摘　要: 针对济钢1750高炉布料溜槽在使用过程中存在的问题，我们从耐磨损、抗高温性的方面着手,对布料溜槽的结构优化设计，对使用材料的选择进行了优化,从抗烧、抗磨损以及应力消除等方面,研究了同步寿命长效布料溜槽的原则与方法。并成功改造了一种将料磨料结构与耐磨衬板叠装结构有机结合的抗磨损布料溜槽,实践表明,改造的布料溜槽使用寿命可提高到原来的2倍以上。

关键词: 高炉; 布料溜槽; 抗磨损; 抗高温; 结构优化

随着高炉技术的发展及冶炼强度的提高,无料钟炉顶高炉已经在我国普及。无料钟炉顶具有很大的优越性: 1）布料灵活,可以根据冶炼工艺的需要,在高炉炉膛内准确地实现单环、多环、扇形或定点布料,有利于改善布料,提高煤气利用率; 2）密封性好,有利于提高炉顶压力; 3）维修方便,有利于提高高炉作业率。布料溜槽是无料钟炉顶高炉中的一个重要部件,位于高炉炉腔内的顶部,此处温度高,环境恶劣,炉况不顺时最高温度可达600 ℃以上。高炉各批次的炉料不断地从料流调节阀经过5-6米高的落差冲向布料溜槽,而外面却无法观察其工作状况和损坏情况。因此,要求溜槽具有足够的可靠性和使用寿命 。

1 　布料溜槽

济钢第一座无钟炉顶高炉于2003年8月投产，到目前为止已经有7座无料钟炉顶高炉，这些无钟炉顶高炉均采用布料溜槽布料。

1. 1 　溜槽结构

济钢1750 m3 高炉的布料溜槽,其结构采用由鹅头、扁担梁、衬板与外壳组成的臂挂式杠杆自锁型式。采用耐磨衬板与料磨料结构结合,在落料点位置采用料磨料结构,在出料口位置则采用两层衬板 。为了提高耐磨性能同时又节省成本,衬板采用复合耐磨板,即在普通钢板上堆焊6～12 mm厚耐磨层;料磨料结构通常用普通钢板作为挡板骨架,再在其上堆焊耐磨层。鹅头、扁担梁与外壳材料大多是采用1Cr18Ni9 Ti 高温不锈钢,目的是既可防止高炉内腐蚀性气体对溜槽本体的腐蚀,同时也可以防止炉况不顺时,炉顶高温对溜槽的烧损。

1. 2 　济钢1750高炉溜槽损坏的原因

溜槽的损坏形式主要是料磨料结构的冲击磨损、耐磨衬板的滑移磨损、外壳的烧损与气蚀、外壳开裂以及扁担梁与横梁的弯曲等,严重时甚至出现落料点位置磨穿现象。通过对损坏溜槽清渣拆解后还发现,许多紧固螺栓已剪断、料磨料结构中的衬板上翘。引起溜槽损坏的主要原因是: 1）溜槽在高炉内使用,工况条件恶劣,温度高,炉况不顺瞬时温度超过600 ℃,料流速度大,物料棱角锋利、硬度大; 2）物料通过中心喉管落到溜槽衬板上,落差大,炉料受强力冲击,韧性差的衬板使用后期开裂、击碎,以至一块块脱落,最后造成衬板损坏; 3）溜槽衬板制造过程质量不稳定,寿命相差较大,在高温下性能达不到大过料的要求; 4）溜槽设计中存在不合理结构,不能消除高温热变形情况下产生的应力集中,致使外壳开裂; 5）料磨料结构中使用的堆焊耐磨材料抗冲击性能与高温性能不理想,同时,设计中存在缺陷,无法消除热变形引起的耐磨衬板伸长,导致紧固螺栓的剪断与衬板上翘; 6）外壳材料的高温性能达不到要求。

2 　济钢1750高炉溜槽改造原则

根据溜槽的失效形式及其原因分析,确定溜槽的设计原则是:1）溜槽的结构应具有良好的吸震性能,并能承受较大的冲击功而不发生碎裂现象; 2）溜槽的结构尺寸应该更加合理,充分发挥其合理布料的作用; 3）衬板材料在高温下应具有较高的耐磨性能和冲击韧性; 4）基体料应具有较好的抗高温与腐蚀性能 。所以,根据工作状况进行受力分析,不断改进溜槽结构、材质和工艺,改善其工作性能,以延长其使用寿命和提高工作效率。因此在溜槽设计时应该注意以下问题:1) 无料钟炉顶溜槽的设计不一定采用复杂的结构,在炉料冲击点及磨损处还可以采用“料打料”、“料磨料”的料垫式耐磨结构;2) 进一步提高衬板的韧性、疲劳强度和耐磨性能,用优质的抗冲击、高温耐磨的合金材料作为溜槽内衬,也将大大提高溜槽的寿命。

3 　济钢1750高炉溜槽结构改造

3. 1 　总体结构

根据分析,在设计长效溜槽时,耐磨材料、本体材料以及溜槽结构设计是关键。为了防止炉况不顺时高温造成溜槽的烧损以及高温导致材料耐磨性能下降,设计的溜槽可采用双层外壳结构,两层间用石棉作为隔热层。为了提高溜槽衬板的抗冲击、耐磨性能,采用3 层耐磨板叠装型式与料磨料结构相结合,考虑到落料点处冲击与磨损比其它部位更加严重,把落料点处的料磨料结构加厚,并附加设计一抗冲击、磨损结构。为了防止热变形引起的紧固螺栓剪断与耐磨衬板上翘,耐磨衬板采用一端固定一端自由的安装方式,同时在耐磨衬板上开设应力槽;并设计多重防脱落结构以防止耐磨衬板整体脱落。在外壳的适当位置开设应力槽,消除热变形产生的应力集中,避免外壳开裂带来的溜槽整体脱落事故。在扁担梁上加设气流隔断结构,阻断溜槽内部腐蚀性气流,从而防止腐蚀性气流对溜槽外壳的冲蚀。

3. 2 　材料选用

溜槽材料的选用主要包括2个方面:耐磨材料与本体材料。耐磨材料主要是指耐磨衬板与堆焊用耐磨焊材,本体材料主要是指鹅头、扁担梁、外壳与固定螺栓等所用材料。根据溜槽的工况与使用寿命要求,耐磨材料必须满足在高温情况 下耐磨性能优良,同时又必须具有一定的抗冲击性能;本体材料必须保证1000 ℃左右 不变形,同时抗腐蚀。这样就可保证在炉况不顺引起炉顶暂时高温时,溜槽可正常工作,保证溜槽的使用寿命。VAU TID2145 板是一种新型的高铬合金耐磨堆焊复合板,它采用自动金属电弧堆焊新工艺,在Q235 整幅钢板上形成过共晶高铬合金耐磨层。在VAU TID2145 板中,金属化合物以比较弥漫形式分布于固溶体基础上,能使整个合金的强度、硬度、高温耐磨性等得到很大的提高。VAU TID2145 焊材(包括焊条与焊丝) 是高碳化铬、铌、钼铁基硬质合金。具有极高的抗磨损能力,焊材中含初始碳化物,产生极高的硬度,应用温度小于750 ℃。在Q 235 钢板上堆焊第一层硬度值为HRC57～61 ,堆焊第二层约为HRC62 ,在纯焊材层为HRC60～66 。极其适用对于遭受强磨损和一般冲击负荷强度的工件进行堆焊,适用于高温环境。在制作溜槽时选用该板材用作大溜槽的耐磨衬板,对溜槽的外壳,由于直接暴露在高炉内部,其所处工作环境最为恶劣,考虑其耐高温与强腐蚀性能要求最高,其材料选用310S 高温不锈钢板材。该材料可承受900～1 100 ℃的高温而不变形,并且抗腐蚀性能好。对鹅头、扁担梁等材料选用1Cr18Ni9 Ti 高温不锈钢板材,该材料可承受700～800 ℃的高温而不变形。对固定螺栓则选用308 高温不锈钢材料,既可保证高温下的强度,又可保证抗腐蚀。

3. 3 　耐磨衬板结构改造

布料溜槽的结构有:搭接鱼鳞型、平板型、搭接突台型与料磨料型等。料磨料型耐磨结构是利用物料自然堆角的原理,布料时物料冲击在自然堆积而成的料垫上,而不直接冲击溜槽衬板,减轻物料衬板的直接冲击磨损,同时物料在下滑过程中也是物料之间的相对滑动,减轻物料对衬板的直接滑移磨损 。溜槽衬板结构设计必须考虑衬板的排列方向和间距,使其适应炉料的冲击和料流的方向;制作工艺便于实施,质量稳定可靠。为了保证衬板的耐磨性能,选择抗磨损性能好的VAU TID2145 高铬合金耐磨堆焊复合作为衬板基材,同时对溜槽中整个衬板组进行合理的抗磨损结构设计。衬板组抗磨损结构可采用瓦片式叠装耐磨板结构与料磨料结构相结合。为了使衬板安装方便、可靠,将衬板组组装为一个整体,将各耐磨板用紧固螺栓统一安装在半圆柱形垫板上,再将垫板用螺栓紧固在溜槽母体上。耐磨板在各处的叠装不小于3 层,各耐磨板采用一端紧固而另一端自由的安装方式,各紧固螺栓的六角头沉埋在上层耐磨板的孔中,这样既可使各层耐磨板贴合,同时也可起到一定的防止耐磨板脱落作用。另外,为防止耐磨板脱落,在上、下两耐磨板的错移处周向可焊接3 个止脱钩。由于溜槽布料的实际情况使得衬板中部的磨损相对于边缘要严重得多,因此料磨料结构中的挡环可设计成中间高两边低的形状。在挡环结构设计时可采用以12 mm 厚的16 Mn 钢板作为基材, 然后在正、反两面上各焊接VAU TID2145板,最后在两面上按要求用气保焊堆焊VAU TID2145 焊丝。经这样处理后,堆焊的耐磨层厚度可以减小,又可减少堆焊时热量向对面（正、反）的传递,实际制作证明该结构可达到预期目的。

3. 4 　防烧损改造

溜槽的烧损主要是指高炉炉况不顺时,炉顶出现暂时高温,导致溜槽外壳被烧穿,使溜槽失去外壳屏障,引起溜槽本体热变形,同时使耐磨材料抗磨损性能下降,加速衬板的磨损,使溜槽整体使用寿命急剧下降。因此,一旦发现溜槽被烧损,使用单位一般就不再敢使用而直接更换,这样做的后果就是既增加了备件与维修成本,同时也增加了高炉的休风率,使炼铁效率大大下降。为了解决大溜槽的烧损问题,应从材料的选用与结构设计两方面进行考虑。在结构设计中,可采用双外壳与双隔热层设计,这样做的优点是既可以确保炉顶暂时高温不至于将溜槽外壳烧穿,同时又可以将绝大部分紧固螺栓藏匿于外壳内,避免了螺栓暴露在外壳外造成的烧损与腐蚀带来的系列问题。在材料选用上,加强暴露在外的最外层外壳材料,采用10 mm 厚的310S 高温不锈钢板材,该材料具有强抗腐蚀性能,同时可保证1000～1 100 ℃高温下热变形很小。与外壳间隔30～35 mm 的母体作为第二外壳,材料采用12 mm 厚的1Cr18Ni9 Ti板材,该材料600～800 ℃高温下热变形很小。再往内间隔25～30 mm 就是安装衬板组的12 mm 厚16 Mn 板制作的基板。在2 个间隔中用石棉材料进行填充,作为隔热层,阻止热量向溜槽内部传递。

5 　结语

本文针对溜槽的耐磨材料与本体材料的选用,以及结构设计的原则与需要考虑的关键问题作了简单的探讨,以达到高炉布料溜槽磨损、抗烧、防脱落、防变形应力和同步寿命的目的,从而提高高炉布料溜槽的使用寿命。

大高炉布料溜槽的优化是一个比较复杂的问题, 只有认真研究无料钟炉顶的布料技术,掌握溜槽内的运动规律，搞清楚生产使用过程中存在的问题,找出影响溜槽寿命的原因,研制新型耐磨材料;才能设计出更加合理的溜槽。