基于服役技術(shù)狀況的套筒窯窯襯維修策略

陸正明，虞幫俊

（1.上海梅山鋼鐵股份有限公司 設(shè)備部，江蘇 南京 210039；2.江蘇中圣園科技股份有限公司，江蘇 南京 211102）

工業(yè)爐窯爐襯服役壽命是爐襯結(jié)構(gòu)設(shè)計、耐材選擇、筑爐施工和生產(chǎn)操作共同作用的結(jié)果，其中爐襯結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和不斷優(yōu)化是提高爐襯服役壽命最為重要的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)。上海梅山鋼鐵股份有限公司（以下簡稱梅鋼）500 t/d石灰窯是國內(nèi)較早引進(jìn)的貝肯巴赫環(huán)形套筒窯窯型，窯襯大修周期為5年左右，經(jīng)過20年的生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)踐，窯襯結(jié)構(gòu)設(shè)計從初期的引進(jìn)、消化、吸收到不斷優(yōu)化改進(jìn)，取得了良好的應(yīng)用效果，期望對國內(nèi)同類型窯襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化和維修策略的制定提供參考。

1 窯襯結(jié)構(gòu)與材質(zhì)概況

500 t/d套筒窯窯襯結(jié)構(gòu)分為窯殼與內(nèi)套筒兩部分，其中內(nèi)套筒由上內(nèi)筒和下內(nèi)筒兩個獨(dú)立部分組成。窯殼內(nèi)徑為Φ8 000 mm，內(nèi)筒內(nèi)徑為Φ2 900 mm，下內(nèi)筒與窯殼在+18.9 m下燃燒室平臺和22.8 m上燃燒室平臺分別通過耐火磚砌筑而成各6個拱橋結(jié)構(gòu)相連接，窯襯耐火材料自窯體標(biāo)高+11 m處起始砌筑平臺至標(biāo)高+38 m換熱器頂蓋，砌筑高度約27 m，窯殼工作層磚徑向距為Φ6 900 mm，窯殼側(cè)砌體總厚度為550 mm（預(yù)熱段由550 mm過渡減薄至450 mm），其中工作層磚長度為250 mm；上、下內(nèi)套筒外側(cè)工作層磚徑向距均為Φ3 800 mm，下內(nèi)筒外側(cè)工作層磚長度為250 mm，上內(nèi)筒外側(cè)工作層磚長度為200 mm，內(nèi)筒外側(cè)工作層磚與窯殼大墻工作層磚間距為1 550 mm，即拱橋弦長砌筑控制尺寸。煅燒帶工作層選用堿性和偏中性的鎂鋁尖晶石磚、高鋁磚等耐火材料，其他部位選用黏土質(zhì)耐火磚和澆注料，各類耐材總量約1 200 t。

2 套筒窯5年服役壽命期窯襯耐材耗損狀況

2.1 耐材破損輕微區(qū)域

由高耐磨澆注料施工形成的上、下導(dǎo)流帽只產(chǎn)生輕微細(xì)小裂縫，磨損量??；內(nèi)筒內(nèi)側(cè)、循環(huán)氣體管道、廢氣管道等各類管道內(nèi)耐材，因只和含塵高溫氣流發(fā)生摩擦作用，幾乎沒有損壞；窯襯中間層和保溫層磚完好無損，上、下內(nèi)筒底部托圈澆注料有部分脫落，沒有出現(xiàn)明顯侵蝕及磨損現(xiàn)象，局部出現(xiàn)少量不影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的應(yīng)力性裂紋；冷卻帶墻體狀況較好，是因為溫度相對較低，堿性物料基本不會對該部位磚造成化學(xué)侵蝕，主要是低硬度生石灰對工作層耐火磚輕微的機(jī)械磨損。

2.2 耐材破損較為嚴(yán)重部位

預(yù)熱帶上內(nèi)筒外側(cè)墻體和窯殼墻體工作層落料點(diǎn)區(qū)域耐火磚受石料沖擊損壞較為嚴(yán)重；窯殼側(cè)工作層耐火磚設(shè)計厚度250 mm，局部落料點(diǎn)位置受物料沖刷沖擊減薄至160 mm；煅燒帶窯殼側(cè)墻體工作層受石料機(jī)械沖刷破壞及堿性物料高溫侵蝕等作用，位于上、下拱橋部位墻體工作層磚局部厚度由250 mm減薄至120 mm。上、下拱橋長期受高速高溫?zé)煔猓ê瑝m量較大）沖刷、溫度波動造成的熱應(yīng)力損壞、堿性物料侵蝕、物料機(jī)械磨損等原因，造成上、下過橋的第3層（最下層）過橋磚拱橋側(cè)拱物料側(cè)出現(xiàn)“掉牙”脫落，甚至個別拱橋最下層拱圈坍塌；窯殼與燃燒室兩側(cè)交接處下部工作層磚部分區(qū)域有因磨損較大形成豎向約2 000 mm，最大寬度700 mm，最大深度130 mm（工作層磚厚度250 mm）的沖槽（見圖1）。

3 套筒窯窯襯結(jié)構(gòu)固有缺陷分析

為充分利用統(tǒng)計占比70%～80%窯襯耐材5年服役期的質(zhì)量冗余，基于套筒窯窯襯5年服役期破損規(guī)律，提出窯襯結(jié)構(gòu)固有缺陷概念并進(jìn)行分析。根據(jù)缺陷的性質(zhì)及嚴(yán)重程度，分為致命缺陷、嚴(yán)重缺陷及輕微缺陷。致命缺陷：預(yù)料會對使用和最終產(chǎn)品的基本功能帶來致命影響的不合格項；嚴(yán)重缺陷：雖然不到致命缺陷的程度，但預(yù)料可能造成故障或大大降低產(chǎn)品實(shí)際使用性能的不合格項；輕微缺陷：預(yù)料對產(chǎn)品的有效使用、操作等幾乎沒有妨礙的不合格項[1]。套筒窯拱橋和內(nèi)筒外側(cè)砌體結(jié)構(gòu)缺陷對一代壽命有決定性影響，且是由套筒窯窯襯結(jié)構(gòu)設(shè)計本身決定的，符合致命缺陷和嚴(yán)重缺陷的特征，故將這兩種缺陷并稱為套筒窯的固有缺陷。在耐材品種增多及制造質(zhì)量提高、磚型改進(jìn)、砌筑質(zhì)量控制、生產(chǎn)控制等因素共同作用下，可減小固有缺陷對窯襯長壽命的影響，但不能根本消除，只有對窯襯實(shí)施點(diǎn)檢并依據(jù)其服役技術(shù)狀況，進(jìn)行適時適當(dāng)性維修，才可最大程度地減小固有缺陷對服役長壽的不利作用。

圖1 5年服役期下燃燒室與窯殼大墻交接區(qū)域砌體出現(xiàn)V形拉溝現(xiàn)場圖

3.1 拱橋結(jié)構(gòu)缺陷分析

500 t/d套筒窯拱橋結(jié)構(gòu)內(nèi)、外筒腔體間弦長為1 550 mm，現(xiàn)行設(shè)計中較多采用的BB和BG兩種規(guī)格系列磚型或其它磚型拱橋磚都可滿足使用要求，在拱橋承載截面高度750 mm的條件下，拱橋主拱砌體結(jié)構(gòu)有兩層磚（2×375 mm）和三層磚（3×250 mm）兩種形式，通過這兩種系列磚型在梅鋼20年的套筒窯生產(chǎn)實(shí)踐表明：三層磚拱橋結(jié)構(gòu)比二層磚拱橋結(jié)構(gòu)服役可靠性高。基于計算和生產(chǎn)實(shí)踐可將上兩層、下一層拱橋磚在構(gòu)成整個拱橋組合砌體中的功能分開：上兩層拱橋磚構(gòu)成的復(fù)合拱圈作為整個拱橋結(jié)構(gòu)（包括砌筑于主拱上的平拱）的支撐層，下層拱橋磚形成的拱圈作為上兩層拱橋磚構(gòu)成的復(fù)合拱圈的保護(hù)拱，這樣即使最下層拱圈部分拱橋磚產(chǎn)生裂縫、掉牙脫落甚至整個拱圈坍塌失效，上兩層拱圈構(gòu)成的組合砌體仍可支撐上部載荷，不會導(dǎo)致整個拱橋坍塌失效。采用三層拱結(jié)構(gòu)是過橋保持服役高可靠性和良好技術(shù)狀況的有效方法，當(dāng)最下層拱磚有損壞時，可及時進(jìn)行局部換磚維修以維持拱橋兩側(cè)良好的料流狀態(tài)。

3.2 內(nèi)筒外側(cè)耐材砌體結(jié)構(gòu)缺陷分析

上、下內(nèi)筒外側(cè)耐材砌體因沒有筒體鋼結(jié)構(gòu)約束，服役中因熱力作用有沿徑向蠕動向爐膛鼓肚的現(xiàn)象，個別位置有約0.3 m2的Z250或Z200異型磚組合砌體脫落，如圖2所示（2018年5月），同時少量局部位置伴有寬度3～5 mm，最大長度2 m左右的豎向貫通裂縫，服役后期內(nèi)筒外側(cè)耐火磚由于套筒窯煅燒工藝分段原因，耐火磚上、下不同溫度區(qū)損壞情況差異較大?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)相對安全的分段檢修，尤其是下內(nèi)筒外側(cè)砌體高度達(dá)9 m多，修復(fù)破損磚體時無法保留上部無損壞耐材砌體，只能全部拆除更換，造成耐材浪費(fèi)。為消除該固有缺陷，在上、下內(nèi)筒上各增設(shè)一道寬度為350 mm的托磚板，以減小砌體的高厚比，增加砌體穩(wěn)定性，同時利于分段修復(fù)，或利用生產(chǎn)清瘤停窯機(jī)會進(jìn)行檢查，通過適當(dāng)局部維修即可消除該缺陷，恢復(fù)其良好的服役技術(shù)狀況。

圖2 服役5年的2#窯上內(nèi)筒外側(cè)環(huán)磚脫落情況現(xiàn)場圖

4 基于服役技術(shù)狀況的維修策略

通過對窯襯耐材系統(tǒng)一代窯齡服役狀況的持續(xù)跟蹤和破損規(guī)律的深入掌握，提出基于窯襯服役技術(shù)狀況，將耐材系統(tǒng)由自20世紀(jì)90年代套筒窯引進(jìn)國內(nèi)形成的5年左右全窯襯拆除大修模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐罁?jù)設(shè)備點(diǎn)檢并通過適當(dāng)性維修，8～10年或以上再實(shí)施全窯襯耐材拆除重砌的維修策略。套筒窯窯襯點(diǎn)檢能夠充分避免設(shè)備欠修和過修，特別是對其固有缺陷耐材服役狀況的點(diǎn)檢主要有三個方面:

（1）通過設(shè)置在燒嘴大面板上的觀察孔（必要時可拆下燒嘴小面板進(jìn)一步觀察），在日常點(diǎn)檢中目視可清晰看到煅燒帶上、下拱橋最下層磚的服役工況，當(dāng)點(diǎn)檢到最下層拱圈有多塊拱橋磚出現(xiàn)明顯裂縫、掉牙脫落嚴(yán)重或整個拱圈塌陷時，即可實(shí)施停窯進(jìn)行損壞拱圈的恢復(fù)性維修。

（2）對外筒鋼結(jié)構(gòu)殼體進(jìn)行日常點(diǎn)檢測溫，通過預(yù)熱帶、煅燒帶、冷卻帶的外筒鋼結(jié)構(gòu)表面溫度可大致判斷對應(yīng)區(qū)域窯內(nèi)耐材工況，其中煅燒帶區(qū)域是重點(diǎn)，根據(jù)外筒窯襯結(jié)構(gòu)傳熱計算，若外筒鋼殼溫度小于120℃，可判定其相應(yīng)的內(nèi)部窯襯工作正常，若有異常溫升（剔除環(huán)境溫度、自然風(fēng)冷卻等因素擾動影響后），有可能是窯襯服役一段時間后，砌體間灰縫增大，串火引起外筒溫度超標(biāo)，這種情況用輕質(zhì)料壓漿封閉縫隙后外殼溫度即可回歸控制溫度以內(nèi)(或有略微超標(biāo)不影響外筒鋼結(jié)構(gòu)正常附體），否則就是窯襯因受料流磨損和化學(xué)作用產(chǎn)生侵蝕，工作層磚受損減薄較大，可考慮進(jìn)行挖補(bǔ)換磚維修。

（3）通過檢出冷卻段出料口斷裂脫落耐火磚的尺寸及磚型可判斷損壞區(qū)域的大致位置，一般外筒大墻磚和內(nèi)筒內(nèi)側(cè)磚因分別受窯殼和內(nèi)筒約束不會掉磚，掉磚長度為200 mm的為上內(nèi)筒外側(cè)磚，掉磚長度為250 mm的為下內(nèi)筒外側(cè)磚，再輔以材質(zhì)類別可進(jìn)一步判別出是煅燒帶還是預(yù)熱帶掉磚，判定后即可進(jìn)行適當(dāng)性修復(fù)。

5 結(jié)論

梅鋼公司自20世紀(jì)90年代國內(nèi)較早引進(jìn)套筒窯以來，不同時期共建有4座500 t/d套筒窯，應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐已 20年。套筒窯占地少、能耗低、產(chǎn)品質(zhì)量好、活性度高，尤其是生產(chǎn)過程實(shí)行負(fù)壓操作，可以較好地適應(yīng)國家日趨嚴(yán)格的產(chǎn)業(yè)環(huán)保要求，是石灰煅燒的主流窯型。經(jīng)過不斷摸索窯襯耐材服役規(guī)律并持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)，梅鋼已逐步摒棄早期形成的5年左右窯襯全部拆除重砌的大修模式，充分利用大部分耐材5年服役后的質(zhì)量冗余，向基于窯襯服役技術(shù)狀況進(jìn)行適時適度維修、期望10年及以上服役期再全部拆除重砌的大修模式轉(zhuǎn)變，此維修策略對合理延長窯襯服役壽命周期，降低維修成本并節(jié)約整個社會耐材制造資源等有著重要意義。