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回转窑筒体裂纹的原因分析及防范措施

信息来源:发布时间:2021-03-13阅读:544

一、引言

随着窑外分解技术的成熟,水泥大型装备的不断研发和机械制造业的提升,为水泥单线生产能力的扩大提供了条件,日产 10000 吨的熟料生产线在我国已投运多年,日产 5000 吨的熟料生产线已成为生产主力。但由于设计、制造、安装、维护、配料等方面的原因,很多回转窑在投运不长的时间内,便出现了筒体裂纹,特别是回转窑过渡带的筒体裂纹,给生产企业造成了不小的损失,为此,笔者根据自己的经验,分析了回转窑筒体产生裂纹的主要原因,提出了针对预防裂纹的具体措施,望能对水泥设备管理者起到借鉴作用。

二、回转窑易产生裂纹的部位及形式

回转窑裂纹的部位及形式较多。裂纹的部位多发生在轮带、大齿圈两侧的焊缝处以及其它筒体焊缝的两侧,当前裂纹最多的发生在回转窑过渡带筒体上,且一旦开裂,修复的经济性、可靠性较差,即不具备修复性,必须更换筒体。裂纹的形式也有多种,但归纳起来有三种,即纵向裂纹、环向裂纹以及不规则裂纹。纵向裂纹多发生在轮带下筒体的垫板及挡块和筒体的焊缝处;环向裂纹多发生在轮带两侧的过度筒体的焊缝处,以及回转窑过渡带的筒体焊缝处,还有大齿圈下筒体与弹簧板的焊缝处。不规则裂纹多发生在回转窑的喂料、出料的筒体开口处,目前该类窑型因已淘汰而不多见,故在下文中不再赘述。

三、回转窑筒体产生裂纹的原因分析

回转窑是多点支撑、重载低速的热工设备,受力复杂,引起裂纹的因素较多,涉及设计、制造、安装、检修维护、管理诸多方面。现就产生裂纹的主要原因进行分析。

3.1 纵向裂纹形成的原因

纵向裂纹多发生在轮带下筒体与垫板或挡块的焊缝处,一般由外及里且沿轴向延伸形成纵向裂纹,甚至开裂。究其原因主要由四个方面造成。首先是设计时筒体板材厚度选择较薄,我们知道回转窑要求横刚纵柔,若板材厚度不足,就难以保证其横向刚度,所以筒体在自重和托轮支撑反力的产生的交变应力和脉冲应力的作用下,易使材料产生疲劳,达到一定条件后,裂纹便会在该处比较薄弱的焊缝热影响区形成,即筒体与挡块或垫板焊缝处形成,并在径向上由外向内发展、在轴向上左右延伸,形成纵向裂纹。在设计方面的另一个问题就是垫板或挡块厚度和宽度不当,宽度过宽或厚度过厚,使得该处刚度过大,其它地方较小,运转中挡块会阻碍筒体因自重产生的径向自由弯曲变形,且挡块或垫板越厚、越宽,阻碍越大,应力集中俞严重,一旦超过强度极限,便会产生裂纹。

在制造方面,个别制造商为了追求企业利润,在选材上选择小厂产品,板材厚度负差较大,机械性能指标、危害元素含量指标得不到保证,很难保证回转窑在恶略环境下的运转可靠性。有的水泥企业为了降低建厂投资,不惜牺牲设备质量为代价,选用不完全具备生产回转窑能力的机械厂制造回转窑,使得焊缝质量、板材质量没有保证,结果是设备投运后,事故频繁,损失巨大。

在安装方面,往往只注意窑的冷态精度,而忽略了长期运转下的热态精度,如生产中轮带、筒体、托轮等各档温度不同,其中心高的升高量也不一致,造成回转窑运转时各档中心不在一条直线上,难免各档轮带的受力发生变化,中心高抬升较高的吃力就大;再者,由于中心线发生了变化后,轮带在整个宽度上的受力便出现不均,一侧受力大,另一侧受力小,这些变化会引起局部受力超出设计范围,甚至超过强度极限,致使筒体在焊缝的热影响区产生裂纹;另外安装时,为了施工方便,在筒体上随意焊接如起吊环等之类的物件,用过后也不按要求切除,不但损伤筒体强度,还会造成应力集中,致使筒体产生裂纹。

在生产维护方面更为突出,比如一旦窑瓦发热,不分析原因,只管对发热瓦进行退瓦卸载,很少考虑退瓦卸载后,其均匀分布在轮带上支撑反力会集中落在轮带的一侧,传到筒体上就会产生局部过载而引起裂纹;有的企业为了治理瓦发热,不惜重金聘请江湖郎中,从不看窑况、从不分析大瓦发热的原因,偏方偏治,只知卸载,结果是窑况一变、专家一走,瓦又发热,致使窑不能长期稳定运行,为什吗有的窑能耗高、易产生裂纹,应该与之关系很大。还有些单位对轮带间隙重视不够,当轮带间隙过大时,若不及时调整垫板厚度,实际上就相对削弱了轮带对筒体的加固加强作用,筒体与轮带的接触面积和接触包角都相对减少,筒体椭圆度增大,局部应力增大;再者就是对筒体降温方法不当,即当筒体温度高时,无论筒体温度有多高,无论轮带间隙有多大,即以强风或喷水冷却,使筒体温度急剧下降,此时筒体金属母材内外就会产生较大温差,结果是筒体表层应力成倍增长,极易产生裂纹,危害极大。另外就是对已产生的裂纹处置不当,在挡块与筒体焊缝处产生裂纹后,为了求得方便,在窑的顶部对裂纹进行焊接处理,而不选择应力零的筒体中心线以上的处 45°施焊,虽然保证了焊缝质量,但却增加了一倍的焊接应力,结果是裂了焊,焊了又开。还有就是在窑皮的不均匀垮落后,由于筒体环向温差较大,必然引起筒体弯曲,偏离中心线的绕曲运行,必然使轮带下筒体局部应力剧增,在挡块与筒体焊缝处产生裂纹。

3.2 环向裂纹形成的原因

环向裂纹与纵向裂纹一样,形成的原因也是多方面的,与筒体厚度及焊接质量息息相关。环向裂纹多发生在轮带两侧的过度筒体的焊缝处、大齿圈弹簧板与筒体焊缝处,还有就是回转窑过渡带的筒体上。裂纹的原因有以下几个方面。

3.2.1 轮带两侧过度筒体裂纹的原因

我们知道轮带下筒体厚度多在中间段筒体厚度的两倍以上,若轮带下筒体与中间段之间的过度筒体厚度选择不当,则托轮通过轮带传到筒体上的支撑反力,使筒体的变形就很难平缓的过度到一般筒体上,那么应力也很难扩散,应力集中在所难免,由于焊缝强度高于母材强度,裂纹便会在焊缝边缘的热影响区形成,并在交变应力的作用下沿着环向延伸。其二是厚板与薄板的过度坡度不适,小于一比五,支撑反力使筒体的局部变形也很难实现平缓过度,必然形成应力集中。其三是焊缝质量的影响,有的企业误以为筒体焊缝饱满就是焊肉越多越好,焊得越高越结实,殊不知焊缝越高,刚度越大,对母材的影响也越大,应力集中越严重,越容易形成裂纹;当然其它的焊缝缺陷如夹渣、微裂纹、未熔透、咬边等,也是应力集中的发源地,是产生裂纹的重要因素。

3.2.2 大齿圈弹簧板与筒体焊缝处裂纹形成的原因

大齿圈弹簧板与回转窑筒体的焊缝处也易产生环向裂纹,主要原因有三个方面,第一,大齿圈所在筒体偏薄,而弹簧板偏厚,造成筒体刚度小,弹簧板刚度大,其结果是设备运转中,弹簧板不能通过变形来消化缓解外来应力,相反较薄弱的筒体则通过变形吸收了外来应力,如大小齿轮啮合的径向力、筒体及弹簧板因温度升高产生的压应力会通过筒体变形吸收,久而久之,在焊缝的热影响区就会产生裂纹;其二,大小齿轮安装时顶隙过小,咬根顶齿,造成巨大的径向力,通过大齿圈传到筒体焊缝上,若超过了忍耐极限,便会产生裂纹;其三,当窑弯曲严重时,会破坏大小齿轮的接触状态,一侧吃力,一侧不吃力,会使得弹簧板的一侧焊缝受到拉、压应力的双重作用,危害焊缝;另外筒体弯曲时,齿轮顶隙会一边大一边小,转到较小的一侧时时,径向力增大,窑体的弯曲还会引起振动,产生附加载荷,促进裂纹的产生。

3.2.3 回转窑过渡带筒体产生裂纹的原因

近些年来,很多预分解窑在过渡带产生了裂纹,不得已进行筒节更换,不但增加了巨额的备件费用,也会因更换筒节时间较长而耽误生产,给生产企业带来巨大的经济损失。过渡带筒体产生裂纹的主要原因是应力腐蚀,由于过渡带筒体无致密窑皮的保护,该处火砖很难把炙热的腐蚀性气体、碱性物料与筒体完全隔离,生产中碱性气体、碱性物料就会通过砖缝与金属筒体接触而发生化学反应,腐蚀筒体,据相关资料介绍,预分解窑在该处的年腐蚀量超过 0.5mm,若停窑频繁、配料不当,年腐蚀量会成倍甚至几倍增加,用不了几年,筒体的厚度减少量就会超过百分之三十,所以个别窑仅运行几年就会因筒体变薄而裂纹就是这个道理,裂纹的形式多为环向,但有时也因腐蚀麻坑的形式产生不规则裂纹。这是筒体应力与腐蚀作用的综合结果,断口形式表现为脆断,裂缝中多夹有氧化皮,该处一旦出现裂纹,发展很快,不易控制,必须引起业内人士的高度重视;其二是由于该处筒体温度较高,也削弱了筒体强度,不规则的腐蚀麻坑及焊接缺陷必然造成应力集中,这也是该处产生裂纹的重要因素。

3.3 筒体温度过高引起的筒体开裂
回转窑作为热工设备,内部火焰温度可达 1700 度,尽管筒体受火砖及窑皮的隔热保护,传到筒体表面的温度也很高,煅烧带筒体在无窑皮的情况下,即便是新砖,筒体温度也可达到 450 度左右,这就极大地削弱了筒体强度,若窑在较高温度下长期运行难保筒体不产生裂纹,特别是在掉砖红窑的情况下,局部筒体会失去强度,失去抵抗外力的能力,此时若措施不当,如在高温区进行强力通风甚至洒水降温,会使筒体急剧收缩而产生裂纹,因为金属在高温下的收缩量可达到膨胀量的 2 倍左右,有的企业在掉转情况下,进行热态压补,往往是补了又掉,掉了再补,结果是窑皮没补上,反而伤害了筒体,造成筒体严重变形甚至开裂,有的变形甚至达到了火砖无法再砌的程度,不得已更换筒体,劳民伤财,实不可取。还有一种情况,即焊缝一侧温度高,一侧温度低,两侧膨胀互相限制,便在焊缝处产生较大的拉应力,一旦超出强度极限,裂纹随之而生,并沿着焊缝方向进行延伸。

四、回转窑裂纹的预防措施

以上对回转窑筒体裂纹产生的主要原因进行了简单分析,以下是预防筒体裂纹的具体措施。

4.1 纵向裂纹的预防措施

如前所述,回转窑纵向裂纹多发生在轮带垫板或挡块与筒体的焊缝处,产生裂纹的主要原因是筒体刚度不足、温度应力较大以及附加应力等因素,所以在回转窑的设计制造过程中,应适当加大筒体厚度,据相关资料介绍,轮带下筒体厚度应不低于筒体公称直径的百分之一点五,浮动垫板的挡块厚度不宜大于筒体厚度的百分之五十,挡块宽度不宜大于 200mm,以降低因支撑反力引起筒体不均
匀变形而产生的附加应力和温度应力;垫板面积不宜低于轮带内孔表面积的百分之六十,挡块与筒体焊缝高度应控制在挡块厚度的百分之六十左右,且不得存在咬边等缺陷,避免局部应力集中而破坏筒体;在安装过程中,不但要考虑冷态精度,更要考虑运转时的热态精度,要预测各档轮带的运转温度,计算出各档中心热态时的升高量,并进行安装调整,使回转窑在长期的运转中,各档受力大小接近设计水平,避免因各档中心升高不同造成某档受力过大而产生裂纹;在生产维护中,要保护好窑皮及火砖,防止筒体因环向及轴向温差过大,引起筒体弯曲,避免因局部筒体热胀冷缩受到相互牵制而产生附加应力;在回转窑故障时,如瓦发热,切不可不分析原因,只管卸载,防止回转窑筒体偏离中心线,同时也不能在红窑或筒温过高时对筒体进行急剧降温。

4.2 环向裂纹的预防措施

回转窑环向裂纹易发生在轮带两侧筒体的过度筒节、大齿圈弹簧板与筒体的焊缝处,为了防止裂纹,在设计制造时要充分考虑该处筒体厚度,轮带两侧筒体的过度节厚度应接近于轮带下筒体厚度与中间节筒体厚度的平均值,以利于因支撑反力造成筒体变形,过度平缓而自然,以利于应力的扩散,减少应力集中;关于大齿圈下筒体与弹簧板焊缝处的裂纹预防,关键是要保证筒体刚度大于弹簧板刚度,大齿圈下筒体厚度应不低于筒体公称直径的百分之一,弹簧板的厚度易取筒体厚度的百分之六十左右,把弹簧板的变形作为消化外力的手段,缓解外力对焊缝的伤害;在生产维护中也要尽力保证筒温纵向、环向温差小于 50 度,保证筒体的直线度,减小因筒体弯曲引起的附加载荷,减小因温差较大造成的附加应力;同时也不能为了检修或其它方面的方便,在筒体上遂意施焊造成筒体的损伤或造成应力集中,若必须在筒体上施焊时,一定要采取措施,并在用后按规范切除焊件,并焊件根部打磨干净,达到光滑自然的状态。

4.3 回转窑过度带裂纹的预防措施

过渡带的筒体开裂,主要原因是筒体遭到窑内碱性气体、碱性物料的腐蚀后筒体变薄所致。所以首先要考虑碱性物料与金属筒体的隔离,避免其直接接触,以减少碱性物料对筒体的腐蚀,其措施有几个方面,一是可在筒体内表面粉刷高温防腐涂料,使二者隔离;二是通过火砖湿砌,使湿砌包浆,消除砖与砖之间的缝隙,砖与筒体间的缝隙,把碱性物料与金属筒体隔离开来,减少筒体在存在应力下的与化学腐蚀,延长筒体寿命;也可通过提高筒体厚度的方法延长筒体寿命,如:把筒体厚度提高到筒体公称直径的百分之零点七。

4.4 筒体裂纹的其它预防措施

除了以上裂纹主要预防措施外,其它措施也不可忽视。如保护窑皮、保护火砖,防止筒温不均或过高,保证筒体材料机械性能,保证运转状态下的筒体直线度,减小附加载荷;正常控制窑体上下串的速度,严禁加速顶窑;防止大小齿轮咬根,增加径向顶力等等。若窑筒体已出现裂纹,应及时打止裂孔,并进行有效焊接,阻止裂纹延伸;同时施焊位置应选择在该处筒体横向中心线以上的 45 度方向;对于过渡带的筒体裂纹,若检测到筒体已遭到腐蚀,且腐蚀量已达到筒体厚度的百分之三十左右,要做更换筒体准备,不然可能会引起大的事故。

五、结束语

本文分析了回转窑筒体裂纹的主要原因,提出了裂纹的预防措施,旨在引起同行们对回转窑裂纹的重视,特别是近些年来出现最多、损失最大的过渡带筒体裂纹;要坚持每年对回转窑筒体中心线及筒体厚度进行检查,把握筒体寿命;尽力减少因调整而对筒体产生附加载荷等。在此也提醒读者,由于笔者理论水平和实践经验有限,文中难免有不适之处,望给予批评指正。

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