TD500型石灰窯卸灰抽屜的材料及結構優化

方養吾

(寶鋼工程技術集團有限公司 上海 201900)

1 前言

石灰是鋼鐵、塑料兩大基材的重要輔料及基本原料，在工業廢水處理、垃圾焚燒、煙氣脫硫等環保領域有巨大的市場前景，作為性價比最高的堿性氧化物及其高鈣特性，石灰還廣泛應用于高速公路、高鐵、建筑業、工業(有色、造紙、制糖、純堿、食品、醫藥、建材制品)、農業等領域，是重要的基礎原材料[1]。

在冶金工業中，石灰作為冶煉生產過程中的重要熔劑和造渣材料，隨著鋼鐵冶金技術的精細化，要求石灰具有較高的活性度和較低的含硫磷量，即要求使用活性度高的石灰[1]。

TD500型石灰窯是一種國際上比較先進的雙膛窯石灰生產窯型，其熱耗低、生產石灰活性度高。國內一個電石生產企業建設了TD500型石灰窯生產線，在投產半年后，出現卸灰抽屜框架主梁斷裂變形等問題，造成生產暫停，封窯檢修。

2 卸灰抽屜機構及工作原理

卸灰抽屜機構主要由導料槽、液壓推拉裝置、抽屜板、上層輥輪、下層輥輪、中間連接框架等幾部分組成，詳見圖1。

整個卸灰抽屜是支撐在底部支撐框架上的，通過上下2層輥輪和中間連接框架的垂直布置，上部抽屜板通過液壓缸驅動可以實現前后及左右移動，移動的行程設為160mm。工作時，油缸分別按順序運行推拉動作，完成下料工作，液壓式卸灰抽屜將焙燒好的石灰沿橫斷面四周間隙均勻排向下部的石灰冷卻料斗。出料裝置下部共分上、下兩層輥輪，在水平面形成垂直布置，兩層垂直布置是為了最大限度地保證窯內四周下料間隙的均勻合理，液壓缸推拉速度和行程都可以調整，達到控制出料速度的目的，保證了工藝調整產量的需要。

圖1 出灰系統結構圖1-底部支撐框架;2-下層輥輪;3-中間連接框架;4-上層輥輪;5-液壓推拉裝置;6-抽屜板;7-導料槽;8-窯殼底部

名稱結構及材料簡要支撐輥輪裝配1、鋼板間長度372mm2、頂板間長度272mm滾輪板1、總長度340mm;2、開槽長度65;3、材質Q235B滾輪1、有中間螺紋孔;2、材質45#頂板1、齒條直角過渡;2、中間孔Φ18;3、材質Q235B;4、厚度30mm下部抽屜板材料為Q235B中間連接框架1、材料為Q235B;2、鋼板厚度一般為20mm上部抽屜板材料為Q235B下部臺車框架框架為H型鋼焊接,材料為Q235B

3 現場調查及要因分析

TD500型石灰窯在投產半年后，出現卸灰抽屜抽動卡阻困難，經檢查發現，抽屜上面出現體積巨大的結塊料，且表面發紅，溫度大約500℃左右。抽屜板下框架與驅動液壓缸連接處的中間梁斷裂，另一側中間梁也已發生蠕變。

抽屜內物料清空完后。發現物料結塊尺寸目測2.5m×3m×1m。且夾雜大量類似石英石材質的石塊。

據原料車間反饋石灰窯從2013年元月投產至今，抽屜的運行情況很不理想。四年來，抽屜大梁及連桿斷裂的事故頻繁。尤其是2016年11月和12月期間，短短兩個月內抽屜和連桿處發生斷裂的次數多達22次，嚴重制約了石灰窯的連續、穩定運行。針對以上出現的情況，重點從窯體結構和窯生產工況2個方面進行了故障原因分析。

3.1 窯生產工況

通過檢查生產歷史數據，結合工藝生產條件等方面分析原因，主要有以下幾點：

1)石灰石原料狀況：工藝要求供生產的石灰石原料粒度為40-80mm(其中20-40mm≤5%，90-120mm≤5%)，但通過抽檢原料倉內的石灰石小于20mm的細料量超過了10%。塊料表面附著較多粉料。窯內部粉料太多影響了窯內內部的空氣流動，窯體內不同截面溫度相差較大，易造成局部結塊，也嚴重影響了石灰的整體質量。冷卻風氣流傳遞不均勻，石灰冷卻效果差，導致石灰到達抽屜位置時溫度過高。

經過檢測發現原料中硅(Si)含量超過2%，且石灰石原料夾雜了大量雜石。通過高溫煅燒，SiO2和石灰石反應生成硅酸鈣，物料結塊增多，增大抽屜動作阻力。

2)生產操作：在正常生產時窯體通道處溫度為1050℃，卸灰抽屜處的溫度應控制在150℃以內(最好在100℃左右)。通過檢查歷史生產數據，通道處溫度最高達到了1300℃左右，卸灰抽屜處溫度高于250℃，過高的溫度造成卸灰抽屜框架結構屈服強度性能降低，在液壓缸的反復推拉作用下導致變形斷裂。

3.2 窯體結構

表2 TD400和TD500卸灰抽屜參數表

通過對比表1中國內TD400型和TD500型石灰窯，TD400型窯在國內卸灰抽屜基本沒有出現故障。得出如下結論：

1)TD400石灰窯抽屜上部是一個錐體，錐體角度為23°，分散了對抽屜的承重。TD500石灰窯的抽屜上部是柱體，滿膛石灰石的重量全部壓在了抽屜上。

2)TD500型石灰窯比TD400型石灰窯卸灰抽屜結構強度低。

3)石灰窯抽屜的滾輪主要起兩個作用，一是支撐抽屜，二是對抽屜的動作起導向作用。TD500的滾輪中心距較大，抽屜的抗彎強度小，更易導致變形。

由表2比較得出，500TPD D型石灰窯抽屜結構比其低產量窯型的抽屜結構單薄，為此，根據不同的工況對結構進行了分析，分析結果如下[3]：

a) 應力大的部位主要發生在框架連接處。整體應力云圖如圖2所示。

b) 上部抽屜板應力云圖如圖4所示，圖中圈出所示處應力最大為375MPa，受力變大是因為上部抽屜板受到與框架運動相反的摩擦力的作用。

c) 中間框架應力云圖如圖4所示。最大等效應力發生在型鋼圓角處，最大183MPa。

d)液壓推拉裝置連接處框架應力云圖如圖5所示。最大等效應力發生在型鋼連接匯集處，最大246MPa。

根據以上分析結果總結如下：

圖2 整體應力云圖

圖3 上部抽屜板max375MPa應力云圖

a )上部抽屜與框架連接部位及液壓推拉裝置連接處框架強度薄弱，在重力與摩擦力引起的傾覆壓力作用下，可能會破壞。見圖6上部抽屜應力分析圖。

圖4 中間框架max183MPa應力云圖

圖5 液壓缸連接處框架max246MPa應力云圖

圖6 上部抽屜板應力分析圖

b) 中間框架梁四周型鋼及液壓推拉裝置連接處框架交匯處應力過大，液壓推拉運動時可能發生破壞。見圖7下臺車框架應力分析。

4 對策和措施

根據對以上工況和卸灰抽屜原因分析，對生產工藝優化控制和結構設計進行改進。

1)石灰石原料粒度要確保在40-80mm范圍內(其中20-40mm≤5%，90-120mm≤5%)。

2)卸灰抽屜溫度要控制在150℃以下。

圖7 下臺車框架應力分析圖

3)石灰窯投運以來，已更換過一次卸灰抽屜，在第二次更換抽屜時，對抽屜結構框架和H型鋼均作了加強，材質也由原來的Q235B改為Q345B，投運后曾穩定運行了半年時間，這說明加強抽屜結構的思路是正確的。在抽屜高度受到限制的前提下，繼續增加H型鋼的強度，建議將H200型鋼的腹板厚度確定為25mm，翼板厚度確定為20mm。液壓推拉裝置連接對板處厚度確定為30mm，焊接處做消除應力集中的處理措施。

圖8 增加23度出料裙板

4)參照TD400石灰窯的結構，將出料裙板按23度角往里收縮成錐型，分散物料對抽屜的正壓力。詳見圖8。按照出料料裙板收縮后的實際尺寸，同比例縮小抽屜板的面積，并將縱、橫向支撐滾輪的中心距同步往里收縮，以增強抽屜的抗彎曲強度。

5)增大滾輪限位塊和限位齒條的間隙，減輕運行中的摩擦啃齒現象，降低運行阻力。

5 結論

根據現場工況和抽屜結構對故障的影響；介紹了TD500型石灰窯卸灰抽屜的結構和材料情況，并提出有效優化措施。經過2年半的生產實際考核，卸灰抽屜未出現故障，滿足了穩定生產的需要，為其它石灰窯型卸灰抽屜設計及故障的解決提供了一定的參考。