鋅冶煉沸騰焙燒爐爐頂內襯保護性維修方法的研究與應用

衛立楷,張紀紅

(河南豫光鋅業有限公司,河南 濟源 459000)

0 前言

某有色金屬有限公司二系統109 m2流態化沸騰焙燒爐,于2008 年建成投產。2015 年9 月檢修時,發現焙燒爐頂有局部耐材剝落現象,2016 年、2017年檢修時發現焙燒爐頂耐材剝落區域及面積均有擴大趨勢,存在較大的安全隱患。該廠成立技術攻關小組,從耐火材料的選擇、爐頂耐火材料的澆注方法兩個方面進行研究,形成維修法,邀約相關設計院、耐火材料設計及施工單位、同行業生產單位相關專家現場交流論證,確認本維修法技術可行,于2018年10 月運用本維修法對該沸騰焙燒爐爐頂進行了維修。

1 鋅冶煉沸騰焙燒爐砌筑結構概況

109 m2流沸騰焙燒爐為筒形結構體,由焙燒室、爐床、煙氣出口、爐頂等部份構成。其中焙燒室由直徑(尺寸)不同的三段構成,下段、上段為圓柱體(包括煙氣出口),中段為錐體,爐頂為球冠拱頂,如圖1所示。

圖1 焙燒爐剖面圖

爐頂采用環形砌筑方式,共計39 環,每環均不打鎖磚,僅在爐頂中心由鎖磚鎖定,分環采用濕砌,環與環之間由爐頂異形磚相互承重,爐頂構造為:爐膛受熱面為420 mm 厚高鋁質耐火磚,重260 t。其上面是40 mm 厚密封耐熱混凝土和30 mm 保溫抹灰層,重40 t。爐頂結構形式具體如圖2、圖3所示。

圖2 焙燒爐頂平面圖

圖3 焙燒爐頂立面圖

2 鋅冶煉沸騰焙燒爐爐頂內襯存在問題

2016 年4 月檢修時發現焙燒爐爐頂耐材剝落情況有擴大趨勢,2017 年9 月檢修時的情況如下:在停爐檢修期間發現有約20 塊左右的耐材斷裂剝落,目測爐頂耐材剝落處有明顯新剝落耐材印跡,證明爐頂部耐材斷裂剝落趨勢在擴大,同時在爐內結料清理過程中發生過耐材殘塊墜落的現象,存在有較大的安全風險和設備隱患。

圖4 焙燒爐爐頂1#點

109 m2沸騰焙燒爐爐頂耐材剝落分布情況匯總整理:爐頂4#點有2.1 m2的剝落區、爐頂3#點區域有3 m2剝落區、爐頂2#點區域有2.7 m2剝落區、爐頂1#點有23.4 m2剝落區。剝落耐材長度均為100～150 mm,約相當于與耐材砌體的1/3。

圖5 焙燒爐爐頂2#點

圖6 焙燒爐爐頂3#點

圖7 焙燒爐爐頂4#點

3 鋅冶煉沸騰焙燒爐爐頂磚體剝落原因分析

每次檢修停開爐時,焙燒爐存在熱脹冷縮現象,在冷縮時整個爐頂都會向下擠壓,爐頂采用的高鋁質磚抗熱震性能差,在多次開停爐過程中產生剝落損壞,一旦在某個區域出現一塊或幾塊斷磚,再次停開爐時,整個爐頂冷縮時,斷磚處會存在受力不均,造成周圍爐頂磚受到剪切力而斷裂,出現擴大趨勢,對爐頂的穩定性和安全存在極大的隱患。

4 技術方案

目前國內對鋅冶煉沸騰焙燒爐爐頂耐材剝落均沒有好的維修方法,隨著斷磚區域的不斷擴大,爐頂漏風嚴重后,對爐頂進行更換。目前對鋅冶煉沸騰焙燒爐爐頂耐材剝落主要采用的維修方法是爐頂整體更換法——整體澆注技術,該方法雖具有整體性好、結構穩定,通過澆注料與鋼結構的錨合起到密封的作用;但改造施工復雜、工期長、維修造價高。

結合該廠目前存在情況,計劃采用保護性局部維修法,防止爐頂磚體剝落面積擴大,延長爐頂使用壽命,從以下幾個方面進行。

①解決耐火材料配置方案。

②爐頂耐火材料的澆注方法。

③爐頂長期運行過程中,所采用耐火材料的穩定性。

經過技術小組一年半的走訪、調研、論證和完善,對爐頂耐火材料進行了多次試驗,完成了材料的選擇,和澆注方法的確定,具體維修方案如下:

(1)耐火材料選用微膨脹可塑料(型號為HFK-85),微膨脹高鋁質耐火可塑料克服了黏土結合耐火可塑料強度低和燒后線收縮等缺點,也避免了低水泥耐火可塑料致密性高、強度大、易開裂的毛病,其強度高、整體性好,在高溫下(1 100～1 650 ℃)煅燒轉變為柱狀斜方晶系物質和熔融狀游離二氧化硅(方石英),同時產生不同程度的體積膨脹。轉化產物具有很高的耐火度(1 800 ℃時仍很穩定),化學惰性和良好的機械強度。微膨脹可塑料燒后不可逆性微膨脹,與可塑料四周耐火磚緊密相連,支撐爐頂,緩解斷磚壓力,形成相互受力的整體。

表2 修補法采用微膨脹高強可塑搗打料-高強可塑料部分指標

(2)維修方法:

①首先對耐材剝落面進行清理,清除表面爐料、結塊及松動耐材;

②在焙燒爐爐頂內襯修補部位按照爐頂弧度制作大于修補部位邊界300 mm 的木模,利用制作的木模將修補部位受力均勻支起;

③在焙燒爐爐頂斷磚部位的同環磚縫處進行打孔,鉆孔方式由爐頂內部向外鉆孔,鉆孔角度與砌體砌筑傾斜角度相同,特別強調:不得在砌體非施工縫位置鉆孔;

④然后植入耐熱鋼筋,并將耐熱鋼筋焊接到焙燒爐外部鋼結構上,同時用錨固件和耐熱鋼筋焊接成結構網;耐熱鋼筋采用310S 材質耐熱鋼,其直徑≤6 mm。錨固件采用Y 字形錨固件。錨固件和耐熱鋼筋焊接成結構網時,采用耐熱鋼筋在焙燒爐爐頂外部焊接固定,內部采用錨固件進行固定,錨固件之間的間距為≤300 mm×300 mm。

⑤結構網焊接后,在結構網上涂抹2～3 遍瀝青漆(因為鋼筋做成的結構網與可塑料膨脹系數不同,涂抹瀝青漆來預留膨脹余量),并將修補部位表面清理干凈,清理后在其表面涂刷1～3 層磷酸二氫鋁,作為新舊結合面的結合劑,有利于可塑料與斷磚結合緊密;

⑥然后采用微膨脹可塑料在常溫下進行澆注;

⑦澆筑后24 h,進行拆除模板,修補完成。

本維修法的有益效果:(1)采用8 mm 電鉆進行打孔,由此盡可能的減少震動,降低爐頂磚由于震動掉落的可能。(2)操作過程中盡量減少打孔數量,以減少殘留耐火磚的受力;微膨脹可塑料澆注施工前,在錨固件和耐熱鋼筋焊接成的結構網上涂抹兩遍瀝青漆來預留膨脹余量,將修補表面清理干凈后,刷一層磷酸二氫鋁,作為新舊結合面的結合劑,有利于可塑料與斷磚結合緊密。(3)爐頂采用環形砌筑方式,分環采用濕砌,環與環之間由爐頂異形磚相互承重,整個爐頂重量由拱腳磚支撐。所以鋼筋植入位置要選在同環磚縫處,在植筋時不損傷爐頂磚體。

5 目前狀況

2018 年10 月利用系統大修,對焙燒爐爐頂進行了保護性維修,經2019 年效果驗證,爐頂穩定可靠,修補區域完好,其他區域無內襯損壞情況;本維修方法維修成本低,施工工期短,結構穩定可靠。

6 效益分析

經濟效益:采用本維修方法,維修費用24.3 萬元,經2019 年效果驗證,爐頂穩定可靠,修補區域完好,其他區域無內襯損壞情況,整體效果明顯,預計使用壽命5 年;常規爐頂整體更換維修費用約350萬元左右,設計使用壽命10 年。由此分析,采用本維修方法較常規爐頂整體更換法節約成本150.7 萬元。

社會效益:本成果經該公司實施后,效果明顯,解決了鋅冶煉焙燒爐使用過程中破損爐頂內襯不能及時局部維修的技術問題,為鋅冶煉行業提供一種鋅冶煉焙燒爐爐頂內襯的維修方法,可廣泛推廣至同行業運用。