陳友德,楊廣瑞,陳志輝,劉旭,王帥
預(yù)分解窯燒成系統(tǒng)內(nèi)襯砌耐火材料時(shí),為使其牢固,需將金屬部件和耐火襯料組合在一起形成襯體。在生產(chǎn)過程中,襯體內(nèi)的金屬和襯料同時(shí)承受高溫火焰、煙氣、物料的熱、機(jī)械、化學(xué)應(yīng)力,二者之間只要有一方損壞,勢必影響到另一方的使用。如能采取有效措施減緩金屬所受的應(yīng)力,延長金屬的使用壽命,必將進(jìn)一步提高與此相配的耐火襯料的使用壽命。本文現(xiàn)就金屬部件所承受的熱、熱機(jī)械、熱化學(xué)方面的應(yīng)力進(jìn)行分析,并結(jié)合應(yīng)力狀況提出應(yīng)對(duì)措施。
水泥熟料煅燒過程中,與耐火襯體配套的金屬部件均受到熱、化學(xué)、機(jī)械應(yīng)力的損壞(見表1)。
上述三種應(yīng)力在生產(chǎn)過程中不是單獨(dú)存在的,而是兩種或三種應(yīng)力相互影響,加重了金屬部件的損壞(圖1)。
導(dǎo)致金屬部件損壞的原因較為復(fù)雜,預(yù)分解窯燒成系統(tǒng)金屬部件主要由鐵和耐熱鋼組成,和耐火襯體一樣,其受熱、熱化學(xué)、熱機(jī)械應(yīng)力的侵蝕而損壞,大致情況如下:
金屬氧化是受熱、化學(xué)應(yīng)力相互作用的結(jié)果,情況如下:
鐵在大氣中,表面與氧反應(yīng)生成三氧化二鐵(Fe2O3)薄層,內(nèi)部的鐵因氧含量逐步減少為四氧化三鐵(Fe3O4)、氧化鐵(FeO)層。在常溫干燥的空氣中,F(xiàn)e2O3很少和氧作用,減緩了鐵的氧化。當(dāng)金屬周邊環(huán)境溫度上升時(shí),F(xiàn)e2O3的氧化速率增加,在氧的作用下,體積膨脹且性能變脆出現(xiàn)裂縫。裂縫不僅向外,而且更多地向Fe3O4層延伸,最終造成外層的Fe2O3層損壞,失去對(duì)金屬鐵的保護(hù)作用而損壞(圖2)。若鐵與腐蝕性的堿、氯、硫化合物接觸,則會(huì)加快氧化層的損壞,逐層深入導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)損壞。
若金屬與襯體接觸不直接與熱煙氣接觸,此時(shí)高溫?zé)釤煔馔ㄟ^磚縫或磚內(nèi)孔隙與金屬部件接觸,在高溫的狀況下,氧的局部分壓達(dá)到一定程度時(shí),同樣會(huì)造成金屬氧化,最終使襯體內(nèi)的金屬部件損壞。
窯在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),窯內(nèi)高溫?zé)煔夂透G料之間的溫差變化,以及窯皮坍落及停窯事故造成的溫差變化,不僅對(duì)耐火襯料(體)產(chǎn)生熱震應(yīng)力,導(dǎo)致襯料發(fā)脆失去強(qiáng)度而損壞,同樣對(duì)與耐火襯體內(nèi)配套的耐熱鋼部件產(chǎn)生溫度變化的熱應(yīng)力,使金屬內(nèi)的原子重新排布,產(chǎn)生Sigma相(圖3),造成金屬硬度增加,失去韌性。其損壞程度不僅與溫度有關(guān),且與溫度變化的大小和次數(shù)有關(guān),更與金屬的性能有關(guān),若材料選用不當(dāng),在溫度變化應(yīng)力作用下,金屬部件會(huì)在短期內(nèi)損壞。
表1 金屬部件損壞的各種應(yīng)力及其損壞方式
化學(xué)腐蝕主要分為低溫腐蝕和高溫腐蝕,低溫腐蝕主要為氧腐蝕和露點(diǎn)以下電化學(xué)腐蝕(氧腐蝕和氫腐蝕),高溫腐蝕則為熱煙氣腐蝕和露點(diǎn)以上的化學(xué)反應(yīng)以及鹽腐蝕、硫化物腐蝕、硫酸鹽腐蝕、氯化物腐蝕、CO腐蝕、共晶體腐蝕等。
2.2.1 低溫腐蝕
(1)氧腐蝕(生銹)
在低于70℃的溫度下,金屬鐵與氧(在H2O存在下)作用,生成四氧化三鐵,反應(yīng)方程式為:
(2)露點(diǎn)以下電化學(xué)反應(yīng)(酸性腐蝕)
Cl、SO3等氣體在水氣存在的條件下,與水作用生成酸性氣體;在露點(diǎn)下呈不同濃度的酸溶液,與金屬作用生成鹽,致使金屬腐蝕。反應(yīng)方程式為:
2.2.2 高溫腐蝕
高溫腐蝕類型較多,現(xiàn)僅就水泥工業(yè)常見的幾種腐蝕介紹如下:
(1)CO腐蝕
Fe2O3在CO作用下,生成Fe3O4、FeO和Fe3C及CO2,最終使鋼失去強(qiáng)度而損壞,其反應(yīng)方程式為:
(2)鹽熔體腐蝕
一些硫酸鹽、硫化物、氯化物及其復(fù)合化合物的熔融溫度較低(表2),在氧化狀況下,此類鹽與金屬(包括耐熱鋼)的表面保護(hù)層作用,使保護(hù)層增厚、孔隙增多,失去保護(hù)層的功能,從而透過孔隙向金屬深層滲透使金屬部件損壞。
表2 鹽熔體的熔融溫度,℃
機(jī)械應(yīng)力主要包括制造、安裝及生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力主要是由金屬和耐火襯體之間受熱膨脹導(dǎo)致金屬與金屬、金屬與襯體產(chǎn)生的直接接觸的應(yīng)力,以及熱物料對(duì)金屬產(chǎn)生的磨蝕所致。
(1)高溫?zé)釟饬?、熱物料直接接觸的金屬部件所承受的熱應(yīng)力不僅與所在部位的溫度有關(guān),更與金屬部件的接觸方式有關(guān)。如燃燒器噴口直接受火焰輻射,正常操作時(shí),噴頭端口溫度約在1200℃以上;各級(jí)預(yù)熱器的內(nèi)筒、撒料裝置、下料管鎖封閥的閥板所接觸的熱氣流與物料溫度的范圍在400~1000℃。
(2)與高溫?zé)釟饬鏖g接接觸的部件,除考慮所在部位的溫度外,還需考慮金屬部件與高溫?zé)釟饬髦g襯體的厚度及襯體的導(dǎo)熱系數(shù)、熱氣流通過襯體傳熱至金屬部件表面的溫度和熱氣流通過縫隙孔隙傳給金屬的熱量。當(dāng)金屬部件所在部位的襯體是由工作層和隔熱層組成時(shí),工作層的熱面溫度為煙氣溫度,工作層冷面溫度、隔熱層熱面溫度、隔熱層的冷面溫度、金屬筒體熱面溫度與筒體冷面溫度,均需經(jīng)計(jì)算或?qū)崪y確定。在燒成系統(tǒng)不動(dòng)裝備內(nèi),高溫部位系統(tǒng)內(nèi)工作層和隔熱層襯體內(nèi)的金屬部件所承受的溫度大部分在400~1100℃以內(nèi),少數(shù)部位超過1100℃,在金屬材料選用時(shí)應(yīng)予注意。
(3)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)因氣流溫度高,隔熱襯料難以適應(yīng)高溫工況。在溫度最高的燒成帶部位主要是以窯皮作隔熱層,而其余部位均是工作層,金屬筒體熱面與工作層冷面接觸,冷面與大氣接觸。正常操作時(shí),筒體的表面溫度一般低于350℃,當(dāng)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)異常或掉窯皮現(xiàn)象、襯體過薄時(shí),筒體表面溫度將超過400℃,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致筒體變形及焊縫開裂等事故。
(1)直接與高溫?zé)釤煔?、熱物料接觸的金屬部件均會(huì)受到隨煙氣運(yùn)行的物料磨蝕及金屬受熱后膨脹產(chǎn)生的熱機(jī)械應(yīng)力;間接與高溫?zé)釤煔?、熱物料接觸的金屬部件則和與其相鄰的耐火襯體同時(shí)受熱膨脹。相互作用時(shí),強(qiáng)度較高的金屬材料易產(chǎn)生彎曲,而襯體強(qiáng)度低則產(chǎn)生裂紋或損壞。
(2)燒成系統(tǒng)內(nèi)在高溫部位耐火磚襯體固定用的托磚板、耐火澆注料固定用的金屬錨釘,在設(shè)計(jì)中必須預(yù)留合適的間隙,以確保金屬部件和襯體受熱膨脹后不致產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。若在設(shè)計(jì)中預(yù)留的膨脹縫偏小,在生產(chǎn)過程中,金屬部件和耐火襯體均受熱膨脹易產(chǎn)生金屬變形和襯體開裂損壞等事故。但必須指出的是,若預(yù)留的膨脹縫過大,則熱煙氣會(huì)透過縫隙與金屬接觸,產(chǎn)生熱化學(xué)侵蝕。
(3)系統(tǒng)內(nèi)各裝備金屬筒體冷面與大氣接觸,熱面雖不與高溫氣流直接接觸,但在生產(chǎn)過程中,高溫?zé)釟饬髦械姆蹓m會(huì)通過縫隙及襯體孔隙與金屬筒體接觸,襯體與金屬筒體均受熱膨脹,二者之間產(chǎn)生熱機(jī)械應(yīng)力。在長時(shí)間的生產(chǎn)過程中,熱機(jī)械應(yīng)力隨時(shí)間疊增,最終有可能使金屬筒體變形損壞,或?qū)⒁r體及襯體內(nèi)金屬部件頂垮。
(4)回轉(zhuǎn)窯筒體在旋轉(zhuǎn)過程中,由于金屬筒體和耐火磚的荷重,使筒體呈橢圓形,對(duì)筒內(nèi)襯磚產(chǎn)生橢圓應(yīng)力(圖4),反之襯體也對(duì)筒體產(chǎn)生應(yīng)力。受熱后,筒體與襯體均受熱膨脹,若磚縫考慮不周,相互之間則會(huì)產(chǎn)生熱機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致襯磚損壞和筒體變形。
水泥熟料在煅燒過程中,所產(chǎn)生的NOx、H2O、SO2、Cl2、Na2O、K2O等腐蝕性氣體或液體對(duì)裝備的金屬件產(chǎn)生腐蝕,主要有低溫氧濕腐蝕(生銹)、露點(diǎn)以下電化學(xué)反應(yīng)(酸性腐蝕)和高溫鹽熔體腐蝕(圖4)。
(1)低溫氧(濕)腐蝕(生銹)
a氧(濕)腐蝕(生銹)
水泥燒成系統(tǒng)裝備,凡與大氣直接接觸的金屬鐵,均會(huì)出現(xiàn)不同程度的低溫氧(濕)腐蝕(生銹)。
b露點(diǎn)以下電化學(xué)反應(yīng)(酸性腐蝕)
當(dāng)環(huán)境溫度低于250℃且存在水氣和氯化鈉(鉀)時(shí),在SO2氣體、O2氣體及水作用下所生成的不同濃度的鹽酸(HCl和硫酸鹽)會(huì)侵蝕金屬筒體和金屬錨釘、托磚板等部件。水的蒸發(fā)可能會(huì)使該部位局部壓力高于一個(gè)大氣壓,這種情況易使耐火材料產(chǎn)生裂紋,損壞金屬錨釘及托磚板等部件,局部高壓降低蒸發(fā)能力,因而液相(酸)可以保留很久,對(duì)金屬腐蝕加重。
若原燃料中堿硫氯含量較高時(shí),在預(yù)熱器系統(tǒng)裝備中,凡與大氣直接接觸的筒體,均易出現(xiàn)上述酸性腐蝕。
(2)高溫腐蝕
a高溫化學(xué)腐蝕
400℃以上的化學(xué)侵蝕,被稱之為高溫化學(xué)腐蝕。
在窯內(nèi)呈還原氣氛且溫度高于400℃時(shí),燃料燃燒及硫酸鹽分解所產(chǎn)生的SO2會(huì)對(duì)金屬產(chǎn)生腐蝕,化學(xué)反應(yīng)方程式如式(8)、式(9)、式(10):
由于堿硫循環(huán),回轉(zhuǎn)窯筒體過渡帶后端和分解帶筒體易產(chǎn)生金屬筒體腐蝕。這種現(xiàn)象在煅燒工業(yè)廢棄物時(shí)尤為嚴(yán)重,個(gè)別窯筒體在該部位的年腐蝕量約為6mm(圖5)。
當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)溫度<500℃時(shí),Cl和HCl對(duì)金屬鐵和氧化鐵產(chǎn)生腐蝕。
b高溫鹽熔體腐蝕
當(dāng)溫度超過500℃,堿氯化合物和硫酸鹽的低融點(diǎn)共熔體對(duì)鐵、鉻、鎳及其氧化物產(chǎn)生腐蝕。由于反應(yīng)方程式較為復(fù)雜,不予羅列,但值得注意的是,硫?qū)︽囎饔卯a(chǎn)生Ni-Ni3-S2低溫共晶體,熔融溫度僅為645℃。
當(dāng)溫度超過600℃,堿的氧化合物對(duì)鎳鉻耐熱鋼作用,產(chǎn)生腐蝕。近年來國外有資料稱,Cl與高鉻鋼中的Cr發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成CrCl3,造成高鉻鋼的損壞。
預(yù)熱器、分解爐系統(tǒng)內(nèi)的內(nèi)筒、撒料板、托磚板、金屬錨固件,以及燃燒器、回轉(zhuǎn)窯窯頭、窯尾護(hù)板等裝備的金屬部件,在不同程度上呈現(xiàn)高溫鹽熔體腐蝕,故在材料選擇上尤應(yīng)注意氯、硫化合物的侵蝕。
(3)還原腐蝕
在還原氣氛下,金屬的氧化層受到侵蝕。此外,一些金屬碳化而變脆,形成雙重作用。一些含Cr耐熱鋼在還原氣氛下,所承受的溫度有較大幅度下降。
德國耐火材料和化學(xué)協(xié)會(huì)對(duì)一些水泥生產(chǎn)廠家的耐火混凝土內(nèi)的損壞金屬錨固件作了調(diào)研:15%是過熱損壞,55%是化學(xué)腐蝕,15%是金屬內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)變化(Sigma相)產(chǎn)生的損壞,5%是材料選型錯(cuò)誤造成的損壞,還有10%的損壞原因不明確(包括制造缺陷)。由于我國代用燃料用得較少,化學(xué)腐蝕相對(duì)較低,而由于過熱損壞、材料選型錯(cuò)誤,以及制造缺陷等因素造成的金屬部件損壞則相對(duì)較高。水泥生產(chǎn)廠家必須結(jié)合本廠實(shí)際情況進(jìn)行分析,找出金屬部件損壞的原因,采取相應(yīng)措施以減緩金屬所受的應(yīng)力,延長金屬的使用壽命,從而進(jìn)一步提高與此相配的耐火襯體的使用壽命。
金屬件的保護(hù)應(yīng)從熱、機(jī)械、化學(xué)幾方面進(jìn)行,可采取的措施如下:
提高金屬材料的抗熱應(yīng)力,首先要確定材料所承受的工況溫度,在此基礎(chǔ)上選用合適的金屬材料。
(1)材料的工況溫度
高溫狀況下,鐵素體金屬產(chǎn)生晶體變形損壞,而奧氏體合金在700~900℃時(shí)變脆。選用材質(zhì)前,首先要確定金屬部件所承受的工況溫度,明確金屬部件所承受的長期工況溫度以及短期峰值溫度的時(shí)間,在上述工況溫度的基礎(chǔ)上增加50~100℃作為選擇金屬材料的依據(jù)。工況溫度的確定應(yīng)以生產(chǎn)過程中實(shí)測溫度為準(zhǔn),一般材料選用的使用時(shí)間為100000h,易損壞部件應(yīng)超過10000h以上,做到既滿足生產(chǎn)需求又經(jīng)濟(jì)合理。
從溫度需求來看,當(dāng)金屬部件長期工況溫度在370℃以內(nèi)時(shí),一般選用普通鋼材,而超過400℃以上時(shí),一般選用價(jià)格相對(duì)低廉的含鉻(Cr)合金材料。選用的溫度要求大致如表3所示。
(2)材料強(qiáng)度
表3 高溫下選用高溫金屬的鉻含量
機(jī)械性能主要反映在材料的耐壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度上,選用材質(zhì)時(shí)必需考慮到溫度變化帶來材質(zhì)的強(qiáng)度變化。如溫度超過370℃時(shí),普通鋼板強(qiáng)度開始大幅下降,400℃時(shí)的許用應(yīng)力僅為370℃時(shí)的87.39%,450℃則為61.17%。
含鉻金屬能滿足水泥熟料煅燒所需的最大使用溫度的工況,但其強(qiáng)度難于滿足,故需加入其他合金,如Ni、Mn、稀土金屬、W等,形成抗高溫的合金,此類合金在水泥熟料生產(chǎn)中已大量選用。
(1)金屬殼體熱面(內(nèi)表面)露點(diǎn)溫度的合理選擇。長期以來,在水泥熟料煅燒的常規(guī)原、燃料中,硫氯的含量均不高,水氣露點(diǎn)在45~65℃之間。在設(shè)計(jì)中,筒體內(nèi)表面溫度選用65℃,以保證燒成系統(tǒng)內(nèi)煙氣不結(jié)露,隨著燃料中硫含量的增加,筒體內(nèi)表面溫度也相應(yīng)提高至70℃以上(圖6)。
上世紀(jì)80年代以來,國外大量使用硫含量高的石油焦作水泥熟料煅燒燃料。進(jìn)入90年代,工業(yè)廢棄物作水泥原燃料的用量逐年增加,所產(chǎn)生的煙氣中的硫、氯等有害物含量大量增加,結(jié)露溫度隨著有害物品種和數(shù)量的增加而增加,其露點(diǎn)溫度將超過180℃。設(shè)計(jì)襯體時(shí),為避免含硫氯化合物氣體腐蝕,金屬筒體溫度應(yīng)>180℃(圖7)。筒體溫度增加,必將大幅增加筒體散熱損失,不利于生產(chǎn)。為減少散熱損失,可采用外保溫隔熱(圖8)。
(2)防止金屬部件與高溫?zé)釤煔庵苯咏佑|。間接與高溫?zé)釤煔?、物料接觸的金屬部件有煙氣溫度>650℃部位的金屬托磚板,為避免硫氯循環(huán)富集的SO2、Cl2及其化合物透過磚縫與其接觸,采用耐火澆注料將其密閉的型式,并選用低孔隙率的低水泥耐火澆注料,減緩熱煙氣透過孔隙腐蝕金屬。需要通過對(duì)襯料與金屬的熱膨脹計(jì)算,合理布置膨脹縫和結(jié)構(gòu)縫的尺寸,以減少含有SO2、Cl2及其化合物的高溫?zé)釟饬髋c金屬錨固件的接觸。窯筒體內(nèi),在窯后部的非堿性磚部位的磚縫,應(yīng)盡量填充火泥,避免煙氣與金屬筒體接觸。
(3)選用合適的金屬,減緩化學(xué)侵蝕。長期以來,水泥燒成系統(tǒng)大量使用鎳鉻合金鋼,選用的鎳鉻鋼成分見表4。在生產(chǎn)過程中,鎳鉻鋼大多數(shù)情況是可以滿足工況需求的,但有部分生產(chǎn)線卻在較短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了金屬部件損壞現(xiàn)象。其原因一方面是由于生產(chǎn)不正常,出現(xiàn)較長時(shí)間的峰值溫度,超過金屬使用溫度,致使金屬部件損壞;而另一方面是由于原燃料中硫氯等有害原素化合物較高所致。當(dāng)煙氣和窯料中含有較高的SO2時(shí),極易損壞高鎳合金鋼成分,煙氣和窯料中含有較高的Cl2及煙氣呈還原狀況時(shí)會(huì)對(duì)Cr成分造成影響。上述情況均會(huì)對(duì)鎳鉻合金鋼造成危害,因而需根據(jù)工況,選用合適的抗高溫金屬(表5)。
近年來,為減緩高溫?zé)煔庵蠸O2及其化合物對(duì)耐火襯體中金屬部件及錨釘?shù)母g,國外在高硫的高溫?zé)煔庵校褂?0Cr-10Mn-4Ni合金,國內(nèi)在中溫條件下,使用Cr-Mn-N合金及Cr9Si2合金,在特高溫的燃燒器噴口,采用W合金。當(dāng)溫度低于1000℃的煙氣中含有大量的Cl化合物時(shí),盡量避免選用高Cr的合金,采用陶瓷錨固件取代金屬錨釘或陶瓷錨固件與金屬錨釘相結(jié)合的耐火澆注料,以減緩SO2、Cl2的腐蝕。
(4)采用涂層隔絕金屬與煙氣和空氣的接觸,避免金屬遭受有害氣體的腐蝕,主要涂料見表6。
涂層使用的關(guān)鍵是費(fèi)用,國內(nèi)目前很少使用,工業(yè)發(fā)達(dá)國家有所應(yīng)用。
表4 水泥工業(yè)使用的鎳鉻合金鋼
表5 按工況需求,建議采用的高溫合金*
表6 不同工況溫度金屬筒體選用的涂料
(5)設(shè)置耐熱合金鋼防護(hù)薄板。為緩解金屬筒體的熱化學(xué)損壞,國外在易損壞的部位設(shè)置耐熱合金鋼薄板,防止煙氣與金屬筒(殼)體接觸,板的厚度僅為0.4~0.8mm,長度約2~3m。
(1)合適的膨脹縫
由于襯體與金屬件受熱后會(huì)膨脹,設(shè)計(jì)圖紙時(shí),在耐火襯體內(nèi)設(shè)置的擋磚圈、托磚板、錨固釘均應(yīng)預(yù)留合適的膨脹縫,而耐火澆注料襯體內(nèi)的金屬錨釘在施工時(shí)應(yīng)涂以清漆,作為煅燒后的膨脹縫隙。
(2)保證制造和安裝質(zhì)量
金屬部件的制造和安裝質(zhì)量是機(jī)械應(yīng)力損壞的關(guān)鍵因素,必須保證鑄造件質(zhì)量,減少孔隙及材質(zhì)的不均勻性。此外金屬部件焊接應(yīng)牢固,以免部件受熱膨脹開焊。
(3)合理的升溫制度
嚴(yán)格按照回轉(zhuǎn)窯內(nèi)升溫制度升溫,避免升溫過快造成輪帶部位筒體受輪帶擠壓變形產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。
(4)嚴(yán)格的施工要求
在襯體施工時(shí),必須合理設(shè)置縫隙,在縫隙內(nèi)填塞高溫材料,在磚縫內(nèi)填充泥漿。其目的是盡量減少熱煙氣、熱物料透過縫隙與金屬筒體接觸使其膨脹變形,從而對(duì)焊接在金屬筒體上的錨釘、錨固釘、托磚板、擋磚圈等部件產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。
綜上所述,預(yù)分解窯燒成系統(tǒng)的金屬部件和耐火襯體在相同部位承受的熱、熱化學(xué)、熱機(jī)械應(yīng)力幾乎相同,必須結(jié)合金屬部件和耐火襯體二者的自身特點(diǎn),從設(shè)計(jì)、選材、加工制造、安裝及生產(chǎn)操作各方面全面分析,采取措施減緩其所承受的應(yīng)力,提高金屬部件和耐火襯體的使用壽命。■