周茂偉
（常熟市龍騰特種鋼有限公司 燒結(jié)廠 江蘇 蘇州 215511）
摘 要：鋼鐵冶煉技術(shù)和產(chǎn)能代表了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)實(shí)力，我國(guó)作為鋼鐵消耗大國(guó)和生產(chǎn)大國(guó)，每年鋼鐵產(chǎn)量由建國(guó)初期的15.8萬(wàn)噸，截至2020年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量首次突破10億噸大關(guān)，成為歷史上唯一鋼鐵年產(chǎn)量達(dá)到10億的國(guó)家。改革開(kāi)放以來(lái)，隨著國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展建設(shè)，國(guó)內(nèi)鋼鐵需求量與日俱增，各省市地區(qū)鋼鐵建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展階段，高爐遍地孕育而生。起初高爐冶煉主要以鐵含量較高的富塊礦為主，世界各國(guó)富塊礦需求量越來(lái)越大，已無(wú)法滿足需求量，因次貧鐵礦富選工藝發(fā)展壯大的同時(shí)，人造塊礦工藝孕育而生。最初的燒結(jié)生產(chǎn)主要處理金屬冶煉的廢棄物，隨著科技水平的不斷提高，各種形式的燒結(jié)機(jī)孕育而生，燒結(jié)礦逐步取代富塊礦成為高爐冶煉的主要礦種。研究發(fā)現(xiàn)，在燒結(jié)礦生產(chǎn)工藝中，部分高爐冶煉過(guò)程中需要添加的部分熔劑，在燒結(jié)工序中添加，不僅可以改善燒結(jié)生產(chǎn)氛圍，還有利于提高燒結(jié)礦冶金性能和降低高爐冶煉成本，因此世界各國(guó)越來(lái)越重視燒結(jié)生產(chǎn)，更多的院校和單位投入大量資金與人力專門研究燒結(jié)工藝、物料以及各種裝備性能。本文主要論述煉鐵工藝中燒結(jié)礦生產(chǎn)工序的基礎(chǔ)裝備件，重點(diǎn)針對(duì)帶式燒結(jié)機(jī)爐篦條的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，通過(guò)燒結(jié)機(jī)發(fā)展史、爐篦條發(fā)展史的介紹，對(duì)篦條材料的選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝等方面的優(yōu)化，提高了爐篦條的性能和使用壽命。同時(shí)，本文還探討了熱工參數(shù)、耐熱性能、耐磨性能和抗腐蝕性能等方面的改進(jìn)措施。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的爐篦條具有更高的耐熱性和抗磨損能力，能夠有效降低燒結(jié)過(guò)程中的能耗和維修成本。
關(guān)鍵詞：燒結(jié)機(jī)；爐篦條；設(shè)計(jì)；優(yōu)化
燒結(jié)生產(chǎn)工藝是高爐冶煉前的重要工序，主要用途是給高爐提供滿足高爐冶煉性能的燒結(jié)礦。燒結(jié)機(jī)是鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中的重要設(shè)備，其裝備性能的優(yōu)劣，決定了燒結(jié)礦質(zhì)量的穩(wěn)定性。燒結(jié)起源于資本主義發(fā)展較早的英國(guó)、瑞典和德國(guó)，大約在1870年前后，這些國(guó)家開(kāi)始使用燒結(jié)鍋用來(lái)處理礦山、冶金、化工廠的廢棄物。世界上第一臺(tái)帶式燒結(jié)機(jī)于1910年在美國(guó)投入使用，當(dāng)時(shí)燒結(jié)面積為8.325㎡，從此各種形式燒結(jié)生產(chǎn)得到廣泛應(yīng)用[]。
鋼鐵冶煉技術(shù)經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展與沉淀，全世界鋼鐵產(chǎn)能突飛猛進(jìn)。作為目前世界鋼鐵第一產(chǎn)能大國(guó)和消費(fèi)大國(guó)建國(guó)初期的鋼產(chǎn)能只有15.8萬(wàn)噸[]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求。改革開(kāi)放以后，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的突飛猛進(jìn)，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對(duì)于鋼鐵需求量越來(lái)越大，國(guó)內(nèi)鋼鐵進(jìn)入快速發(fā)展階段，全國(guó)各地高爐拔地而起，對(duì)于礦石需求量也越來(lái)越大。然而隨著富礦石數(shù)量的減少和高爐冶煉強(qiáng)度的提升，各個(gè)國(guó)家對(duì)于燒結(jié)礦的需求量越來(lái)越大，而燒結(jié)機(jī)單機(jī)面積由最初的8.325㎡逐步增大至600㎡。燒結(jié)礦逐步取代富塊礦成為高爐冶煉的主要鐵礦石。因此燒結(jié)機(jī)性能和工藝水平影響著高爐冶煉的穩(wěn)定順行。在燒結(jié)生產(chǎn)過(guò)程中，燒結(jié)物料分布在臺(tái)車上自上而下抽風(fēng)燒結(jié)，臺(tái)車篦條直接與燒結(jié)物料的反應(yīng)過(guò)程接觸，工作條件比較惡劣。篦條是一種耐熱消耗品，其主要使用于鐵礦粉燒結(jié)機(jī)臺(tái)車上，是構(gòu)成燒結(jié)臺(tái)車的主要部件之一[]。作為燒結(jié)機(jī)臺(tái)車主要消耗易損件，其壽命與形態(tài)對(duì)燒結(jié)生產(chǎn)影響巨大。因此，如何提高爐篦條耐燒性、抗腐蝕性和強(qiáng)度等，對(duì)于提高燒結(jié)礦的產(chǎn)量、質(zhì)量以及成本消耗有著重大意義。目前隨著燒結(jié)機(jī)的大型化發(fā)展，使得燒結(jié)工藝更完善、設(shè)備更先進(jìn)、技術(shù)更可靠、自動(dòng)化程度水平更高。燒結(jié)機(jī)作為核心裝備，爐篦條作為燒結(jié)機(jī)核心備件，使得更多的專業(yè)院校與單位針對(duì)基材、外形與生產(chǎn)工藝進(jìn)行了深度研究，成為制造業(yè)不斷探索的課題。
隨著燒結(jié)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，世界各國(guó)先后出現(xiàn)了環(huán)式燒結(jié)機(jī)、步進(jìn)式燒結(jié)機(jī)等，由于帶式燒結(jié)機(jī)自動(dòng)化程度高、連續(xù)生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，得到世界各國(guó)廣泛應(yīng)用。帶式燒結(jié)機(jī)主要由頭部星輪、尾部星輪、機(jī)架、中部軌道、頭部軌道、尾部軌道、頭部密封板、尾部密封板、柔性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、滑道密封、點(diǎn)火器、抽風(fēng)裝置和臺(tái)車等部件組成。燒結(jié)機(jī)頭部星輪由柔性傳動(dòng)帶動(dòng)主軸進(jìn)行傳動(dòng)；頭部彎軌與上下水平軌安裝固定在機(jī)架上；尾部彎軌與尾部星輪安裝在機(jī)尾移動(dòng)擺架上，在燒結(jié)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中星輪隨擺架前后移動(dòng)，起到補(bǔ)償熱膨脹引起的燒結(jié)機(jī)中心距的變化。
在燒結(jié)生產(chǎn)過(guò)程中，燒結(jié)料經(jīng)過(guò)配混工藝后，經(jīng)過(guò)布料系統(tǒng)分布燒結(jié)機(jī)臺(tái)車上開(kāi)始燒結(jié)生產(chǎn)，要求燒結(jié)機(jī)料面透氣性均勻一致。爐篦條均勻排列在燒結(jié)機(jī)臺(tái)車上，將燒結(jié)料托起在臺(tái)車上，爐篦條排列均勻使得料面透氣性得到改善。爐篦條間隙排列過(guò)小，容易導(dǎo)致篦條間隙“糊死”而影響透氣性；篦條間隙過(guò)大，將導(dǎo)致燒結(jié)料通過(guò)篦條間隙進(jìn)入抽風(fēng)煙道，造成浪費(fèi)的同時(shí)，燒結(jié)料面局部“風(fēng)洞”影響燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量和電耗升高等。由于燒結(jié)機(jī)爐篦條的工作條件十分惡劣，溫差變化大，燒結(jié)生產(chǎn)進(jìn)行過(guò)程中的溫度為800℃—1000℃，最高可達(dá)到1200℃—1300℃，在燒結(jié)機(jī)卸料后經(jīng)過(guò)空氣冷卻快速降至100℃—300℃，在含有CO、CO2、SO2和水蒸氣的介質(zhì)中工作，在使用過(guò)程中受到燒結(jié)礦的撞擊和摩擦。部分企業(yè)物料結(jié)構(gòu)中，為了追尋低成本，使用堿金屬含量較高的鐵礦粉，燒結(jié)料中的K和CL形成KCL后，K和CL開(kāi)始化學(xué)侵蝕篦條，細(xì)粉料開(kāi)始填充縫隙，形成了最初的黏結(jié)物[]。在過(guò)濕層、礦粉、粉塵的作用下，篦條間隙會(huì)被黏結(jié)成塊，封鎖了抽風(fēng)通道，大面積的篦條黏結(jié)使得燒結(jié)機(jī)有效面積減少，造成燒結(jié)負(fù)壓不穩(wěn)定，電耗升高、生產(chǎn)質(zhì)量下降。此外，由于混合料在燒結(jié)過(guò)程進(jìn)行中，隨著液相生成再冷卻，料層自上而下開(kāi)始收縮，使得料層與臺(tái)車欄板產(chǎn)生縫隙，造成臺(tái)車欄板處的風(fēng)阻減少，臺(tái)車兩側(cè)料層燒結(jié)速度大于中間部位，當(dāng)兩側(cè)燒結(jié)結(jié)束后，大量風(fēng)從欄板處通過(guò)，臺(tái)車中間位置料層通風(fēng)量減少，燒結(jié)機(jī)產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，同樣導(dǎo)致燒結(jié)機(jī)產(chǎn)質(zhì)量下降、負(fù)壓下降、電耗升高。為了使燒結(jié)機(jī)具備較高作業(yè)率，避免因篦條因素導(dǎo)致燒結(jié)機(jī)停機(jī)，所以對(duì)燒結(jié)機(jī)爐篦條進(jìn)行綜合研究顯得尤為重要。
由于各個(gè)冶金企業(yè)不同的工藝設(shè)備，燒結(jié)機(jī)作業(yè)強(qiáng)度各不相同。由于燒結(jié)機(jī)機(jī)型差異性，每個(gè)企業(yè)選用的爐篦條竟不相同。然而不論機(jī)型和生產(chǎn)節(jié)奏如何改變，其爐篦條作業(yè)環(huán)境惡劣程度幾乎相等。盡管近年來(lái)研究人員做了大量工作，優(yōu)化爐篦條結(jié)構(gòu)與材質(zhì)，實(shí)際上爐篦條也未能真正滿足燒結(jié)生產(chǎn)需求，主要體現(xiàn)在：
（1）篦條間隙過(guò)小，高溫狀態(tài)下低熔點(diǎn)物質(zhì)黏附在篦條上，影響透氣性；
（2）篦條間隙過(guò)大，無(wú)法托起鋪底料，造成局部漏料形成“風(fēng)洞”，制約燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量和能耗；
（3）篦條長(zhǎng)期在高溫與應(yīng)力作用彎曲變形；
（4）篦條長(zhǎng)期高溫、腐蝕、磨損下，篦條間隙增大等或者斷裂等情況。
因此，對(duì)爐篦條的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，提高其性能和使用壽命，對(duì)于降低能耗、提高生產(chǎn)效率具有重要意義。本文將對(duì)燒結(jié)機(jī)爐篦條的設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，并提出相應(yīng)的優(yōu)化措施。
燒結(jié)生產(chǎn)是高爐煉鐵前的重要工序，所謂燒結(jié)工藝就是將含鐵原料、熔劑、燃料等按照一定比例進(jìn)行配料，經(jīng)過(guò)混合機(jī)加水潤(rùn)濕和混勻制粒后形成燒結(jié)料后布于燒結(jié)機(jī)上，通過(guò)點(diǎn)火和強(qiáng)制抽風(fēng)，燒結(jié)料在高溫作用下進(jìn)行物理化學(xué)反應(yīng)，所得產(chǎn)品就是燒結(jié)礦。生產(chǎn)過(guò)程中，配料室按照高爐工藝要求進(jìn)行合理配礦，配合后混合料經(jīng)過(guò)混合機(jī)混勻、潤(rùn)濕、造球后，通過(guò)梭式布料器和圓輥給料機(jī)、九輥給料機(jī)等設(shè)備均勻分布在燒結(jié)機(jī)臺(tái)車上。在燒結(jié)機(jī)臺(tái)車底部安裝有2排（或多排）間隙在5mm—7mm的爐篦條，爐篦條上鋪設(shè)有30mm—50mm粒級(jí)在16mm—20mm的燒結(jié)礦作為鋪底料，起到保護(hù)爐篦條的作用。鋪設(shè)好的混合料再經(jīng)過(guò)點(diǎn)火器點(diǎn)火，將混合料表層料層中的燃料點(diǎn)燃后，在主抽風(fēng)機(jī)抽風(fēng)作用下燃燒帶自上而下進(jìn)行，將混合料料層溫度升高至1200℃左右，此時(shí)鐵礦粉中Fe2O3與熔劑隨著溫度的升高，逐步由固相反應(yīng)向液相反應(yīng)發(fā)展，生成低熔點(diǎn)化合物，開(kāi)始在料層中產(chǎn)生液相。液相進(jìn)一步熔融周圍核顆粒礦粉，冷卻后得到氣孔均勻且具有一定強(qiáng)度的燒結(jié)餅，經(jīng)過(guò)破碎系統(tǒng)、冷卻與篩分整粒得到滿足高爐冶煉性能的燒結(jié)礦。
圖1 燒結(jié)工藝流程圖
因此，篦條作為燒結(jié)機(jī)的核心部件，其性能直接影響到燒結(jié)過(guò)程的順利進(jìn)行和產(chǎn)品質(zhì)量。由于燒結(jié)機(jī)機(jī)型不同、燒結(jié)面積差異性，燒結(jié)機(jī)爐篦條其規(guī)格、型號(hào)、參數(shù)、成分等各不相同，近幾十年來(lái)工作人員都在不斷地摸索與研究，如何讓燒結(jié)機(jī)爐篦條壽命更長(zhǎng)、燒損更小、透氣性更強(qiáng)、價(jià)格更低。
據(jù)資料顯示，國(guó)外對(duì)于爐篦條材質(zhì)的研究早在20世紀(jì)50年代便開(kāi)始進(jìn)行高鉻篦條生產(chǎn)實(shí)踐，因其耐磨性、抗腐蝕性、耐高溫性能優(yōu)異，能夠滿足在沖擊載荷不強(qiáng)烈的磨損條件下使用。在爐篦條中加入鉻合金，能顯著提高合金的抗氧化能力‚在高溫作用下合金外表層能形成一層致密的Gr2O3保護(hù)層，該保護(hù)層的形成能夠抑制合金的進(jìn)一步氧化[]，從而提高合金的抗氧能力[]，Gr2O3通常被認(rèn)為是抑制氧化的有效阻隔，其不僅在熱力學(xué)上是穩(wěn)定的，而且氧化過(guò)程中離子的擴(kuò)散也是最慢的[]。由于基體中含有較高的鉻含量并且材料表層的（Gr，F(xiàn)e）23C6碳化物將會(huì)分解，因此為氧化膜的形成創(chuàng)造了條件[]。
1.3.2 國(guó)內(nèi)篦條發(fā)展?fàn)顩r
我國(guó)針對(duì)爐篦條研究起步較晚，在70—80年代以前我國(guó)爐篦條大多采用普通灰鑄鐵鑄造，雖然價(jià)格低廉，但其壽命在3～4個(gè)月之間；到了80年代以后，開(kāi)始嘗試中硅球鐵鑄造，篦條壽命可達(dá)到6—8個(gè)月[]，依然無(wú)法滿足生產(chǎn)區(qū)需求；90年代開(kāi)始，我國(guó)逐步大范圍引進(jìn)高鉻合金鑄造工藝，篦條壽命逐步提高?，F(xiàn)如今隨著我國(guó)鋼鐵產(chǎn)能與日俱增，鋼鐵產(chǎn)量達(dá)到世界前列，篦條消耗量越來(lái)越大。國(guó)內(nèi)眾多制造企業(yè)和科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年科技沉淀，已經(jīng)設(shè)計(jì)出眾多類型、材質(zhì)的爐篦條，在滿足國(guó)內(nèi)需求的同時(shí)，部分出口至歐美國(guó)家。
爐篦條的材料選擇應(yīng)根據(jù)燒結(jié)工藝的要求和工作環(huán)境來(lái)確定。燒結(jié)機(jī)爐篦條的發(fā)展同步伴隨著燒結(jié)機(jī)的大型化和生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的性能狀態(tài)逐步提升的。早期的燒結(jié)機(jī)篦條通常采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，主要由耐熱鑄鐵或不銹鋼鑄造而成。這種篦條的主要功能是提供燒結(jié)過(guò)程的通風(fēng)性能，即保持氣體流通，但由于結(jié)構(gòu)和材料的限制，使用過(guò)程中出現(xiàn)彎曲、變形、燒損等，其性能和壽命都相對(duì)較低，增大了維修維護(hù)成本和員工作業(yè)強(qiáng)度。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)始對(duì)燒結(jié)機(jī)篦條進(jìn)行改進(jìn)，常用的材料包括耐熱鋼、不銹鋼、合金鋼等，其中添加有金屬Ni、金屬Cr等，嚴(yán)格控制爐篦條中C、S、Mn等元素。在選擇材料時(shí)，由于燒結(jié)機(jī)工 作方式是采取不停機(jī)連續(xù)作業(yè)制，所以篦條工件是在高、低溫交變惡劣工況下工 作的，其品質(zhì)的好壞不但是穩(wěn)定燒結(jié)工藝提高礦粉燒結(jié)的產(chǎn)量、質(zhì)量的重要因素，同時(shí)也直接決定著燒結(jié)設(shè)備能否正常地運(yùn)轉(zhuǎn)和環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題[]。更多地考慮材料的耐熱性、耐磨性、抗腐蝕性以及經(jīng)濟(jì)性等因素。同時(shí)，還應(yīng)根據(jù)具體的工藝要求和設(shè)備參數(shù)來(lái)選擇合適的材料。
在燒結(jié)機(jī)爐篦條設(shè)計(jì)選型階段除了考慮其工作環(huán)境的惡劣程度外，還要考慮在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上如何滿足在保證燒結(jié)料層透氣性基礎(chǔ)上，其外形構(gòu)造具備抗拒高溫、速冷產(chǎn)生的應(yīng)力作用，具備篦條主體不變形、不斷裂的特點(diǎn)。如圖所示，為燒結(jié)機(jī)爐篦條在臺(tái)車上的裝配圖和篦條外形結(jié)構(gòu)。燒結(jié)機(jī)臺(tái)車主梁上安裝有隔熱墊，用來(lái)隔斷上層高溫廢氣與臺(tái)車主梁，避免臺(tái)車主梁受到高溫侵蝕。爐篦條并列安裝在隔熱墊上，邊部安裝有端部篦條，生產(chǎn)過(guò)程中，爐篦條將燒結(jié)料托起，適當(dāng)?shù)捏鳁l間隙使得燒結(jié)料層透氣性均勻一致，因此，篦條使用壽命不僅取決于合金材質(zhì)，還取決于篦條結(jié)構(gòu)是否科學(xué)。本課題主要通過(guò)常熟市龍騰特種鋼（簡(jiǎn)稱龍騰特鋼）燒結(jié)分廠近幾年針對(duì)爐篦條外形構(gòu)造和其材質(zhì)的變更，燒結(jié)機(jī)爐篦條平均壽命達(dá)到18個(gè)月以上的研究與設(shè)計(jì)。
圖2 燒結(jié)機(jī)篦條安裝示意圖
圖3 燒結(jié)機(jī)爐篦條結(jié)構(gòu)圖
在燒結(jié)礦生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中，燒結(jié)機(jī)爐篦條不斷在200—1000℃溫度中循環(huán)作業(yè)，產(chǎn)生的熱應(yīng)力較大。燒結(jié)料中各種有害元素的侵蝕、腐蝕和卸料沖刷，燒結(jié)機(jī)爐篦條逐步失效。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀察分析，燒結(jié)機(jī)爐篦條失效主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：
a、工作面燒蝕。燒結(jié)機(jī)爐篦條在高溫氧化和廢氣的侵蝕狀態(tài)下，表層逐步氧化脫落，當(dāng)爐篦條間隙增大至10mm以上時(shí)，可能導(dǎo)致鋪底料脫硫，燒結(jié)料面產(chǎn)生風(fēng)洞，爐篦條失效[]；
b、燒結(jié)機(jī)臺(tái)車新裝爐篦條緊密排列在臺(tái)車上，業(yè)內(nèi)篦條間隙一般在5—7mm之間。在使用初期，由于物料狀態(tài)和生產(chǎn)工藝的不同，粉末物料可能黏附在篦條上，爐篦條間隙變小，導(dǎo)致燒結(jié)料層透氣性變差，制約燒結(jié)機(jī)產(chǎn)量與質(zhì)量；
c、燒結(jié)機(jī)爐篦條由于鑄造工藝差異性或合金均勻性影響，在生產(chǎn)過(guò)程中爐篦條局部不能承受高溫氧化與廢氣侵蝕，篦條本體彎曲變形，或局部燒蝕[]；
d、由于爐篦條工藝缺陷導(dǎo)致強(qiáng)度降低，在爐篦條安裝過(guò)程中或燒結(jié)機(jī)運(yùn)行卸礦過(guò)程中導(dǎo)致篦條斷裂；
e、正常生產(chǎn)卸料磨損失效；
3 爐篦條技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)踐
由于各個(gè)企業(yè)燒結(jié)機(jī)機(jī)型和燒結(jié)面積不同，對(duì)于爐篦條的需求也竟不相同?？蒲袉挝煌礁鶕?jù)客戶的不同需求，開(kāi)發(fā)出各種特需性質(zhì)的篦條。以爐篦條工作條件來(lái)看，所選材料必須滿足具有承受劇烈溫度變化的特性，又能抵抗高溫氧化和燒損腐蝕，同時(shí)要具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和抗磨性，使?fàn)t篦條擁有較高的使用壽命。如今大多數(shù)企業(yè)采購(gòu)爐篦條大多采用高鎳鉻合金材質(zhì)篦條，主要含有C、Ni、Gr、Si、Mn、P、S等元素。其中C元素影響著高鉻耐熱合金的硬度和韌性；Ni元素能夠提高基體的高溫強(qiáng)度和熱疲勞強(qiáng)度；Gr元素是高鉻合金的最主要元素，使合金表層形成一層Gr2O3保護(hù)層，延緩合金氧化過(guò)程；Si元素可改善合金抗氧化性；Mn能夠穩(wěn)定基體組織；P為有害元素，因此含量越低越好[]。
本課題以常熟市龍騰特種鋼（簡(jiǎn)稱龍騰特鋼）燒結(jié)分廠近年來(lái)有關(guān)對(duì)燒結(jié)機(jī)爐篦條質(zhì)量的深度化研究為例，論證不同材質(zhì)、不同合金成分下的爐篦條使用狀態(tài)和壽命。龍騰特鋼燒結(jié)分廠2臺(tái)燒結(jié)機(jī)分別建設(shè)于2010年和2014年，有效燒結(jié)面積各180㎡，其臺(tái)車原始設(shè)計(jì)為1米*3米*0.7米。料層厚度控制在700mm，點(diǎn)火溫度1150℃，燃料消耗68kg/t左右。在2017年初期，龍騰特鋼2臺(tái)180㎡燒結(jié)機(jī)年消耗爐篦條216788kg，平均單耗0.06kg/t，在行業(yè)內(nèi)屬于較高水平。使用狀態(tài)主要體現(xiàn)在篦條主體燒損嚴(yán)重，篦條扭曲變形如圖—4所示，使用壽命平均在1—3個(gè)月之間，燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中連續(xù)出現(xiàn)大面積篦條脫落，導(dǎo)致燒結(jié)料面漏風(fēng)嚴(yán)重，主抽風(fēng)機(jī)耗電量增大，電耗上升。因此，燒結(jié)廠專門成立QC攻關(guān)小組攻關(guān)提升爐篦條質(zhì)量，降低篦條消耗量。QC成員對(duì)于不同時(shí)段進(jìn)廠的爐篦條進(jìn)行質(zhì)量跟蹤，每批次隨機(jī)抽選樣品送檢。在對(duì)爐篦條化學(xué)成分跟蹤時(shí)發(fā)現(xiàn)，有效成分Ni平均含量在0.35%，鉻平均含量在18.5%左右，對(duì)比業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中Ni≥1.0%—1.5%、Cr≥25%的標(biāo)準(zhǔn)相差甚遠(yuǎn)，認(rèn)為是導(dǎo)致?tīng)t篦條消耗量較大的主要因素。龍騰特鋼燒結(jié)廠2017年全年燒結(jié)礦產(chǎn)量完成3813749t，電耗完成37.58kwh/t，電耗在全國(guó)同行業(yè)屬于較高水平。如圖—4所示為生產(chǎn)過(guò)程中燒結(jié)機(jī)臺(tái)車爐篦條的實(shí)際狀態(tài)，可見(jiàn)篦條局部燒損、變形嚴(yán)重，臺(tái)車篦條疏松，嚴(yán)重時(shí)脫落。
圖4 爐篦條變形燒損
2019年為了提升燒結(jié)礦產(chǎn)能，滿足2座1080m³高爐用料需求，龍騰特鋼燒結(jié)分廠結(jié)合本廠2臺(tái)180㎡燒結(jié)機(jī)的生產(chǎn)狀態(tài)和實(shí)際情況，開(kāi)始對(duì)燒結(jié)機(jī)進(jìn)行升級(jí)改造。燒結(jié)機(jī)臺(tái)車由1米*0.70米*3米升級(jí)到1米*0.8米*3.3米；燒結(jié)機(jī)機(jī)械滑道密封技改成柔性橡膠密封；燒結(jié)機(jī)點(diǎn)火采用微負(fù)壓點(diǎn)火系統(tǒng)；煙道風(fēng)箱噴涂耐磨材料、主抽風(fēng)機(jī)增大功率等等。隨著料層厚度的提高和漏風(fēng)率的降低，料層自動(dòng)蓄熱將導(dǎo)致?tīng)t篦條承受的高溫越來(lái)越高，因此必須通過(guò)提升爐篦條的耐熱性和抗磨損性提高爐篦條的使用壽命，降低單耗成本和主抽電耗。因此，QC團(tuán)隊(duì)結(jié)合篦條廠家通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比將燒結(jié)機(jī)爐篦條中Ni含量提高至≥1.5%，Cr提高至≥26%，Mn規(guī)范在0.8%—1%，S≤0.035%，Mo≥0.3%，P≤0.035%，C規(guī)范在2.2%—2.6%，Si在0.8%—1%。如表—1所示為爐篦條有效成分QC攻關(guān)前后的數(shù)據(jù)對(duì)比，攻關(guān)后基體中Gr含量提高了7.7%；Ni含量提高了1.11%；其他元素均不同程度有所調(diào)整。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐燒結(jié)機(jī)爐篦條使用壽命由1—3個(gè)月提高至≥18個(gè)月，有效降低了爐篦條消耗量和電耗。
表1 爐篦條材質(zhì)對(duì)比
|
年份 |
Cr |
Ni |
Mn |
S |
Mo |
P |
C |
Si |
|
2017 |
18.5 |
0.35 |
0.55 |
0.036 |
0.28 |
0.032 |
2.55 |
0.84 |
|
2021 |
26.2 |
1.46 |
0.91 |
0.021 |
0.42 |
0.025 |
2.24 |
0.95 |
|
對(duì)比 |
7.7 |
1.11 |
0.36 |
-0.015 |
0.14 |
-0.007 |
-0.31 |
0.11 |
經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，不同的制造企業(yè)在生產(chǎn)爐篦條過(guò)程中采用的制造方式各不相同。目前業(yè)內(nèi)主要的生產(chǎn)辦法有：
a、鑄造法。鑄造法是生產(chǎn)爐篦條的最主要方法，其工藝流程包括磨具制作、熔煉、澆筑、冷卻、清理等步驟。鑄造法生產(chǎn)的爐篦條特點(diǎn)是成本低廉，缺點(diǎn)是質(zhì)量不穩(wěn)。容易產(chǎn)生氣泡和夾雜的現(xiàn)象；
b、鍛造法。鍛造法是生產(chǎn)合金鋼爐篦條的主要方法，其工藝流程包含鍛造、熱處理、機(jī)械加工等步驟。鍛造法加工的爐篦條優(yōu)點(diǎn)是爐篦條質(zhì)量穩(wěn)定，缺點(diǎn)是成本較高，對(duì)于生產(chǎn)裝備要求較高；
c、焊接法。焊接法主要生產(chǎn)不銹鋼材質(zhì)爐篦條，其工藝流程包括焊接、熱處理、機(jī)械加工等步驟。焊接法生產(chǎn)的爐篦條優(yōu)點(diǎn)是篦條質(zhì)量穩(wěn)定，缺點(diǎn)是成本較高，對(duì)所需的焊接設(shè)備要求等級(jí)較高[]。
龍騰特鋼燒結(jié)廠2臺(tái)180㎡燒結(jié)機(jī)采用的爐篦條均為鑄造法加工生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)研究，在爐篦條鑄造前模具制作又可分為2類：
a、消失模鑄造工藝。消失模鑄造又稱實(shí)型鑄造，是將與鑄件尺寸形狀相似的石蠟或者泡沫模型粘結(jié)組合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振動(dòng)造型，在負(fù)壓下澆筑，使模型氣化，液體金屬占據(jù)模型位置，凝固冷卻后形成的鑄件的鑄造方法。優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)靈活，為鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了充分自由度。舊砂回收率高，生產(chǎn)成本低。缺點(diǎn)是：①在鑄造過(guò)程中金屬液存在粘砂現(xiàn)象；② 鑄造過(guò)程或因卷入空氣和模具分解等因素產(chǎn)生氣泡；③金屬液變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)體積收縮，固態(tài)收縮引起體積輪廓變化，收縮過(guò)程若無(wú)金屬液補(bǔ)充，產(chǎn)生縮孔；④鑄件表面形成皺皮；⑤鑄件表面產(chǎn)生珠粒狀缺陷；⑥鑄造過(guò)程產(chǎn)生夾雜物；⑦在負(fù)壓澆筑時(shí)容易產(chǎn)生瘤狀突出物；⑧鑄造過(guò)程產(chǎn)生鑄造件增碳；⑨鑄造過(guò)程產(chǎn)生熱裂。
b、覆膜砂鑄造工藝。覆膜砂鑄造工藝是一種金屬制品普遍應(yīng)用的鑄造工藝，它能有效地成型多邊形的金屬結(jié)構(gòu)。這種鑄造工藝的優(yōu)點(diǎn)在于可以制作出任何形狀及大小的金屬零部件。覆膜砂鑄造工藝是一種精密的成型方式，它借助壓力和溫度來(lái)完成。該工藝可以制造出任何形狀的金屬零部件，它具有速度快，效率高，成型效果好，精度高，拋光度佳，非常適合于要求精度更高的鑄件制造。覆膜砂鑄造工藝由兩個(gè)主要組成部分組成，即模具和覆膜砂。模具是將鑄件成型的外殼，它由幾塊模具組成，模具的結(jié)構(gòu)可以是完全封閉的或內(nèi)外相反的結(jié)構(gòu)。覆膜砂是一種特殊的砂漿，由粘土，砂粒和聚合物組成，它具有良好的結(jié)合力，便于成型。覆膜砂制作的鑄件具有高精度和較好的表面質(zhì)量，不易出現(xiàn)缺陷；覆膜砂能夠承受高溫，不會(huì)熱變形或潰裂，鑄件的尺寸和形狀也能夠保持穩(wěn)定。其缺點(diǎn)是：制造覆膜砂需要使用特殊化學(xué)品進(jìn)行處理，生產(chǎn)成本相對(duì)較高；覆膜砂制造中使用的化學(xué)品，如酚醛樹(shù)脂和聚氨酯等，對(duì)環(huán)境和人體有一定的毒性[]。
常熟市龍騰特鋼燒結(jié)廠QC攻關(guān)前采購(gòu)爐篦條均為消失模工藝，根據(jù)篦條使用中存在的異常燒損、變形以及氣孔較多的缺點(diǎn)，結(jié)合制造廠家采用可覆膜砂工藝，以上問(wèn)題得到改善。
（1）爐篦條的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)燒結(jié)工藝的要求和設(shè)備參數(shù)來(lái)確定。一般來(lái)說(shuō)，燒結(jié)機(jī)爐篦條的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下要求：具有良好的通風(fēng)性能，保證燒結(jié)過(guò)程中的氣體流通；具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠承受燒結(jié)過(guò)程中的高溫和壓力；易于安裝和維護(hù)，方便更換和修復(fù)。龍騰特鋼燒結(jié)廠根據(jù)2臺(tái)180㎡燒結(jié)機(jī)的生產(chǎn)狀態(tài)，對(duì)爐篦條做了結(jié)構(gòu)改進(jìn)。QC團(tuán)隊(duì)觀察發(fā)現(xiàn)，在燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中，隨著燒結(jié)終點(diǎn)的形成，在燒結(jié)機(jī)尾部斷面呈現(xiàn)靠近欄板兩側(cè)紅層缺失，而臺(tái)車中間位置紅層過(guò)厚，嚴(yán)重時(shí)甚至在卸料時(shí)燒結(jié)為終結(jié)，在環(huán)冷內(nèi)二次燃燒，這種現(xiàn)場(chǎng)稱為臺(tái)車邊緣效應(yīng)。邊緣效應(yīng)可導(dǎo)致臺(tái)車欄板兩側(cè)通風(fēng)量大于臺(tái)車中間位置，造成主抽風(fēng)量浪費(fèi)，燒結(jié)機(jī)產(chǎn)能受限、成本上升。因此，QC團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)論證，將臺(tái)車兩側(cè)邊部3根爐篦條改造成無(wú)間隙盲篦條，用來(lái)抑制通過(guò)欄板兩側(cè)的風(fēng)量，邊緣效應(yīng)得到明顯改善。
圖5 邊緣效應(yīng)以及無(wú)間隙篦條
（2） 燒結(jié)機(jī)爐篦條外形參數(shù)根據(jù)燒結(jié)機(jī)機(jī)型與燒結(jié)面積不同而不同。龍騰特鋼燒結(jié)廠臺(tái)車尺寸為1m*3.3m*0.8m規(guī)格，每部臺(tái)車并列2排爐篦條，每排安裝篦條92根，每2根篦條之間間隙為5mm±1mm。在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)篦條之間的間隙容易被粉末物料黏附，導(dǎo)致燒結(jié)機(jī)臺(tái)車大面積“糊死”，有效抽風(fēng)面積下降，透氣性不均勻，燒結(jié)總管負(fù)壓升高，制約燒結(jié)機(jī)產(chǎn)質(zhì)量和能源消耗。因此，燒結(jié)分廠QC團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)分析論證，對(duì)爐篦條外形尺寸進(jìn)行變更。變更前每根篦條最大寬度為35mm，即爐篦條最大間隙為5mm；改造后將每根爐篦條最大寬度尺寸改為38mm，即爐篦條最大間隙為8mm。外形尺寸參數(shù)變更后，篦條間隙適中，使得燒結(jié)料層透氣性改善，輔助性地提高了燒結(jié)礦產(chǎn)量，燒結(jié)負(fù)壓適中，主抽電耗下降。隨著爐篦條間隙的增大，燒結(jié)機(jī)臺(tái)車每排篦條數(shù)量降至85根，降低了爐篦條消耗。
圖6 爐篦條外形尺寸變更前
圖7 臺(tái)車爐篦條外形尺寸變更后
常熟市龍騰特鋼燒結(jié)廠根據(jù)2臺(tái)180㎡燒結(jié)機(jī)爐篦條使用需求進(jìn)行了課題研究，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中爐篦條失效后的狀態(tài)進(jìn)行深度分解研究，根據(jù)不同的失效機(jī)理和生產(chǎn)需求，提出了提高爐篦條使用壽命的方法，通過(guò)數(shù)據(jù)化驗(yàn)和總結(jié)分析與嘗試，完成了燒結(jié)機(jī)爐篦條的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，同時(shí)達(dá)到了降本增效的目的。通過(guò)此次研究過(guò)程，不僅完成了課題研究，還取得了以下成果：
（1）通過(guò)對(duì)失效爐篦條所體現(xiàn)的狀態(tài)，捋順了爐篦條失效的機(jī)理，經(jīng)過(guò)論述與實(shí)驗(yàn)得出了提高爐篦條使用壽命的措施；
（2）通過(guò)深入研究與實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)本單位爐篦條在合金成分上存在的不足，經(jīng)過(guò)論證與實(shí)踐規(guī)范了爐篦條合金元素范圍，即Ni含量控制在≥1.5%，Cr控制在≥26%，Mn規(guī)范在0.8%—0.1%，S控制在≤0.035%，Mo控制在≥0.3%，P控制在≤0.035%，C規(guī)范在2.2%—2.6%，Si控制在0.8%—1%；
（3）經(jīng)過(guò)深度研究與調(diào)研，發(fā)現(xiàn)消失模鑄造工藝缺陷，確定了覆膜砂鑄造工藝；
（4）根據(jù)本單位使用要求，開(kāi)發(fā)了符合自身燒結(jié)機(jī)的邊部無(wú)間隙篦條，燒結(jié)機(jī)料層厚度提升后，根據(jù)生產(chǎn)需求，變更了爐篦條外形尺寸，透氣性得到改善的同時(shí)，爐篦條消耗顯著下降。
（5）經(jīng)過(guò)深度研究改造，燒結(jié)機(jī)爐篦條使用壽命達(dá)到18個(gè)月以上，并且通過(guò)篦條外形尺寸變更，單個(gè)臺(tái)車使用量有所減少，燒結(jié)機(jī)爐篦條年度消耗量明顯減少。數(shù)據(jù)顯示，2022年?duì)t篦條使用量降至125152kg，對(duì)比2017年減少91636kg，噸礦消耗從0.06/t降至0.03kg/t，降幅達(dá)50%，效果顯著。
圖8 QC攻關(guān)前后爐篦條用量對(duì)比
圖9 QC攻關(guān)后爐篦條噸礦消耗量對(duì)比
隨著燒結(jié)礦在高爐冶煉過(guò)程中體現(xiàn)出的優(yōu)越性能，燒結(jié)生產(chǎn)越來(lái)越引起鐵前工序的足夠重視。眾多科研單位和生產(chǎn)單位都在提升開(kāi)發(fā)符合自身使用要求的高性能裝備。燒結(jié)機(jī)爐篦條作為燒結(jié)生產(chǎn)過(guò)程中的易損消耗件，使用數(shù)量大、工作環(huán)境惡劣，篦條的異常失效嚴(yán)重制約燒結(jié)生產(chǎn)的穩(wěn)定順行，限制了高爐冶煉的爐料性能。由于篦條需求量大，價(jià)格昂貴，引起了燒結(jié)礦制作成本的上升，限制了企業(yè)利潤(rùn)，尤其是鋼鐵行業(yè)近幾年低谷期間，提高爐篦條使用壽命，降低噸礦成本顯得尤為重要。龍騰特鋼燒結(jié)分廠抓住機(jī)遇，關(guān)鍵時(shí)期進(jìn)行了燒結(jié)機(jī)爐篦條優(yōu)化提升課題，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)施，取得了較大成果。數(shù)據(jù)表明，2022年燒結(jié)礦產(chǎn)量完成4419624噸，對(duì)比2027年3813749提高了605875噸；爐篦條消耗量降低了91636kg，按照每噸爐篦條13000價(jià)格計(jì)算產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益119萬(wàn)余元，折合噸礦成本下降0.27元/噸，效果顯著。
參考文獻(xiàn)
[1] 張?zhí)靻?燒結(jié)技能知識(shí)500問(wèn)[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社,2012,2.
[2] 新中國(guó)工業(yè)化故事
[3] 李健.高鉻耐熱合金箅條的研制及其在燒結(jié)臺(tái)車上的應(yīng)用[J].鞍鋼技術(shù),2005(01):23-26.
[4] 許滿興,張?zhí)靻?燒結(jié)節(jié)能減排實(shí)用技術(shù).北京:冶金工業(yè)出版社,2018.
[5] WeiA.L.,SongW.,Wu X.D.,et al.Materials Science Forum,2007.
[6] Zhang A .,Xing J.,Lu W.Oxidation behaviour of high cr cast iron [J].Act a Metallurgica Sinica(English Edition),1993(12):447-452.
[7] Kofstad p.,Wiley J.High-temperature oxidation of metals [M].Wiley New York,1966
[8] Zhang M.,Fu R.,Cao D.Development of the micro-alloyed trip steels and properties of their laser welded blanks [J].Lron Steel,2005,40 754
[9] 馬玎. 燒結(jié)臺(tái)車篦條的失效研究與長(zhǎng)效策略 [D].廣西大學(xué),2015.
[10] 高自昌,韓玉玲,冉麗華.燒結(jié)機(jī)耐熱鋼箅條的研制與應(yīng)用 [J].河北工業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院學(xué)報(bào),2004(01):1-3.
[11] 崔士選.燒結(jié)機(jī)篦條的生產(chǎn)及應(yīng)用 [J].機(jī)械工人(熱加工),2007(12):64+66.
[12] 馬玎(導(dǎo)師：李安敏) - 《廣西大學(xué)碩士論文》- 2014-06-01
[13] 郭紅星(導(dǎo)師：余開(kāi)朝;董云雁) - 《昆明理工大學(xué)》- 2008-02-28
[14] 張?chǎng)?- 《大學(xué)生論文聯(lián)合比對(duì)庫(kù)》- 2020-05-31
[15] 高成勛;倪忠; - 《第十四屆中國(guó)鑄造協(xié)會(huì)年會(huì)論文集》- 2018-05-13