碳化爐冷卻裝置損壞原因分析及改進

潘 登

（自貢硬質合金有限責任公司，四川自貢 643011）

0 引言

生產碳化鎢使用推板爐結構的電加熱碳化爐，該爐全年持續在高溫狀態連續進出料工作。生產需要先將鎢粉與炭黑的混合物原料裝入石墨舟皿，然后將石墨舟皿依次串列地推入碳化爐內，加熱到1400 ℃以上發生碳化反應，反應生成的碳化鎢產品及舟皿（以下簡稱舟皿）需要冷卻到室溫才能出爐，通常在碳化爐的爐管出料端串聯一個換熱效率高的冷卻裝置對舟皿實施冷卻。當串列的舟皿依次慢速通過該冷卻裝置時，冷卻裝置內流動的冷卻水會將舟皿的熱量帶走，實現對舟皿的快速降溫。

1 常用碳化爐冷卻裝置的結構

常用的碳化爐冷卻裝置一般采用夾套式換熱器的結構形式，如圖1 所示：冷卻裝置右法蘭與碳化爐加熱區連接，左法蘭與碳化爐出舟口連接，左、右法蘭與金屬爐管及外套兩端焊接形成夾套水冷結構，即通過外套內的冷卻水可以冷卻金屬爐管的外表面；金屬爐管右端沉孔內襯硅酸鋁纖維疊塊及剛玉爐管，硅酸鋁及剛玉均為隔熱材料，避免了剛從加熱區出來的高溫舟皿直接接觸金屬爐管底部而引起其劇烈的熱變形，筋板焊接在外套內表面對金屬爐管起到支撐作用。為避免金屬爐管出現微裂紋時冷卻水在壓力作用下滲入金屬爐管內，外套采用了頂部開放式水箱結構，外套內的冷卻水從排水口自然溢出，冷卻水不會產生通常承壓式水箱的排水背壓，其頂部由活動蓋板罩住防止雜物進入。

圖1 碳化爐常用冷卻裝置

2 問題及根本原因分析

夾套式冷卻裝置存在金屬爐管使用壽命短、容易開裂漏水的問題。為了壓縮碳化爐長度，硅酸鋁纖維疊塊及剛玉爐管組成的緩冷段的長度較短，舟皿直接接觸到金屬爐管金屬內壁時溫度通常還在700 ℃以上，當熾熱的舟皿接觸到金屬爐管的金屬內壁引起局部高溫時，相應位置金屬爐管的外壁由于循環冷卻水的作用溫度較低，金屬內壁受熱膨脹，而金屬外壁不膨脹，內外壁各部分之間的相互約束，使外壁不能完全自由脹縮而產生應力[1]：冷卻速度慢的爐管內壁側產生壓應力，冷卻速度快的外壁側產生拉應力[2]。

每間隔一段時間就會有一個舟皿出爐進入冷卻裝置，當一個熾熱的舟皿推進到達冷卻裝置的金屬爐管時，爐管金屬壁就被迅速加熱升溫，由于冷卻水帶走大量熱量后溫度又迅速下降，一列舟皿逐個間歇通過冷卻裝置時，溫度反復變化，熱應力也隨著反復變化[3]。金屬爐管承受循環作用的交變熱應力，在長期的交變熱應力作用下，金屬爐管表面就會產生疲勞開裂破壞，當裂縫逐漸擴大時就會造成金屬爐管漏水[4]。

舟皿和冷卻水之間只隔一層金屬壁，一旦產生破裂，漏水發生在金屬爐管內部，水漏入金屬爐管內遇見熾熱石墨材料的舟皿將會迅速反應生成水煤氣（反應式：高溫C+H2O=CO+H2），引起石墨舟皿非正常消耗。初期少量的漏水不能通過冷卻裝置外表發現，往往由于漏水嚴重引起爐內產生大量的可燃氣體（CO+H2），出料時打開爐門可燃氣體遇見空氣就可能發生爆燃，因此普通的夾套式冷卻裝置安全性差，該冷卻裝置使用壽命不足半年即需更換。

3 改進方案

冷卻裝置改進后的結構如圖2 所示：右法蘭與碳化爐加熱區連接，左法蘭與碳化爐出舟口連接，左、右法蘭與金屬爐管兩端焊接，纏繞管由金屬管預熱到600～650 ℃后密集纏繞在金屬爐管外表面，金屬管在纏繞過程中與爐管斷續焊接，焊接時爐管內部通水冷卻，保證爐管壁金屬板不會被纏繞管傳導的熱量加熱發生與纏繞管同向的熱膨脹。纏繞焊接完成后，貼合爐管的纏繞金屬管自然冷卻過程中發生收縮，對金屬爐管形成擠壓，在金屬爐管壁內部形成壓應力，這種預制壓應力在纏繞管制作完成后成為固有應力，始終存在于金屬爐管壁上，在金屬爐管壁上形成大而深層的殘余壓應力可以提高疲勞強度[5]。

圖2 碳化爐新型冷卻裝置

在剛接觸到熾熱的舟皿時，金屬爐管內外壁存在較大溫差，也會在外壁側產生容易造成裂紋的拉應力，但由于纏繞管產生的預制壓應力的存在，外壁產生的拉應力會被作用方向相反的預制壓應力抵消。同時，金屬爐管與表面的纏繞管焊接成一體后，等同于加大了金屬爐管的壁厚，提高了金屬爐管的機械強度，舟皿帶來的循環熱沖擊不容易使金屬爐管產生形變和破壞。因此，新型冷卻裝置具備較強的抗交變熱應力能力。

在纏繞管纏繞焊接完成后的冷卻過程中，金屬爐管的轉角處容易出現應力集中造成開裂，金屬爐管的設計轉角應避免直角或銳角，在金屬爐管的轉角處做45°方向的直線段過渡連接，并在由此形成的135°鈍角上做圓弧過渡處理，分散了應力作用方向，避免應力集中以提高疲勞強度[6]。改進后的纏繞管在施工中不易變形，使該冷卻裝置非常容易制作成功。

新型冷卻裝置使舟皿和冷卻水之間間隔了兩層金屬壁，即便萬一出現纏繞管漏水的情況，漏水也只會流到金屬爐管的外壁上，容易及時發現。改進后的碳化爐冷卻裝置安全可靠，使用2 年以上沒發現任何泄漏。

4 結論

在金屬爐管表面采用熱纏繞管的方式可形成預制殘余壓應力，這種殘余壓應力可有效抵消對金屬爐管具有破壞作用的交變熱應力。采用分散應力的金屬爐管結構簡單、加工制作容易，并延長了碳化爐冷卻裝置的使用壽命。