新疆天山4號窯筒體斷裂的原因分析

  新疆天山水泥股份公司4號窯是國家建材局于上世紀(jì)80年代末，點(diǎn)菜拼盤引進(jìn)國外洪堡、富樂等公司先進(jìn)技術(shù)建設(shè)的2000t／d預(yù)分解窯水泥生產(chǎn)線，在國內(nèi)率先引進(jìn)采用了洪堡公司的Φ4m×43m超短窯，生料和水泥磨上分別采用洪堡和富樂公司輥壓機(jī)。該生產(chǎn)線自1992年投產(chǎn)至今，其各項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)在國內(nèi)仍比較先進(jìn)。

  4號窯于2008年1月20日上午發(fā)生自2號輪帶至窯尾節(jié)處窯體斷裂、窯尾節(jié)掉下窯臺的重大事故，在國內(nèi)也屬首次。本文就其原因進(jìn)行了分析。

  事故經(jīng)過：2008年元月20日凌晨檢修完畢，早8：30時(shí)將窯內(nèi)后窯口保溫火爐撤掉，準(zhǔn)備點(diǎn)火。10：38時(shí)用油點(diǎn)火，10：53時(shí)給煤1t，油煤混燒，火焰形狀不理想，將喂煤減到0.5t，0:55時(shí)火焰正常，逐步加煤，0.5～1.0～1.5t，尾溫從130℃升到380℃ ，火焰正常，燃燒充分，沒有閃爆現(xiàn)象。11：08時(shí)發(fā)生窯筒體瞬間斷裂的事故。

  事故發(fā)生后公司非常重視，當(dāng)即邀請了天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院和新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院專家對事故進(jìn)行分析研究，初步認(rèn)為造成此次事故的原因是：在有初始裂紋、20g材質(zhì)在環(huán)境溫度較低的情況下，因外力作用發(fā)生低溫脆性斷裂所致。

  后將斷裂部分取樣送國家鋼鐵研究總院測試中心對簡體斷裂事故原因進(jìn)一步作定量分析，包括斷口分析、材料化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試、硬度的測試等；最終鋼研總院給出了非常詳細(xì)的分析報(bào)告。4號窯筒體斷裂源區(qū)位置斷裂前存在有總長近800mm的裂紋缺陷，經(jīng)過補(bǔ)焊但焊接質(zhì)量不良，最初裂紋沿補(bǔ)焊處兩側(cè)縱向開裂，向兩端擴(kuò)展一定長度后分叉，逐漸在重力的作用下轉(zhuǎn)向環(huán)向擴(kuò)展，直至筒體斷裂掉下窯臺。4號窯筒體屬于在大尺寸缺陷基礎(chǔ)上產(chǎn)生的低溫脆性斷裂，在材料溫度較低的條件下受到動(dòng)載荷直接導(dǎo)致發(fā)生快速脆性斷裂，在最終發(fā)生低溫?cái)嗔亚?，缺陷?jīng)歷過腐蝕損傷、熱焊損傷和裂紋疲勞等擴(kuò)展過程。

  鋼研總院報(bào)告總結(jié)有以下原因：

  (1)初始裂紋處有缺陷，母材腐蝕損傷；

  (2)溫度較低，發(fā)生低溫脆裂；

  (3)受重力影響，造成整個(gè)窯體斷裂。

  1  窯筒體腐蝕問題

  水泥回轉(zhuǎn)窯在工作時(shí)，幾乎所有的原料和原煤(新疆是高硫地區(qū)，煤質(zhì)中硫含量在3％～15％左右)中都含有一定量的氯、硫、磷等腐蝕性氣體，這些腐蝕氣體被汽化后，在窯內(nèi)循環(huán)，與筒體母材中的鐵離子發(fā)生反應(yīng)，腐蝕筒體，筒體母材減薄，并且改變筒體的機(jī)械性能。

  新疆廠有多種窯型，其中3號窯是國內(nèi)第一條窯外燒煤的700t/d,Φ3m×45m分解窯，從1981年6月投產(chǎn)至今。在每次換磚時(shí)都能發(fā)現(xiàn)窯體掉氧化皮，厚度為0.2～0.7mm左右。大牙輪是整體與窯筒體密封的，在大牙輪處掉皮尤其嚴(yán)重。該窯是箱型輪帶散熱較好，輪帶下筒體氧化一般。

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  在1987年發(fā)生大牙輪處簡體出現(xiàn)裂紋，長約700mm，簡體材料為A3鋼，通過檢測發(fā)現(xiàn)大牙輪處筒體厚度原為25mm，而實(shí)際測量寬度900mm的大牙輪處平均僅為14rnm，裂紋處為最薄只有6.5mm。大牙輪外其余筒體也有不同程度的減薄，為20～22mm，但相對較少。分析原因是原窯體安裝時(shí)在大牙輪段為馬蹄口，窯體中心不同心，大牙輪震動(dòng)較大，極易掉磚，導(dǎo)致產(chǎn)生局部高溫，筒體氧化減薄嚴(yán)重，造成裂紋。因大牙輪設(shè)在窯中2號輪帶邊，加之大牙輪罩與窯筒體整體密封結(jié)構(gòu)影響，使之散熱不好溫度較高，加劇了大牙輪處的局部高溫，窯筒體氧化掉皮減薄更加嚴(yán)重。當(dāng)時(shí)公司工程技術(shù)人員處理得當(dāng)，先把裂紋處用磨光機(jī)磨掉氧化層，再打止裂孔后焊接，并在窯內(nèi)大牙輪處大面積貼補(bǔ)1000mm長20mm厚鋼板，分24塊焊補(bǔ)上，處理后直到1989年更換筒體時(shí)也未再開裂。后期在窯技術(shù)改造時(shí)，我公司將大牙輪移至窯尾3號檔輪帶邊，降低了筒體溫度后，大牙輪處氧化掉皮就減輕了許多。

  1號窯是帶余熱發(fā)電的中空窯，該窯有3m長一節(jié)簡體從1966年使用至今，在1997年窯筒體擴(kuò)徑改造時(shí)測量其筒體厚度幾乎沒變，筒體光亮，基本沒有氧化。現(xiàn)在把它又放在窯尾段繼續(xù)使用。4號窯在每次換磚時(shí)也都發(fā)現(xiàn)窯體掉氧化皮，厚度不等，有0.1-0.7mm左右。2號輪帶處更為嚴(yán)重些。該窯輪帶是實(shí)心輪帶，輪帶下筒體散熱不好，雖然有風(fēng)機(jī)冷卻，因墊板較薄只有25mm，只冷卻了輪帶表面，而筒體內(nèi)部沒有得到充分冷卻，造成散熱不良，輪帶下筒體氧化較嚴(yán)重。大牙輪與窯體有一定的空隙。散熱較好，氧化一般。2005年2號輪帶處筒體出現(xiàn)裂紋，長約800mm，筒體材料為209鋼，通過檢測發(fā)現(xiàn)輪帶處簡體厚度原為60mm，而測量寬度900mm的輪帶處平均為50mm，裂紋最薄處只有10mm。大牙輪處其余筒體厚度原為28mm，也有不同程度的減薄，最薄處為20mm，但相對較少；燒成帶簡體平均減薄為25mm左右。分析原因是輪帶與窯體散熱不好，局部溫度較高。

  當(dāng)時(shí)因經(jīng)驗(yàn)不足，對筒體裂縫只做了簡單的焊接處理，簡體斷裂就是從此處裂縫兩側(cè)開始發(fā)展。在檢修更換筒體時(shí)測量發(fā)現(xiàn)2號輪帶下筒體厚度平均不到45mm，窯中分解段只有17mm，更換新簡體后，新舊筒體有大約10mm的錯(cuò)臺。

  通過分析認(rèn)為3號、4號窯是預(yù)分解窯，平常表面溫度分別為：2號檔輪帶邊280℃、輪帶外表面80℃、l號檔輪帶邊250℃、輪帶外表面100℃、燒成帶為220℃，分解帶為280~350℃。燒成溫度雖高，但有窯皮保護(hù)，簡體母材沒有與窯內(nèi)煙氣接觸，腐蝕較少，而分解帶沒有窯皮保護(hù)，煙氣通過磚縫與簡體母材接觸，高溫下起氧化反應(yīng)，所以腐蝕厲害，筒體母材減薄較嚴(yán)重些。而3號窯大牙輪下和4號窯2號輪帶下氧化嚴(yán)重，筒體減薄比較嚴(yán)重，原因是該處散熱不好，造成局部溫度高，氧化腐蝕嚴(yán)重，筒體相應(yīng)減薄是必然的。1號窯是中空窯，燒成帶溫度較低，沒有達(dá)到氧化溫度，故沒有氧化皮出現(xiàn)。通過觀察大河沿的2500t／d和江蘇溧陽的5000t／d新型干法窯，回轉(zhuǎn)窯上也存在窯體掉氧化皮的現(xiàn)象，厚度為0.1～0.5mm左右，也是2號輪帶處比較嚴(yán)重些。

  2  母材材質(zhì)與溫度

  4號窯斷裂時(shí)溫度為-7℃~-8℃左右。窯筒體所用材料209鋼，其性能與原A3鋼基本相同，精煉程度比后者要高。209鋼只做常溫下的沖擊功試驗(yàn)，低溫下沒有要求，但對材料低溫冷脆起影響的主要是元素P(磷)，在209鋼中P含量要求控制在≤0．035％以下，比A3鋼嚴(yán)格，其低溫性應(yīng)比A3鋼好，但因原煤中有一定量的P存在，窯內(nèi)煙氣中亦含有P，與簡體母材在高溫下反應(yīng)，提高了鋼材的低溫冷脆的溫度要求。

  3  外力的作用

  4號窯是兩檔的超短窯，其兩檔的跨距相對較大，在窯熱工操作稍有問題時(shí)，窯體就會發(fā)生彎曲，且彎曲較大，在大小牙輪處，頂間隙變化在10~20mm擺動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)還會頂齒根。

  在窯尾煙室處變化也比較大，擺動(dòng)量有100mm左右，通過熱轉(zhuǎn)窯1~3d后才能逐步恢復(fù)正常。該窯設(shè)計(jì)窯尾段103節(jié)懸臂長達(dá)12m，造成窯尾部下?lián)狭艽?。?jīng)過幾年的運(yùn)行?？梢园l(fā)現(xiàn)2號托輪磨損明顯大于1號托輪，2001年測量l號托輪平均磨損3mm，而輪帶幾乎沒有磨損；而2號托輪則完全不同，平均磨損40mm，2號輪帶也磨損2~3mm。分析認(rèn)為，2號檔受窯尾段節(jié)的下?lián)现亓^大和大牙輪在2號輪帶處加大了托輪受力。

  4  結(jié) 論

  綜上所述，4號窯斷裂的原因是先由窯筒體氧化腐蝕過大，筒體母材變薄，特別是輪帶部位，墊板間隙小，冷卻風(fēng)吹不進(jìn)去，輪帶下筒體得不到充分冷卻，造成局部高溫氧化腐蝕。

  煙氣中硫、磷的超標(biāo)加速了筒體母材的氧化，使其改變了熱態(tài)脆裂、冷態(tài)脆裂的溫度需求，簡體母材腐蝕減薄到一定程度時(shí)，在高溫下就發(fā)生脆裂。由于當(dāng)天點(diǎn)火升溫時(shí)窯體輪帶處的裂紋位置正好在垂直向上的位置上，升溫過程中窯尾段節(jié)重力作用，加長了4號窯原有的800mm裂紋(因當(dāng)時(shí)處理不當(dāng)，造成缺陷沒有消除，焊接的應(yīng)力也沒有消除掉)，加之溫度較低，磷的超標(biāo)使鋼材冷脆溫度升高，造成裂紋向窯尾擴(kuò)展，受窯尾段節(jié)重力的影響迅速開裂，直至斷裂。

  5  措 施

  為避免窯筒體發(fā)生高溫氧化腐蝕損耗，延長其壽命，建議采取以下措施：

  （1）每次砌磚前，在窯內(nèi)刷一層耐高溫的涂料，這種涂料能隔絕煙氣與窯簡體的高溫下的氧化反應(yīng)，保護(hù)筒體，延長簡體壽命。

  （2）改善輪帶下筒體的散熱條件，如加厚輪帶墊板至90mm，再通過風(fēng)機(jī)強(qiáng)制冷卻，以降低輪帶處簡體溫度。

  （3）嚴(yán)格控制筒體母材的硫磷含量，使之≤0.035%，特別是硫的含量，延緩鋼材產(chǎn)生高溫脆性裂紋的時(shí)間。