高爐布料器溜槽受損分析及改進(jìn)

張小龍 ，閆洪波 ，莊福祿

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010；2.包頭鋼鐵（集團(tuán)）有限責(zé)任公司煉鐵廠，內(nèi)蒙古包頭 014010）

0 引言

布料器溜槽作為無料鐘爐頂高爐最重要的布料設(shè)備，通過布料器傳動電機(jī)及布料器直線油缸帶動整個布料溜槽360°旋轉(zhuǎn)和上下35°角傾動，球團(tuán)礦、燒結(jié)礦、熔劑和焦炭等經(jīng)過布料溜槽進(jìn)入高爐參與冶煉[1]；爐內(nèi)環(huán)境惡劣，中心溫度（溜槽位置溫度）最高可達(dá)（900～1000）℃，嚴(yán)重影響布料溜槽的使用壽命。

2017年，包鋼煉鐵廠5座高爐共計更換布料溜槽18臺，平均壽命3個月。布料器溜槽的成本雖不高（每臺約80萬元人民幣），但布料溜槽失效后，高爐必須點火休風(fēng)進(jìn)行更換，從而降低產(chǎn)量，由此導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失高于溜槽備件費(fèi)用[2]。因此，通過分析布料溜槽的損壞情況，對布料溜槽薄弱部位進(jìn)行改進(jìn)，以延長布料溜槽的使用壽命是實現(xiàn)高爐穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的重要保證。

1 布料溜槽傳動原理及工作環(huán)境

1.1 傳動原理

溜槽傳動原理如圖1所示，傳動包括溜槽的傾動與旋轉(zhuǎn)。（1）溜槽傾動（α角運(yùn)動）副傳動。傳動方式：油缸（直線）→托圈→鋼圈→曲柄→耳軸→布料溜槽。

（2）溜槽旋轉(zhuǎn)（β角運(yùn)動）主傳動。傳動方式：電機(jī)（立式交流）→擺線針輪減速機(jī)→齒輪→上部回轉(zhuǎn)支承→耳軸轉(zhuǎn)套→布料器溜槽。

圖1 布料溜槽傳動原理

布料溜槽既可以傾動，又可以旋轉(zhuǎn)，既能單獨(dú)工作也能協(xié)調(diào)動作，兩者相互獨(dú)立。單環(huán)、多環(huán)、螺旋、扇形、定點等布料方式通過布料溜槽的旋轉(zhuǎn)和傾動實現(xiàn)[3]。

1.2 工作環(huán)境

包鋼煉鐵廠目前使用的溜槽為臂掛式大溜槽[4]，正常生產(chǎn)時環(huán)境溫度（300～400）℃的高爐內(nèi)部，生產(chǎn)不順行時頂溫＞500℃，高爐中心溫度（溜槽位置溫度）最高能可達(dá)（900～1000）℃，高爐布料溜槽在惡劣的工況下失效加快。統(tǒng)計顯示，溜槽平均使用壽命2～3個月。

布料溜槽有多種失效形式。溜槽襯板磨損或磨穿、本體開裂、襯板脫落、緊固螺栓斷裂、溜槽本體斷裂等是主要失效形式。溜槽損壞后就必須進(jìn)行休風(fēng)更換，造成產(chǎn)鐵量低、生產(chǎn)成本升高[5]。

2 布料溜槽失效分析

2.1 襯板磨損

布料過程中，爐料從料罐經(jīng)節(jié)流閥、下密封閥箱體、布料器中心喉管等設(shè)備垂直高約6 m落下，直接砸落在溜槽襯板上，與襯板接觸產(chǎn)生局部的鑿削磨損，形成鑿削凹坑。襯板的硬度隨溫度的升高而急劇下降，但爐料的硬度不變，高溫加速縮短了溜槽襯板的使用壽命。同時，物料接觸溜槽時，速度可達(dá)11 m/s，襯板材料在高溫下沖擊韌性不夠，襯板小面積被擊碎。

2.2 殼體斷裂、脫落

通過對奧氏體不銹鋼溜槽殼體進(jìn)行失效分析，得出失效的主要原因是長時間工作在700℃以上，其內(nèi)部σ相大量析出，導(dǎo)致組織脆化，又受到交變熱應(yīng)力，使本體開裂、脫落，再被氧化，如此循環(huán)，最終導(dǎo)致殼體斷裂、脫落。

為確定布料溜槽殼體開裂失效的主要原因，運(yùn)用了掃描電子顯微鏡和光學(xué)金相顯微鏡等手段，經(jīng)過對溜槽殼體開裂的問題進(jìn)行分析，認(rèn)為應(yīng)力腐蝕和高溫的共同作用導(dǎo)致溜槽殼體失效。

3 布料溜槽改進(jìn)設(shè)計

以包鋼煉鐵廠（2200～3000）m3高爐使用的布料溜槽為例，結(jié)合失效原因，確立溜槽改進(jìn)方案：①消除結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力，合理設(shè)計結(jié)構(gòu)；②為防止溜槽襯板失效，選擇具有良好的高溫沖擊韌性和紅硬性的材料；③為防止外殼、螺栓的失效，選擇具有良好的抗高溫、抗腐蝕性能的材料；④與氣流接觸部位增加保護(hù)措施。為避免布料溜槽壓頭部位高溫彎曲失效，避免本體鑄造缺陷，采用先進(jìn)的鍛造材料，通過壓制成型結(jié)合焊接工藝形成布料溜槽本體[6]；在外殼上涂抹耐高溫隔熱陶瓷材料，提高外殼的抗高溫、抗氧化和抗熱變形能力，避免直接與高溫氣流接觸，保護(hù)溜槽外殼不受中心氣流的沖擊。

改進(jìn)布料溜槽，既要延長溜槽落料點的使用壽命，又不能使?fàn)t料流出時的運(yùn)動紊亂，在溜槽內(nèi)部采用料磨料襯板與光面襯板相結(jié)合的方式，即在布料器溜槽出口處設(shè)計安裝耐磨光面襯板，其他部位采用料磨料結(jié)構(gòu)襯板。

3.1 溜槽本體材料選擇

溜槽殼體以往采用ZG35CrMo、不銹鋼或1Cr18Ni9Ti，變形、開裂、腐蝕等是殼體的失效形式，在3000 m3高爐使用壽命一般（3～5）個月。改進(jìn)后，選用耐高溫能力強(qiáng)的42CrMoVRt合金材料，在900℃時抗拉強(qiáng)度為1100 MPa。42CrMo具有較好的紅硬性，燒紅后仍具有不變形的性能，同時具有良好的抗高溫應(yīng)力斷裂及抗高溫蠕變性能，在溫度達(dá)到900℃的工作環(huán)境下仍能正常使用；為起到保護(hù)壓板的作用，襯板壓板采用激光熔覆合金；外殼外側(cè)以不銹鋼鉚釘和鋼網(wǎng)作為骨架，涂抹進(jìn)口耐火混凝土保護(hù)外殼，起到隔熱、防止煤氣流氣蝕的作用。

3.2 溜槽襯板材料選擇

相關(guān)資料顯示，ZG35Cr24Ni7在≥1200℃ 的情況下，仍能保證20 min不變形，但出現(xiàn)了裂紋，說明該材料具有良好的耐高溫性能。為使高爐布料溜槽現(xiàn)階段工況下長壽命使用，溜槽光面襯板材料在4個方面改進(jìn)：①提高含碳量以提高硬度；②增加耐磨合金以提高抗磨能力；③提高韌性、防碎性；④增加部分稀土元素可以細(xì)化組織，提高綜合性能。

經(jīng)過配比調(diào)整選用ZG42Gr24N7SiNRt作為溜槽光面襯板的材料。另外，750 ℃時VAUTID-145仍有900 Hv（＞750 Hv）的硬度，選用該材料作為料磨料襯板，可以滿足高溫紅硬性要求[7]。改進(jìn)后的溜槽模型如圖2所示。

4 改造效果

圖2 改進(jìn)后的布料溜槽

通過分析布料溜槽失效形式及失效部位，對包鋼煉鐵廠（2200～3000）m3高爐使用的溜槽進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后溜槽的主要特點：①合理設(shè)計溜槽長度b值[8]；②襯板采用光面結(jié)構(gòu)和料磨料結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式，增加了溜槽抗磨損性能和抗沖擊性能；③溜槽底部由既耐高溫又經(jīng)濟(jì)的鋼筋耐火陶瓷結(jié)構(gòu)作為防護(hù)層；④襯板材料選用在鋼板上堆焊VAUTID-145耐磨材料和ZG35Cr24Ni7材料的光面襯板，同時改進(jìn)襯板結(jié)構(gòu)；⑤為避免堆焊時熔池區(qū)域耐磨度下降問題，料磨料襯板采用薄層硬面堆焊技術(shù)。預(yù)計，改進(jìn)后的溜槽使用壽命能達(dá)到8個月以上。