耐高溫耐磨抗沖擊花格子的研究與應(yīng)用

王信濤

（攀鋼集團工程技術(shù)有限公司修建分公司，四川 攀枝花617000）

單輥破碎機溜槽至環(huán)冷機[1]布料漏斗內(nèi)的襯板工作環(huán)境惡劣，工作時燒結(jié)礦直接與襯板接觸，溫度最高可達1 030℃左右，燒結(jié)礦具有很高的硬度，其含有的赤鐵礦顯微硬度平均可高達1.038×10-9Pa[2]。 燒結(jié)礦經(jīng)單輥破碎機到環(huán)冷機臺車的落差最大可達到15.5 m，破碎后的單塊燒結(jié)礦質(zhì)量最大可達25 kg，沖擊力很大。這些都使得單輥破碎機溜槽至環(huán)冷機布料漏斗內(nèi)的襯板磨損、變形、斷裂和脫落現(xiàn)象較為突出，容易造成燒結(jié)機組故障停機，影響燒結(jié)礦的生產(chǎn)均衡、穩(wěn)定和經(jīng)濟效益。為了解決破碎機溜槽至環(huán)冷機布料漏斗內(nèi)襯板使用壽命較短的問題，通過改變襯板結(jié)構(gòu)形式和優(yōu)化材質(zhì)選用兩個方面的參數(shù)，設(shè)計出一種替代環(huán)冷機布料漏斗內(nèi)襯板的耐高溫耐磨抗沖擊花格子，并在漏斗內(nèi)進行了應(yīng)用，成功解決了上述問題。

1 原襯板結(jié)構(gòu)形式及存在的問題

1.1 原襯板結(jié)構(gòu)形式

改造前溜槽內(nèi)的襯板設(shè)計[1]如圖1所示，其材質(zhì)采用RtCr16VTi合金[2]，該襯板直接用螺栓固定在溜槽內(nèi)，其工作示意圖如圖2所示，襯板惡劣的工作環(huán)境使其磨損速度快、變形嚴重，易產(chǎn)生熱裂紋、斷裂和脫落等問題。

圖1 改造前溜槽內(nèi)的襯板設(shè)計Fig.1 Design of Lining Board in Chute before Modification

圖2 襯板工作示意圖Fig.2 Diagram for Lining Board in Operation

1.2 使用現(xiàn)狀及存在的問題

攀鋼煉鐵廠N1#燒結(jié)機組、N2#燒結(jié)機組、N3#燒結(jié)機組改建完工，陸續(xù)投產(chǎn)至2016年12月，3臺燒結(jié)機組因單輥溜槽至環(huán)冷機布料漏斗內(nèi)襯板磨損、變形、斷裂和脫落等設(shè)備故障停機統(tǒng)計共計46次，統(tǒng)計停機時間合計227 h；高爐因燒結(jié)礦供應(yīng)不足而被迫其中一座高爐減風(fēng)3次，統(tǒng)計時間合計28 h，損失鐵產(chǎn)量約4 200 t；3臺燒結(jié)機組的單輥溜槽至環(huán)冷機布料漏斗內(nèi)襯板共計696件。至2016年12月，已陸續(xù)更換襯板統(tǒng)計22 272件。其中計劃性檢修更換22 216件，而非計劃性故障停機更換56件，襯板平均壽命僅4個月。每次計劃性檢修更換需用30人，約計時15 h，不僅浪費大量人力資源和備件費用，更重要的是嚴重影響整個冶煉工序的物流平衡，難以實現(xiàn)均衡、穩(wěn)定和經(jīng)濟生產(chǎn)，增大了生產(chǎn)組織難度，在提倡“低成本、高效率、高效益”的背景下，單輥溜槽至環(huán)冷機布料漏斗襯板故障停機已經(jīng)成了影響高爐順產(chǎn)的瓶頸。

2 原因分析

2.1 襯板的工作環(huán)境

（1）在650℃左右時，高溫?zé)Y(jié)礦持續(xù)與襯板直接大面積接觸，把熱能傳遞到襯板上，使襯板溫度升高，材質(zhì)發(fā)生劣化，出現(xiàn)熱裂紋現(xiàn)象，甚至斷裂；

（2）單個燒結(jié)礦質(zhì)量可達25 kg,向下翻滾過程中，沖擊力比較大，燒結(jié)礦直接沖擊襯板，導(dǎo)致襯板磨損速度較快；

（3）釩鈦燒結(jié)礦成分復(fù)雜，硬度相當(dāng)高，其含有的赤鐵礦平均顯微硬度高達1.038×10-9Pa，磁鐵礦平均顯微硬度高達8.17×10-10Pa，燒結(jié)礦的不規(guī)則形狀猶如鋒利的切削刃連續(xù)不斷地切削襯板，使襯板磨損速度進一步加快。

（4）襯板采用4顆螺栓固定，螺栓因為熱脹冷縮容易斷裂，造成襯板脫落；

（5）襯板本身在受到燒結(jié)礦的熱輻射時，在襯板工作面和非工作面易因溫差產(chǎn)生彎曲變形，甚至斷裂；嚴重時甚至?xí)瓟喙潭菟?，造成襯板脫落。

2.2 理論分析

單輥溜槽和緩沖礦倉落差垂直高度為10 m，布料漏斗落差垂直高度為5.5 m[1]，燒結(jié)礦在翻滾和相互撞擊下落后再撞擊到襯板上，對襯板進行沖擊和摩擦，造成襯板磨損、變形、斷裂甚至脫落。由于襯板表面與燒結(jié)礦接觸點切向的垂直分力，這個力的大小受襯板表面形狀，燒結(jié)礦運動狀態(tài)，速度和方向等諸多因素影響。由于襯板受沖擊力作用時間極短，且不易測量，可用所受的沖擊功來說明。如襯板長535 mm，寬410 mm，厚40 mm，在軸向上同時排落的燒結(jié)礦個數(shù)約為3塊，最大燒結(jié)礦直徑約為200 mm，沖擊力對襯板的影響因素和影響程度可以用沖擊功來表示，假設(shè)燒結(jié)礦的重力勢能全部轉(zhuǎn)為對襯板的沖擊功，根據(jù)沖擊功的計算公式，襯板所受沖擊功可表示為：

式中，U為襯板軸向單位截面上所受的沖擊功，J/cm2；K為集中載荷系數(shù)，一般取2；N為襯板軸向截面積上可同時排落塊的個數(shù)（取3），塊；H為燒結(jié)礦最大降落高度（取5.5），m；G為單個燒結(jié)礦質(zhì)量（取 25），kg；F為襯板的軸向截面積（取 220），cm2。

根據(jù)沖擊功的計算公式，襯板單位面積所受沖擊載荷與燒結(jié)礦質(zhì)量大小，燒結(jié)礦最大降落高度以及襯板的軸向截面積上可同時排落的燒結(jié)礦數(shù)量成正比。當(dāng)燒結(jié)礦的質(zhì)量增加時，襯板所受的沖擊載荷也增加，因此，可適當(dāng)?shù)卦黾右r板厚度。但在實際中燒結(jié)礦降落時會受到周圍的燒結(jié)礦相互撞擊，因此襯板實際所受到的沖擊功與理論計算結(jié)果有一定的偏差，理論結(jié)果比實際值略大。即便是增加襯板的厚度也僅僅是壽命略長而已，難以從根本上解決襯板的耐磨問題。

3 改進措施

3.1 結(jié)構(gòu)形式改進

由于燒結(jié)礦下落時與下方的襯板直接接觸，產(chǎn)生一定的沖擊力和劇烈地磨損，根據(jù)沖擊功和磨損原理，在不改變設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)的前提下，通過改變物料的接觸形式，減小襯板的損壞程度，避免襯板磨損、變形甚至斷裂和脫落。理想的結(jié)構(gòu)形式可以減少摩擦副的磨損。為此，采用置換原理和轉(zhuǎn)換原理，在設(shè)計中采用“料打料”的結(jié)構(gòu)形式改變物料接觸方式，減少燒結(jié)礦對襯板的磨損。設(shè)計制作了如圖3所示的耐高溫耐磨抗沖擊花格子，該結(jié)構(gòu)形式的花格子具有如下優(yōu)越性能：

（1）花格子所承受的壓力分布比較均勻；

（2）格子內(nèi)存儲的小顆粒燒結(jié)礦更有利于表面保護層的形成與恢復(fù)；

（3）格子內(nèi)的小顆粒燒結(jié)礦之間存在一定的空隙，可以對燒結(jié)礦的沖擊起到有效緩沖作用；

（4）一定程度上降低燒結(jié)礦翻滾速度；

（5）格子內(nèi)存儲的小顆粒燒結(jié)礦與新下燒結(jié)礦有明顯隔離作用，新下的燒結(jié)礦與花格子直接接觸點較少，很大程度上降低了花格子的工作溫度；

（6）格子內(nèi)存儲的燒結(jié)礦長期不運動且處于冷卻狀態(tài)，更有利于花格子的散熱。

圖3 耐高溫耐磨抗沖擊花格子Fig.3 Lattice Plate with High Temperature Resistance,Abrasion Resistance and Shock Resistance

3.2 材質(zhì)選擇

經(jīng)過綜合對比，選用 ZG30Cr24N11[2]耐熱耐磨鑄鋼材質(zhì)，能夠具有以下良好性能：

（1）能夠抗氧化，高溫組織穩(wěn)定；

（2）在650℃左右環(huán)境持續(xù)使用，具有良好的耐高溫硬度和強度性能；

（3）在650℃環(huán)境持續(xù)使用，具有耐磨損、抗沖擊、不斷裂性能。

（4）與RtCr16VTi合金襯板對比，制作成本相對較低。

3.3 花格子結(jié)構(gòu)特點

（1）結(jié)構(gòu)簡單、成本低、便于制作和現(xiàn)場安裝，安裝時只需在非工作面兩個耳板上安裝兩個銷子，且銷子在漏子外面，不直接與高溫?zé)Y(jié)礦接觸，銷子工作環(huán)境良好，沒有斷裂、脫落故障發(fā)生。

（2）有效運用了“料打料”的置換原理，從而增加了花格子抗沖擊的能力，削弱磨損速度，甚至避免了物料直接對花格子的沖擊磨損。

（3）格子筋條能將物料對襯板沖擊力予以分散，避免局部磨損和沖擊。

（4）格子可以儲存小的燒結(jié)礦顆粒，使其在該區(qū)域形成一層防磨保護層，由之前的剛性接觸變?yōu)榱讼鄬Φ娜嵝越佑|，下落的燒結(jié)礦不直接接觸花格子本體，避免對花格子的沖擊和磨損。

（5）當(dāng)柵格內(nèi)儲存的小顆粒燒結(jié)礦被沖散后，會繼續(xù)有小顆粒燒結(jié)礦填充進去，從而實現(xiàn)保護層的“可循環(huán)”。

（6）有效運用ZG30Cr24N11耐熱耐磨鑄鋼材質(zhì)的優(yōu)越性能，克服了RtCr16VTi合金襯板的不良特性。

將此耐熱耐磨抗沖擊花格子安裝在3臺燒結(jié)機單輥溜槽至環(huán)冷機布料漏斗內(nèi)進行試用，最短使用周期由原來的4個月延長到12個月，取得了滿意的改進效果。

4 效果驗證

2009年5月至2016年12月，通過將耐熱耐磨抗沖擊花格子安裝在單輥溜槽至環(huán)冷機布料漏斗內(nèi)，單輥溜槽至環(huán)冷機布料漏斗由實施前的4個月周期更換一次襯板提高到現(xiàn)在的12個月周期更換一次花格子，使用壽命提高了3倍。改進之前的年均更換襯板3次（每次30人工），每次平均更換工時15 h。安裝花格子后直接減少故障停機時間合計227 h，節(jié)約襯板更換統(tǒng)計22 272件，其中計劃性檢修更換22 216件，而非計劃性故障停機更換56件。一個周期更換襯板及材料費用約69.6萬元（696 件/周期×1000 元/件），人工費用按 59.88 元/小時計算：

降低備件費用=69.6萬元/周期×3周期/年=208.8萬元/年；

降低人工費用=59.88元/小時×15小時/次×3 次/年×30 人工/次=8.08 萬元/年；

年創(chuàng)效益=208.8+8.08=216.88萬元。

通過耐熱耐磨抗沖擊花格子的運用，有效延長了溜槽的使用壽命，有效地避免了因襯板磨損、變形、斷裂和脫落故障對燒結(jié)機持續(xù)性生產(chǎn)的影響，在很大程度上解決了燒結(jié)與高爐工序產(chǎn)能不匹配的問題；有效提高了燒結(jié)機作業(yè)率，強有力地保障高爐順產(chǎn)；更重要的是在創(chuàng)造生產(chǎn)條件，降低勞動強度，減少高溫作業(yè)更換襯板，以及降低作業(yè)安全風(fēng)險等提質(zhì)增效方面取得了明顯成效。

5 結(jié)論

通過耐高溫耐磨抗沖擊花格子在高溫漏斗內(nèi)安裝使用的結(jié)果表明：該技術(shù)很大程度改善了高溫漏斗的使用狀況，在高溫、高落差、高硬度物料的運輸過程，使高溫漏斗的使用壽命提高了3倍，降低了設(shè)備故障率，提高了設(shè)備使用周期，提高了燒結(jié)機作業(yè)率，每年至少可以創(chuàng)效216.88萬元；該技術(shù)使燒結(jié)機組產(chǎn)能得到了提升，確保了燒結(jié)機機組運行狀態(tài)的可靠性與穩(wěn)定性；該技術(shù)的應(yīng)用為高爐順產(chǎn)全流程的物流暢通創(chuàng)造了有利條件。