多管粉末還原爐爐頭管連接方式探索與改進

付紹軍

(金堆城鉬業股份有限公司金屬分公司,陜西 西安710077)

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多管粉末還原爐爐頭管連接方式探索與改進

付紹軍

(金堆城鉬業股份有限公司金屬分公司,陜西 西安710077)

多管還原爐為金鉬股份金屬分公司2001年從美國引進，是500 t/a鉬粉生產線用于鉬粉二次還原的主要工藝裝備。由于爐管較長、在離心鑄造過程中材質分布難以一致以及溫度場的階梯性、多變性、不均性，加之升、降溫時爐管形變受到并非單一軸向約束等因素，爐管在生產使用中極易產生彎曲、扭轉。此問題極易造成爐管與爐頭管連接處氫氣泄露，導致極大安全隱患及能源浪費。多年來技術人員對多管爐兩側爐頭管與爐管本體連接方式進行了多次探索與改進。實踐證明，采用整體活套法蘭連接配合導向支架可以保證連接強度和氣密性，同時有效解決了爐頭管扭曲旋轉問題。

爐管；扭曲；連接；改進

1 背景概述

十八管還原爐為金鉬股份金屬分公司(原西安華鉬新材料股份有限公司)2001年從美國Kleenair公司成套引進，主要用于鉬粉的二次還原(MoO2+H2→Mo+H2O)。設備總重68.947 t，爐體(本體)尺寸10 m×3.3 m×2 m，爐管(包含兩側爐頭管)全長16 m，共18根爐管，單根爐管總重約0.5 t。該設備主要包括以下2個部分：①機械部分(爐體、爐管、裝料及進料機構、出料及翻料機構、燃燒系統)；②電氣及控制部分(配電柜、程序控制柜、Profibus I/O站點、傳感器、執行機構、人機界面等)。

根據鉬粉還原工藝的要求，裝滿物料的料舟按照工藝節拍在進料端通過行走小車運行至目標爐管(通過位移設定)，爐門開閉機構打開進料爐門蓋，料舟推送機構將料舟從小車載舟板上導入爐管，隨后關閉爐門。出料動作與此相似，出料小車在目標爐管位置首先打開爐門，出舟機械手在探測到料舟后將料舟拖出爐管，隨后爐門關閉。

爐體部分由1個輻射溫區和3個可控溫區組成，分別為Ⅰ區(輻射區)、Ⅱ區、Ⅲ區和Ⅳ區，可控溫區分別對應的工藝溫度區間大致為920～950℃/Ⅱ、930～980 ℃/Ⅲ、970～1 050 ℃/Ⅳ，參與反應的氫氣在爐管內與物料逆向流動。

由于爐管較長(爐膛內受熱長度10 m，總長16 m)、在離心鑄造過程中材質分布難以一致以及溫度場的階梯性、多變性、不均性，在升降溫過程中會產生極大的熱應力。而在爐管的伸縮過程中，其自由端伸縮不能保證為理想情況的“零約束”或單一情況下的“軸向約束”，爐管極易出現扭轉和彎曲變形等問題。

用于物料還原的氫氣是一種無色無味的易燃易爆氣體，其分子量極小，滲透能力強，沿微小縫隙泄漏的概率極高。生產使用的爐管由本體爐管外加進出料兩處爐頭管現場連接組成，連接處的密封性是影響氫氣是否泄漏的關鍵所在。在高溫情況下，既要保證連接強度和氣密性，確保H2不泄漏產生安全隱患和能耗成本增加，又要保證爐頭部分能夠自動調整，緩解爐管變形產生的熱應力，存在很大的技術難度。由于進出料機構與目標爐管定位精度較高，爐頭扭曲會導致進出料機構無法正常工作，可能會導致料舟撞擊爐口，或者爐門氣缸頂頭無法正確打開爐門蓋，甚至導致進出料過程受阻，若不人為干預，極易造成空氣進入爐管發生閃爆，后果非常嚴重。歷史上曾出現多起爐口閃爆引起的設備受損、人員受傷的情況。

自2001年該套生產線引入我公司以來，技術人員持續對爐管本體與兩側爐頭管的連接方式進行探索與改進，在解決了主要矛盾的同時，又帶來了新的問題。一直到2014年7月份，在總結前期改造經驗教訓的基礎上，對新訂購的爐管采用整體活動法蘭連接方式，較好解決了爐管扭曲和高溫下密封不嚴的問題。

2 焊接結構

2001年，十八管還原爐在當時西安華鉬新材料股份有限公司六分廠現場安裝后投入使用。爐體、爐管、爐頭管設備安裝尺寸簡圖如圖1所示。

圖中爐頭管與爐管的連接位置及方式，在圖1中5、7處標出，由設備制造商在安裝現場采用氬弧焊現場施工方式焊接，現場施焊條件較為簡陋，爐管本體與爐頭管的同軸度很難得到保證，僅能對焊縫進行超聲探傷，由于現場條件不具備而未能進行壓力試驗及氣密性試驗。

現場采用氬弧焊焊接時，根據焊接工藝要求，采用小焊接線能量、高頻引弧，短弧、快速焊工藝進行焊接，為避免焊接過程中出現熱裂紋、氣孔和夾雜等缺陷，在施焊過程中對坡口進行了處理，并對氬氣保護措施進行了充分準備。

圖1 爐管安裝結構簡圖1-出料端爐門機構；2-出料端爐管滾輪支架A；3-改進后法蘭連接位置(安裝時不存在)；4-出料端爐管滾輪支架B；5-爐管本體與進料端爐頭管焊接位置；6-爐體；7-爐管本體與進料端爐頭管焊接位置；8-進料端爐管滾輪支架；9-進料端爐門機構

在其后的生產實踐以及后續大修更換爐管過程中，逐步發現該結構主要存在如下缺點：

(1)爐頭扭轉傳遞到兩側爐頭，很難進行人工調整。由于材質密度及材質不均勻、升降溫過程中非完全自由收縮、爐膛內溫度場沿爐管徑向不均勻引起爐管不均勻受熱等因素，導致爐管本體(爐管在爐膛中的部分)彎曲、扭轉傳遞到兩側爐頭管，造成兩側爐頭管扭曲旋轉，不能正常進出料作業[1-3]。

(2)焊接工藝復雜，現場作業面較小，充氬保護困難，所用爐管為鎳基高溫合金(ZG40Ni35Cr25NbM)，其焊接方法主要有氬弧焊焊接、電子束焊接、釬焊與擴散焊等焊接技術。但是由于鎳基高溫合金中加入了固溶強化元素W、Mo、Cr等及微量元素S、P、C、B等，這些元素會增大裂紋敏感性，從而造成彌合裂紋、焊后焊縫易形成組織偏析，析出脆性相以及其他缺陷，這些均容易導致焊接接頭力學性能及高溫持久性下降。

由于使用條件復雜(內有15 kPa氫氣還原氣氛，溫度約900 ℃)，需制作專門夾具，同時對焊接工藝及焊接人員技術水平要求較高，一般需經過高溫爐管焊接專業培訓考核合格后方可施焊；施工現場對焊前預熱、焊后保溫(850 ℃×5 h)等工藝要求難以保證[4-6]。

(3)在生產中一旦爐管焊接面出現裂紋，根本無法處理。因為爐管內有易燃易爆氣體——氫氣，補焊作業會有極大的安全隱患。

(4)爐頭管復用較為困難。一般情況下爐頭管部分因為變形較小可以復用。而焊接為永久連接方式，加之爐管材質特殊性，拆解困難，拆卸后的爐頭管必須返回廠家重新修整后方可再次使用，成本費用均較高。

3 活套法蘭連接結構

為了解決焊接結構帶來的爐頭扭轉無法調整，現場焊接工藝復雜，出現裂紋無法處理、爐頭管復用困難等問題，技術人員對其結構進行了改造，擬采用活套法蘭連接。

3.1 采用單側半圓活套法蘭連接結構

為了解決以上問題，分廠技術人員對其進行了首次改進嘗試，2006年，將圖1中5、7位置處進出料端爐頭管與爐管本體的焊接結構修改為半圓法蘭活動連接結構。其對應的連接部位主要零件結構如圖2所示。

圖2 半圓活動法蘭連接結構圖

以上為爐管本體法蘭連接部分結構和配套采用的半圓活動法蘭結構。與之相連接的爐頭管采用死法蘭焊接結構，以及爐管本體接口均在爐管出廠時做好，現場直接安裝即可。

在隨后的使用過程中，該連接結構能夠緩解爐頭的旋轉問題，容許爐管本體在受熱后自由轉動，且徹底解決了現場焊接難題及原有的爐頭管拆解后需返廠修整費工費時且運輸費用高的問題，爐頭管扭曲后調整非常方便，但同時帶來了新問題，主要有如下幾點：

(1)法蘭位置不當，出料端距離高溫區IV區過近，且在出料端滾輪支架B前側，使得法蘭連接不僅要承載爐管的旋轉扭矩，同時還要承受由于爐管本體在爐膛內不均勻變形產生的徑向彎矩。該彎矩極易將法蘭連接面拉開導致密封失效。

(2)螺栓緊固力矩太低容易導致密封面失效。上下法蘭結構，法蘭內圓弧面與爐管端面外圓卡槽緊密貼合，上下半圓法蘭依靠兩側兩個螺栓拉緊，若螺栓緊固力矩不足，則上下法蘭不能完全壓緊引起密封面失效。

(3)螺栓緊固力矩太大，會降低爐管壽命。若增大螺栓緊固力矩，會造成法蘭內圓弧面與爐管之間壓力太大進而引起摩擦力增加，阻礙了爐管的自由旋轉產生沿爐管端面的切應力，切應力不能有效釋放將會傳導至爐膛內的高溫爐管段，降低爐管壽命。

(4)連接結構剛度不足，法蘭密封面漏氣嚴重。因為半圓法蘭連接中兩個半圓法蘭通過螺栓進行連接，連接剛度極差。同時高溫條件下螺栓連接極易產生疲勞失效，需定期補充緊固，但效果很不理想，很難保證螺栓能夠均勻受力。

3.2 采用雙活套法蘭連接結構并變更連接位置

2010年4月，為了促進爐管自由旋轉消除爐膛內高溫爐管由于扭轉而產生的剪切應力，技術人員又進行了第二次改進嘗試。將原有爐頭管的死法蘭連接結構也變更為半圓活套法蘭連接結構，并對法蘭連接的安裝位置進行變更。參考圖1爐管安裝尺寸簡圖，將出料端法蘭位置從圖示位置5移動到圖示位置3，由于出料端為料舟冷卻端(氫氣入口端)，參與反應的新鮮氫氣從氫回收干燥塔出塔時僅為30 ℃左右，對法蘭連接面有一定的冷卻作用，螺栓受熱疲勞失效的情況得到了消除。

將法蘭連接位置放于出料端支撐滾輪組4(又稱導向支架)之后，支撐滾輪組約束了爐管的徑向彎曲，使得法蘭連接主要承受爐管的旋轉。同時在安裝完成后，利用纖維織物摻和密封膠，對法蘭接觸面縫隙進行填塞使其在高溫下固化。

在使用過程中發現，改變連接位置并對法蘭連接面進行縫隙填充，緩解了爐管漏氣的狀況，尤其是出料端爐管連接法蘭的漏氣狀況。但進料端限于結構尺寸緊湊等問題，法蘭位置無法向后調整，漏氣現象依然較為嚴重。利用纖維織物和密封膠混合填充雖然能夠緩解漏氣狀況，但仍為治標不治本，沒有從根本上解決問題。

3.3 采用整體活套法蘭連接結構

2012年7月，借新訂購爐管之機，對連接方式進行了第三次改進。在保留出料端安裝位置的基礎上，徹底放棄原有的半圓法蘭結構，引入兩個半圓擋圈，采用整體活套法蘭結構，對法蘭片厚度進行了調整[7]，并進行校核驗算。主要結構如圖3所示。

圖3 整體活動法蘭連接結構

法蘭及擋圈材質均選用不銹鋼304(國標06Cr19Ni10)，強度校核時因為卡環厚度最小為10 mm，且卡環承受剪切與擠壓兩種應力作用，因此半圓卡環為危險零件，應分別校核計算其剪應力和擠壓應力。通過查閱手冊獲得其剪切及擠壓強度極限，除以安全系數得到許用應力。實際計算的應力與許用應力進行比較，用以校核其強度條件。

剪應力與擠壓應力均假定沿受力面均勻分布，剪應力等于剪切面上的平均應力，剪切強度校核計算：

τ—計算應力；Fs—剪力；A—剪切面的面積；[τ]—許用剪應力。

剪切面面積計算公式為：

A=πdb

d—爐管外直徑，144mm；

b—擋圈厚度，10mm。

τmax—極限應力，查閱材料手冊可以獲得；N—安全系數，此應用場合一般選取1.5～2。

實際應力進行計算時，可以利用一定擰緊力矩條件下螺栓的拉緊力作為外力約束條件(剪力)進行簡易計算，本實例中假定4個螺栓拉緊力一致。螺栓拉緊力可以參照螺栓規格及強度等級所對應的屈服極限，計算應力，乘以螺栓橫截面后，留足50%的安全余量進行近似計算。

Fs=4×σs×A1×0.5

σs—螺栓的屈服強度；A1—螺栓橫截面積；

本例中選用強度10.9級高強度螺栓，螺栓公稱直徑18mm，查閱國標GB1231，屈服極限為900N/mm2，擰緊力矩為380～450Nm。

擠壓強度校核與此相似，不再贅述。經過校核，擋圈剪切及擠壓強度均滿足要求。

改造后的安裝方式為：將整體法蘭推入爐管，之后將兩個半圓卡環放入爐管卡槽內，拉緊法蘭，緊固兩個法蘭上的4個螺栓即可安裝到位。

相比前兩次改造，該結構具有如下優點：

(1)采用整體法蘭連接結構，連接的剛度提升，密封性能明顯增加。

(2)出料端安裝位置使得法蘭連接面溫度明顯下降，避免了連接兩個活套法蘭的緊固螺栓不會再出現疲勞失效造成緊固力下降。

(3)螺栓緊固后力的作用線沿爐管軸向，將兩個爐管端面拉緊，而并沿爐管徑向的分力，可以使得爐管本體自由旋轉，爐頭管自由調整，消除了由此產生的剪應力。

(4)該結構安裝方面，同半圓法蘭結構相比，少緊固2個螺栓，而兩側法蘭安裝時的對正也更容易實現。

(5)法蘭受理結構更均衡，避免了半圓法蘭螺栓緊固時極易拉偏的現象，法蘭通過兩個半圓擋圈傳遞給爐管連接端面沿爐管軸向的拉緊力更加均衡，消除了局部受力的現象。

同半圓法蘭結構相比，該結構安裝更為簡捷，且法蘭剛度明顯提升，爐管對接的拉緊力更加均衡，消除了局部受力的現象。同時由于消除了半圓法蘭螺栓沿爐管徑向的拉緊力，爐管(本體)部分旋轉更加自由，在滿足連接氣密性的同時，爐頭扭曲現象基本得以解決。

4 應用效果及結論

從焊接結構到單側半圓法蘭結構以及雙側半圓法蘭結構、變更接口位置采用織物和密封膠混合填充，以及后續的采用整體活動法蘭連接形式，體現了技術人員對十八管還原爐進出料端爐頭管連接方式探索與改進的過程。

近4年的生產實踐證明，采用整體活動法蘭連接方式可以在解決進出料端爐頭管爐頭扭曲的同時，保證連接的剛度與氣密性。該結構也明顯降低了現場安裝施工的難度和工作量。在其他影響因素未發生明顯變化的情況下，系統補充氫氣流量由改造前的110Nm3/h降低為85Nm3/h，氫氣單耗也由改造前的1 450/m3/t降低為1 082m3/t。利用專業儀器進行檢測，法蘭上方的最大氫氣濃度由改造前的約130mg/kg降低到了現在的3～6mg/kg，效果十分明顯。

[1] 張為國,李 毅,張 雷.轉化爐爐管彎曲的原因分析和對策[J].煉油與化工,2009,20(3):23-24.

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EXPLORATION AND IMPROVEMENT OF THE FURNACE TUBES CONNECTION TYPES OF THE MULTI-TUBES MATERIAL REDUCTION FURNACE

FU Shao-jun

(Metal Branch,Jinduicheng Molybdenum Co.,Ltd.,Xi,an 710077,Shaanxi,China)

The multi-tubes material reduction furnace is main technological equipment of the 500t/a molybdenum powder production line used for secondary reduction process, which was introduced by JDC from the USA. Because of the factors such as the length of the furnace tubes, the material density and the temperature field are not uniform, the furnace tubes deform and leak easily. Technician have probed on the connection types of the head tubes and the body tubes for many times and finally got the improvements. Facts have shown that using whole flexible flange connection could resolve the distortion problems while ensure the connection strength and air tightness.

furnace tube; twist; connection; improvement

2016-10-09；

2016-11-10

付紹軍(1983—)，男，機械工程師。E-mail:fushaojun1983@163.com

10.13384/j.cnki.cmi.1006-2602.2017.01.011

TF806.9

A

1006-2602(2017)01-0045-05