂部接縫都進行滿焊（圖6）。

圖6 改進后的底部環(huán)焊接工藝

（4）圖紙繪制下發(fā)車間前要經(jīng)技術(shù)人員審核、把關(guān)。

（5）定期召開技術(shù)討論會，管理層上下之間、專業(yè)之間定期進行技術(shù)溝通。

（6）制作過程中要有質(zhì)檢人員監(jiān)督檢查，成品要有驗收程序，要保存過程、檢驗和驗收資料，檢修管理規(guī)范化。

（7）定期檢查循環(huán)水池底部雜質(zhì)含量，定期清渣。水中定期加入阻垢緩蝕劑。

（8）所有回水集水槽、儲水罐上部設置防護網(wǎng)，下部加裝過濾網(wǎng)；循環(huán)水泵的主管路上和各個分支路安裝不同密目規(guī)格過濾器（網(wǎng)）和清網(wǎng)旁路，特別是高溫區(qū)的分支小管加裝過濾器，定期清理過濾器。

（9）水池底部設置沉渣池（溝），池外可設置排污池和排污泵，定期排污排渣。

（10）由于水池處在爐群之間，環(huán)境比較差，池壁較矮，四周池壁加裝防護網(wǎng)。

（11）由于水泵變頻器的自動投用，壓力和溫度值設定要科學合理（壓力不小于0.16 MPa，回水溫度不超過50 ℃）。

5 改進效果

經(jīng)過以上改進措施，大大降低水冷件的故障率和返修率，某臺爐子改進后，正常運行時間可以延長到6 個月左右。