炭素焙燒爐橫墻開(kāi)裂原因與對(duì)策

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(cè)墻、橫墻、火道墻及煙道等幾部分組成。在生產(chǎn)過(guò)程中,焙燒爐橫墻不但會(huì)彎曲,且局域橫墻也會(huì)發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象,且隨著焙燒爐的大型化,橫墻開(kāi)裂現(xiàn)象也愈加多發(fā)和突出。橫墻開(kāi)裂既增加焙燒爐日常維護(hù)工作量,且因橫墻的不易修復(fù)性,也將嚴(yán)重影響焙燒爐的整體使用壽命。查找焙燒爐橫墻開(kāi)裂的原因,并提出相應(yīng)對(duì)策,是炭素從業(yè)人員迫切的希望和要求。本文從設(shè)計(jì)和工藝等方面分析橫墻開(kāi)裂的原因并提出相應(yīng)的對(duì)策,供工程技術(shù)人員參考。

1 焙燒爐橫墻開(kāi)裂現(xiàn)象

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

圖1 橫墻開(kāi)裂典型圖例

當(dāng)然,伴隨著局域橫墻開(kāi)裂,橫墻其它部位同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)部分伸縮縫縮小甚至消失和個(gè)別橫墻過(guò)風(fēng)口與火道墻過(guò)風(fēng)口產(chǎn)生錯(cuò)位等現(xiàn)象,這些現(xiàn)象應(yīng)屬于橫墻開(kāi)裂的伴生現(xiàn)象,會(huì)或多或少的改變料箱寬度和過(guò)風(fēng)口截面,本文在探討橫墻開(kāi)裂的原因時(shí)也一并對(duì)上述伴生現(xiàn)象予以解釋。

2 橫墻開(kāi)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(yīng)力。對(duì)于焙燒爐這種使用耐火材料砌筑的熱工設(shè)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(yīng)力,反之,橫墻膨脹的熱應(yīng)力將會(huì)增強(qiáng)。

仔細(xì)分析橫墻開(kāi)裂的情況,筆者認(rèn)為與環(huán)式炭素焙燒爐特有的熱工方式有關(guān),另外與爐子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)存在缺陷、耐火材料品質(zhì)和操作管理等因素也有一定關(guān)聯(lián)。

2.1 與環(huán)式炭素焙燒爐特有熱工方式有關(guān)

環(huán)式炭素焙燒爐是通過(guò)火道墻對(duì)料箱內(nèi)炭素制品進(jìn)行間接預(yù)熱、加熱、焙燒以及冷卻的熱工設(shè)備。環(huán)式炭素焙燒爐在每個(gè)生產(chǎn)周期中都會(huì)經(jīng)歷升溫、保溫和冷卻三個(gè)階段,在不同的熱工階段,橫墻會(huì)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(shè)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(nèi)橫墻段滯后升溫,此時(shí)鑲嵌火道墻的橫墻部分會(huì)產(chǎn)生向兩側(cè)橫墻的熱膨脹(圖2雙箭頭表示)。又由于橫墻內(nèi)鑲嵌有多條火道墻,因此橫墻內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)多個(gè)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(shí)、29小時(shí)后各火道控制溫度和各料箱1.55米深處實(shí)測(cè)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(cè)低溫區(qū)橫墻產(chǎn)生熱膨脹及熱應(yīng)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(shí)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(shí)后4～6P爐室火道及料箱溫度

圖2 升溫階段橫墻向兩側(cè)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(dǎo)致橫墻伸縮縫或磚縫開(kāi)裂或收縮

焙燒爐在保溫和冷卻階段,無(wú)論鼓風(fēng)架還是冷卻架鼓入的冷空氣,會(huì)使火道對(duì)應(yīng)的橫墻段降溫相對(duì)較快,而料箱對(duì)應(yīng)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(gè)火道對(duì)應(yīng)橫墻段與相鄰料箱對(duì)應(yīng)的橫墻段的小局域范圍都會(huì)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(xué)運(yùn)動(dòng),會(huì)引起料箱處橫墻伸縮縫加大的趨勢(shì)。

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(cè)低的態(tài)勢(shì),橫墻仍有逐步減少的向外熱膨脹力的存在。同時(shí),保溫與冷卻階段的橫墻溫度與橫墻最高溫時(shí)(如6P爐室)相比,又是不斷降低的,因此,橫墻又有冷縮的運(yùn)動(dòng)。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(yán)重?cái)U(kuò)大甚至開(kāi)裂,而有些區(qū)域伸縮縫會(huì)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(fù)雜的熱脹冷縮狀態(tài)示意圖

當(dāng)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(guān)聯(lián)度最高的是火道墻,因?yàn)榛鸬缐啥耸氰偳对谏舷掠螜M墻內(nèi)的,火道墻與橫墻一般僅預(yù)設(shè)了6 mm左右很小的側(cè)部伸縮縫間隙。

2.2 火道墻變形助推橫墻開(kāi)裂

已知火道墻在熱應(yīng)力作用下,也會(huì)發(fā)生“括號(hào)”型、“反括號(hào)”型的彎曲變形[1]。在其變形過(guò)程中,總會(huì)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(qiáng)度大大增強(qiáng),其彎曲變形的熱應(yīng)力更多的施加在橫墻上,導(dǎo)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(nèi)物料填充難以回縮,此時(shí)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(kāi)裂。

2.3 橫墻磚縫無(wú)互鎖的設(shè)計(jì)

在調(diào)研焙燒爐橫墻開(kāi)裂原因的過(guò)程中還發(fā)現(xiàn),由于不同設(shè)計(jì)院有不同的設(shè)計(jì)風(fēng)格,有橫墻設(shè)計(jì)采取上下層有井字形子母口互鎖設(shè)計(jì)的,也有橫墻過(guò)風(fēng)口以下僅有縱向平行的子母口而沒(méi)有橫向子母口設(shè)計(jì)的。不同的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了不一樣的結(jié)果:上下層為井字形子母口互鎖設(shè)計(jì)的橫墻,其開(kāi)裂現(xiàn)象遠(yuǎn)低于無(wú)互鎖的橫墻。平行無(wú)互鎖式的橫墻設(shè)計(jì)便于橫墻膨脹時(shí)的滑動(dòng),但更容易導(dǎo)致過(guò)大裂縫的形成,且無(wú)互鎖橫墻的開(kāi)裂位置多發(fā),橫墻開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)極大。圖4給出兩種設(shè)計(jì)圖的對(duì)比。

圖4 橫墻頂頭磚縫有、無(wú)互鎖設(shè)計(jì)對(duì)比

2.4 筑爐材料及鼓風(fēng)口位置對(duì)橫墻開(kāi)裂影響

2.4.1 耐火材料品質(zhì)

分析橫墻開(kāi)裂原因,不能不涉及到橫墻磚和膠結(jié)材料的質(zhì)量問(wèn)題。通常設(shè)計(jì)單位依據(jù)性能手冊(cè)挑選耐火材料,且橫墻磚的指標(biāo)一般低于火道磚的指標(biāo)。然而,在許多情況下,性能手冊(cè)中實(shí)際材料組分很久沒(méi)有更新[2],加之國(guó)內(nèi)耐火材料市場(chǎng)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(guò)早出現(xiàn)了橫墻開(kāi)裂或斷裂的情況。而建爐時(shí)選用優(yōu)質(zhì)耐火材料的企業(yè),往往較少受到橫墻開(kāi)裂的困擾,焙燒爐壽命也較長(zhǎng)。

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

2.4.2 鼓風(fēng)口位置

由于原始設(shè)計(jì)不同,有些焙燒爐鼓風(fēng)架和冷卻架風(fēng)管是安裝在焙燒爐火道墻第一火井孔位置的,而最新設(shè)計(jì)的焙燒爐鼓風(fēng)管均是安裝在橫墻口上的。已有文獻(xiàn)資料說(shuō)明[3],鼓風(fēng)架掛在橫墻上是最佳的,其優(yōu)點(diǎn)是密封好,能大幅減少漏風(fēng)系數(shù),同時(shí)橫墻升降溫相對(duì)均勻不易變形使用壽命長(zhǎng)等。但目前發(fā)現(xiàn)部分橫墻口下方的橫墻磚斷裂(見(jiàn)上文圖1c),除懷疑橫墻磚質(zhì)量欠佳外,是否因鼓風(fēng)導(dǎo)致該處橫墻磚急冷也值得關(guān)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(kāi)裂的對(duì)策

根據(jù)以上分析,筆者認(rèn)為抑制橫墻的開(kāi)裂需要從以下幾方面著手:

3.1 優(yōu)化焙燒爐橫墻及相關(guān)部位的設(shè)計(jì)

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

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

(3)注重伸縮縫的預(yù)留。如增加火道墻與橫墻角縫間隙到10～20 mm,內(nèi)設(shè)柔性耐火材料,以減小火道墻彎曲變形時(shí)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(yīng)增加該處伸縮縫中陶瓷纖維毯用量,以降低火道墻對(duì)橫墻的傳熱量和擾動(dòng)等;另外,橫墻兩端側(cè)部保溫墻采取與火道墻外側(cè)保溫墻差異化(區(qū)段化)的設(shè)計(jì),即橫墻兩端的保溫墻預(yù)留的伸縮縫要小,以限制橫墻的過(guò)渡膨脹或位移;

(4)設(shè)計(jì)新型過(guò)渡磚,將過(guò)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(zhì)耐火材料

(1)使用高溫膠泥砌筑橫墻。對(duì)單爐室具有十多個(gè)料箱的超大焙燒爐,建議使用膠調(diào)型高溫高強(qiáng)膠泥砌筑橫墻,以增強(qiáng)橫墻的粘結(jié)強(qiáng)度;

(2)無(wú)論小型焙燒爐還是超大型焙燒爐,其橫墻長(zhǎng)度均是焙燒爐爐墻中最長(zhǎng)的。小型焙燒爐橫墻長(zhǎng)度一般在10米以上,超大型焙燒爐橫墻有20多米,因此對(duì)橫墻磚的線膨脹率指標(biāo)要適當(dāng)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(duì)尺寸。

3.3 優(yōu)化焙燒爐維護(hù)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(hù),原則上應(yīng)禁止塞耐火磚片或使用耐火澆注料填縫式的維護(hù),要保持伸縮縫的彈性,為橫墻的熱脹冷縮留有空間;

(2)對(duì)彎曲度≥30 mm的火道墻及時(shí)校直,減少火道墻變形對(duì)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(shù),將焙燒爐無(wú)序降溫調(diào)整為可控降溫;

(4)探索在料箱橫墻處設(shè)置隔熱板的可能性和經(jīng)濟(jì)性,目的仍為降低橫墻溫度和溫差,進(jìn)而降低橫墻開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)等。

4 結(jié) 語(yǔ)

環(huán)式炭素焙燒爐橫墻開(kāi)裂原因包括獨(dú)特的熱工制度、爐子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、耐火材料質(zhì)量等方面因素,要有針對(duì)性的完善橫墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材、生產(chǎn)維護(hù)及焙燒爐熱工制度,將有利于抑制橫墻開(kāi)裂,從而降低橫墻的維護(hù)工作,并為延長(zhǎng)焙燒爐的整體使用壽命奠定基礎(chǔ)。