耐高溫耐磨抗沖擊花格子的研究與應用

王信濤

（攀鋼集團工程技術有限公司修建分公司，四川 攀枝花617000）

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

1 原襯板結構形式及存在的問題

1.1 原襯板結構形式

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

圖1 改造前溜槽內的襯板設計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 使用現狀及存在的問題

攀鋼煉鐵廠N1#燒結機組、N2#燒結機組、N3#燒結機組改建完工，陸續投產至2016年12月，3臺燒結機組因單輥溜槽至環冷機布料漏斗內襯板磨損、變形、斷裂和脫落等設備故障停機統計共計46次，統計停機時間合計227 h；高爐因燒結礦供應不足而被迫其中一座高爐減風3次，統計時間合計28 h，損失鐵產量約4 200 t；3臺燒結機組的單輥溜槽至環冷機布料漏斗內襯板共計696件。至2016年12月，已陸續更換襯板統計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，難以實現均衡、穩定和經濟生產，增大了生產組織難度，在提倡“低成本、高效率、高效益”的背景下，單輥溜槽至環冷機布料漏斗襯板故障停機已經成了影響高爐順產的瓶頸。

2 原因分析

2.1 襯板的工作環境

（1）在650℃左右時，高溫燒結礦持續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，材質發生劣化，出現熱裂紋現象，甚至斷裂；

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

（3）釩鈦燒結礦成分復雜，硬度相當高，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，燒結礦的不規則形狀猶如鋒利的切削刃連續不斷地切削襯板，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礦的熱輻射時，在襯板工作面和非工作面易因溫差產生彎曲變形，甚至斷裂；嚴重時甚至會拉斷固定螺栓，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，燒結礦運動狀態，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礦個數約為3塊，最大燒結礦直徑約為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，假設燒結礦的重力勢能全部轉為對襯板的沖擊功，根據沖擊功的計算公式，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，一般取2；N為襯板軸向截面積上可同時排落塊的個數（取3），塊；H為燒結礦最大降落高度（取5.5），m；G為單個燒結礦質量（取 25），kg；F為襯板的軸向截面積（取 220），cm2。

根據沖擊功的計算公式，襯板單位面積所受沖擊載荷與燒結礦質量大小，燒結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礦數量成正比。當燒結礦的質量增加時，襯板所受的沖擊載荷也增加，因此，可適當地增加襯板厚度。但在實際中燒結礦降落時會受到周圍的燒結礦相互撞擊，因此襯板實際所受到的沖擊功與理論計算結果有一定的偏差，理論結果比實際值略大。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 結構形式改進

由于燒結礦下落時與下方的襯板直接接觸，產生一定的沖擊力和劇烈地磨損，根據沖擊功和磨損原理，在不改變設備安裝結構的前提下，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。理想的結構形式可以減少摩擦副的磨損。為此，采用置換原理和轉換原理，在設計中采用“料打料”的結構形式改變物料接觸方式，減少燒結礦對襯板的磨損。設計制作了如圖3所示的耐高溫耐磨抗沖擊花格子，該結構形式的花格子具有如下優越性能：

（1）花格子所承受的壓力分布比較均勻；

（2）格子內存儲的小顆粒燒結礦更有利于表面保護層的形成與恢復；

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

（4）一定程度上降低燒結礦翻滾速度；

（5）格子內存儲的小顆粒燒結礦與新下燒結礦有明顯隔離作用，新下的燒結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）格子內存儲的燒結礦長期不運動且處于冷卻狀態，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 材質選擇

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

（1）能夠抗氧化，高溫組織穩定；

（2）在650℃左右環境持續使用，具有良好的耐高溫硬度和強度性能；

（3）在650℃環境持續使用，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 花格子結構特點

（1）結構簡單、成本低、便于制作和現場安裝，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，不直接與高溫燒結礦接觸，銷子工作環境良好，沒有斷裂、脫落故障發生。

（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礦顆粒，使其在該區域形成一層防磨保護層，由之前的剛性接觸變為了相對的柔性接觸，下落的燒結礦不直接接觸花格子本體，避免對花格子的沖擊和磨損。

（5）當柵格內儲存的小顆粒燒結礦被沖散后，會繼續有小顆粒燒結礦填充進去，從而實現保護層的“可循環”。

（6）有效運用ZG30Cr24N11耐熱耐磨鑄鋼材質的優越性能，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臺燒結機單輥溜槽至環冷機布料漏斗內進行試用，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冷機布料漏斗內，單輥溜槽至環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，節約襯板更換統計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機持續性生產的影響，在很大程度上解決了燒結與高爐工序產能不匹配的問題；有效提高了燒結機作業率，強有力地保障高爐順產；更重要的是在創造生產條件，降低勞動強度，減少高溫作業更換襯板，以及降低作業安全風險等提質增效方面取得了明顯成效。

5 結論

通過耐高溫耐磨抗沖擊花格子在高溫漏斗內安裝使用的結果表明：該技術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，降低了設備故障率，提高了設備使用周期，提高了燒結機作業率，每年至少可以創效216.88萬元；該技術使燒結機組產能得到了提升，確保了燒結機機組運行狀態的可靠性與穩定性；該技術的應用為高爐順產全流程的物流暢通創造了有利條件。