高爐布料器溜槽受損分析及改進

張小龍 ，閆洪波 ，莊福祿

（1.內蒙古科技大學機械工程學院，內蒙古包頭 014010；2.包頭鋼鐵（集團）有限責任公司煉鐵廠，內蒙古包頭 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備，通過布料器傳動電機及布料器直線油缸帶動整個布料溜槽360°旋轉和上下35°角傾動，球團礦、燒結礦、熔劑和焦炭等經過布料溜槽進入高爐參與冶煉[1]；爐內環境惡劣，中心溫度（溜槽位置溫度）最高可達（900～1000）℃，嚴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，高爐必須點火休風進行更換，從而降低產量，由此導致的經濟損失高于溜槽備件費用[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行改進，以延長布料溜槽的使用壽命是實現高爐穩產、高產的重要保證。

1 布料溜槽傳動原理及工作環境

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。（1）溜槽傾動（α角運動）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（β角運動）主傳動。傳動方式：電機（立式交流）→擺線針輪減速機→齒輪→上部回轉支承→耳軸轉套→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，既能單獨工作也能協調動作，兩者相互獨立。單環、多環、螺旋、扇形、定點等布料方式通過布料溜槽的旋轉和傾動實現[3]。

1.2 工作環境

包鋼煉鐵廠目前使用的溜槽為臂掛式大溜槽[4]，正常生產時環境溫度（300～400）℃的高爐內部，生產不順行時頂溫＞500℃，高爐中心溫度（溜槽位置溫度）最高能可達（900～1000）℃，高爐布料溜槽在惡劣的工況下失效加快。統計顯示，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行休風更換，造成產鐵量低、生產成本升高[5]。

2 布料溜槽失效分析

2.1 襯板磨損

布料過程中，爐料從料罐經節流閥、下密封閥箱體、布料器中心喉管等設備垂直高約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，其內部σ相大量析出，導致組織脆化，又受到交變熱應力，使本體開裂、脫落，再被氧化，如此循環，最終導致殼體斷裂、脫落。

為確定布料溜槽殼體開裂失效的主要原因，運用了掃描電子顯微鏡和光學金相顯微鏡等手段，經過對溜槽殼體開裂的問題進行分析，認為應力腐蝕和高溫的共同作用導致溜槽殼體失效。

3 布料溜槽改進設計

以包鋼煉鐵廠（2200～3000）m3高爐使用的布料溜槽為例，結合失效原因，確立溜槽改進方案：①消除結構熱應力，合理設計結構；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，采用先進的鍛造材料，通過壓制成型結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，保護溜槽外殼不受中心氣流的沖擊。

改進布料溜槽，既要延長溜槽落料點的使用壽命，又不能使爐料流出時的運動紊亂，在溜槽內部采用料磨料襯板與光面襯板相結合的方式，即在布料器溜槽出口處設計安裝耐磨光面襯板，其他部位采用料磨料結構襯板。

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。改進后，選用耐高溫能力強的42CrMoVRt合金材料，在900℃時抗拉強度為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力斷裂及抗高溫蠕變性能，在溫度達到900℃的工作環境下仍能正常使用；為起到保護壓板的作用，襯板壓板采用激光熔覆合金；外殼外側以不銹鋼鉚釘和鋼網作為骨架，涂抹進口耐火混凝土保護外殼，起到隔熱、防止煤氣流氣蝕的作用。

3.2 溜槽襯板材料選擇

相關資料顯示，ZG35Cr24Ni7在≥1200℃ 的情況下，仍能保證20 min不變形，但出現了裂紋，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：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化組織，提高綜合性能。

經過配比調整選用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]。改進后的溜槽模型如圖2所示。

4 改造效果

圖2 改進后的布料溜槽

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高爐使用的溜槽進行改進，改進后溜槽的主要特點：①合理設計溜槽長度b值[8]；②襯板采用光面結構和料磨料結構相結合的方式，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濟的鋼筋耐火陶瓷結構作為防護層；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，同時改進襯板結構；⑤為避免堆焊時熔池區域耐磨度下降問題，料磨料襯板采用薄層硬面堆焊技術。預計，改進后的溜槽使用壽命能達到8個月以上。