新疆天山水泥股份公司4號(hào)窯是國(guó)家建材局于上世紀(jì)80年代末，點(diǎn)菜拼盤引進(jìn)國(guó)外洪堡、富樂(lè)等公司先進(jìn)技術(shù)建設(shè)的2000t／d預(yù)分解窯水泥生產(chǎn)線，在國(guó)內(nèi)率先引進(jìn)采用了洪堡公司的Φ4m×43m超短窯，生料和水泥磨上分別采用洪堡和富樂(lè)公司輥壓機(jī)。該生產(chǎn)線自1992年投產(chǎn)至今，其各項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)在國(guó)內(nèi)仍比較先進(jìn)。

  4號(hào)窯于2008年1月20日上午發(fā)生自2號(hào)輪帶至窯尾節(jié)處窯體斷裂、窯尾節(jié)掉下窯臺(tái)的重大事故，在國(guó)內(nèi)也屬首次。本文就其原因進(jìn)行了分析。

  事故經(jīng)過(guò)：2008年元月20日凌晨檢修完畢，早8：30時(shí)將窯內(nèi)后窯口保溫火爐撤掉，準(zhǔn)備點(diǎn)火。10：38時(shí)用油點(diǎn)火，10：53時(shí)給煤1t，油煤混燒，火焰形狀不理想，將喂煤減到0.5t，0:55時(shí)火焰正常，逐步加煤，0.5～1.0～1.5t，尾溫從130℃升到380℃ ，火焰正常，燃燒充分，沒(méi)有閃爆現(xiàn)象。11：08時(shí)發(fā)生窯筒體瞬間斷裂的事故。

  事故發(fā)生后公司非常重視，當(dāng)即邀請(qǐng)了天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院和新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院專家對(duì)事故進(jìn)行分析研究，初步認(rèn)為造成此次事故的原因是：在有初始裂紋、20g材質(zhì)在環(huán)境溫度較低的情況下，因外力作用發(fā)生低溫脆性斷裂所致。

  后將斷裂部分取樣送國(guó)家鋼鐵研究總院測(cè)試中心對(duì)簡(jiǎn)體斷裂事故原因進(jìn)一步作定量分析，包括斷口分析、材料化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、硬度的測(cè)試等；最終鋼研總院給出了非常詳細(xì)的分析報(bào)告。4號(hào)窯筒體斷裂源區(qū)位置斷裂前存在有總長(zhǎng)近800mm的裂紋缺陷，經(jīng)過(guò)補(bǔ)焊但焊接質(zhì)量不良，最初裂紋沿補(bǔ)焊處兩側(cè)縱向開(kāi)裂，向兩端擴(kuò)展一定長(zhǎng)度后分叉，逐漸在重力的作用下轉(zhuǎn)向環(huán)向擴(kuò)展，直至筒體斷裂掉下窯臺(tái)。4號(hào)窯筒體屬于在大尺寸缺陷基礎(chǔ)上產(chǎn)生的低溫脆性斷裂，在材料溫度較低的條件下受到動(dòng)載荷直接導(dǎo)致發(fā)生快速脆性斷裂，在最終發(fā)生低溫?cái)嗔亚?，缺陷?jīng)歷過(guò)腐蝕損傷、熱焊損傷和裂紋疲勞等擴(kuò)展過(guò)程。

  鋼研總院報(bào)告總結(jié)有以下原因：

  (1)初始裂紋處有缺陷，母材腐蝕損傷；

  (2)溫度較低，發(fā)生低溫脆裂；

  (3)受重力影響，造成整個(gè)窯體斷裂。

  1  窯筒體腐蝕問(wèn)題

  水泥回轉(zhuǎn)窯在工作時(shí)，幾乎所有的原料和原煤(新疆是高硫地區(qū)，煤質(zhì)中硫含量在3％～15％左右)中都含有一定量的氯、硫、磷等腐蝕性氣體，這些腐蝕氣體被汽化后，在窯內(nèi)循環(huán)，與筒體母材中的鐵離子發(fā)生反應(yīng)，腐蝕筒體，筒體母材減薄，并且改變筒體的機(jī)械性能。

  新疆廠有多種窯型，其中3號(hào)窯是國(guó)內(nèi)第一條窯外燒煤的700t/d,Φ3m×45m分解窯，從1981年6月投產(chǎn)至今。在每次換磚時(shí)都能發(fā)現(xiàn)窯體掉氧化皮，厚度為0.2～0.7mm左右。大牙輪是整體與窯筒體密封的，在大牙輪處掉皮尤其嚴(yán)重。該窯是箱型輪帶散熱較好，輪帶下筒體氧化一般。

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  在1987年發(fā)生大牙輪處簡(jiǎn)體出現(xiàn)裂紋，長(zhǎng)約700mm，簡(jiǎn)體材料為A3鋼，通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)大牙輪處筒體厚度原為25mm，而實(shí)際測(cè)量寬度900mm的大牙輪處平均僅為14rnm，裂紋處為最薄只有6.5mm。大牙輪外其余筒體也有不同程度的減薄，為20～22mm，但相對(duì)較少。分析原因是原窯體安裝時(shí)在大牙輪段為馬蹄口，窯體中心不同心，大牙輪震動(dòng)較大，極易掉磚，導(dǎo)致產(chǎn)生局部高溫，筒體氧化減薄嚴(yán)重，造成裂紋。因大牙輪設(shè)在窯中2號(hào)輪帶邊，加之大牙輪罩與窯筒體整體密封結(jié)構(gòu)影響，使之散熱不好溫度較高，加劇了大牙輪處的局部高溫，窯筒體氧化掉皮減薄更加嚴(yán)重。當(dāng)時(shí)公司工程技術(shù)人員處理得當(dāng)，先把裂紋處用磨光機(jī)磨掉氧化層，再打止裂孔后焊接，并在窯內(nèi)大牙輪處大面積貼補(bǔ)1000mm長(zhǎng)20mm厚鋼板，分24塊焊補(bǔ)上，處理后直到1989年更換筒體時(shí)也未再開(kāi)裂。后期在窯技術(shù)改造時(shí)，我公司將大牙輪移至窯尾3號(hào)檔輪帶邊，降低了筒體溫度后，大牙輪處氧化掉皮就減輕了許多。

  1號(hào)窯是帶余熱發(fā)電的中空窯，該窯有3m長(zhǎng)一節(jié)簡(jiǎn)體從1966年使用至今，在1997年窯筒體擴(kuò)徑改造時(shí)測(cè)量其筒體厚度幾乎沒(méi)變，筒體光亮，基本沒(méi)有氧化?，F(xiàn)在把它又放在窯尾段繼續(xù)使用。4號(hào)窯在每次換磚時(shí)也都發(fā)現(xiàn)窯體掉氧化皮，厚度不等，有0.1-0.7mm左右。2號(hào)輪帶處更為嚴(yán)重些。該窯輪帶是實(shí)心輪帶，輪帶下筒體散熱不好，雖然有風(fēng)機(jī)冷卻，因墊板較薄只有25mm，只冷卻了輪帶表面，而筒體內(nèi)部沒(méi)有得到充分冷卻，造成散熱不良，輪帶下筒體氧化較嚴(yán)重。大牙輪與窯體有一定的空隙。散熱較好，氧化一般。2005年2號(hào)輪帶處筒體出現(xiàn)裂紋，長(zhǎng)約800mm，筒體材料為209鋼，通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)輪帶處簡(jiǎn)體厚度原為60mm，而測(cè)量寬度900mm的輪帶處平均為50mm，裂紋最薄處只有10mm。大牙輪處其余筒體厚度原為28mm，也有不同程度的減薄，最薄處為20mm，但相對(duì)較少；燒成帶簡(jiǎn)體平均減薄為25mm左右。分析原因是輪帶與窯體散熱不好，局部溫度較高。

  當(dāng)時(shí)因經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)筒體裂縫只做了簡(jiǎn)單的焊接處理，簡(jiǎn)體斷裂就是從此處裂縫兩側(cè)開(kāi)始發(fā)展。在檢修更換筒體時(shí)測(cè)量發(fā)現(xiàn)2號(hào)輪帶下筒體厚度平均不到45mm，窯中分解段只有17mm，更換新簡(jiǎn)體后，新舊筒體有大約10mm的錯(cuò)臺(tái)。

  通過(guò)分析認(rèn)為3號(hào)、4號(hào)窯是預(yù)分解窯，平常表面溫度分別為：2號(hào)檔輪帶邊280℃、輪帶外表面80℃、l號(hào)檔輪帶邊250℃、輪帶外表面100℃、燒成帶為220℃，分解帶為280~350℃。燒成溫度雖高，但有窯皮保護(hù)，簡(jiǎn)體母材沒(méi)有與窯內(nèi)煙氣接觸，腐蝕較少，而分解帶沒(méi)有窯皮保護(hù)，煙氣通過(guò)磚縫與簡(jiǎn)體母材接觸，高溫下起氧化反應(yīng)，所以腐蝕厲害，筒體母材減薄較嚴(yán)重些。而3號(hào)窯大牙輪下和4號(hào)窯2號(hào)輪帶下氧化嚴(yán)重，筒體減薄比較嚴(yán)重，原因是該處散熱不好，造成局部溫度高，氧化腐蝕嚴(yán)重，筒體相應(yīng)減薄是必然的。1號(hào)窯是中空窯，燒成帶溫度較低，沒(méi)有達(dá)到氧化溫度，故沒(méi)有氧化皮出現(xiàn)。通過(guò)觀察大河沿的2500t／d和江蘇溧陽(yáng)的5000t／d新型干法窯，回轉(zhuǎn)窯上也存在窯體掉氧化皮的現(xiàn)象，厚度為0.1～0.5mm左右，也是2號(hào)輪帶處比較嚴(yán)重些。

  2  母材材質(zhì)與溫度

  4號(hào)窯斷裂時(shí)溫度為-7℃~-8℃左右。窯筒體所用材料209鋼，其性能與原A3鋼基本相同，精煉程度比后者要高。209鋼只做常溫下的沖擊功試驗(yàn)，低溫下沒(méi)有要求，但對(duì)材料低溫冷脆起影響的主要是元素P(磷)，在209鋼中P含量要求控制在≤0．035％以下，比A3鋼嚴(yán)格，其低溫性應(yīng)比A3鋼好，但因原煤中有一定量的P存在，窯內(nèi)煙氣中亦含有P，與簡(jiǎn)體母材在高溫下反應(yīng)，提高了鋼材的低溫冷脆的溫度要求。

  3  外力的作用

  4號(hào)窯是兩檔的超短窯，其兩檔的跨距相對(duì)較大，在窯熱工操作稍有問(wèn)題時(shí)，窯體就會(huì)發(fā)生彎曲，且彎曲較大，在大小牙輪處，頂間隙變化在10~20mm擺動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)頂齒根。

  在窯尾煙室處變化也比較大，擺動(dòng)量有100mm左右，通過(guò)熱轉(zhuǎn)窯1~3d后才能逐步恢復(fù)正常。該窯設(shè)計(jì)窯尾段103節(jié)懸臂長(zhǎng)達(dá)12m，造成窯尾部下?lián)狭艽?。?jīng)過(guò)幾年的運(yùn)行?？梢园l(fā)現(xiàn)2號(hào)托輪磨損明顯大于1號(hào)托輪，2001年測(cè)量l號(hào)托輪平均磨損3mm，而輪帶幾乎沒(méi)有磨損；而2號(hào)托輪則完全不同，平均磨損40mm，2號(hào)輪帶也磨損2~3mm。分析認(rèn)為，2號(hào)檔受窯尾段節(jié)的下?lián)现亓^大和大牙輪在2號(hào)輪帶處加大了托輪受力。

  4  結(jié) 論

  綜上所述，4號(hào)窯斷裂的原因是先由窯筒體氧化腐蝕過(guò)大，筒體母材變薄，特別是輪帶部位，墊板間隙小，冷卻風(fēng)吹不進(jìn)去，輪帶下筒體得不到充分冷卻，造成局部高溫氧化腐蝕。

  煙氣中硫、磷的超標(biāo)加速了筒體母材的氧化，使其改變了熱態(tài)脆裂、冷態(tài)脆裂的溫度需求，簡(jiǎn)體母材腐蝕減薄到一定程度時(shí)，在高溫下就發(fā)生脆裂。由于當(dāng)天點(diǎn)火升溫時(shí)窯體輪帶處的裂紋位置正好在垂直向上的位置上，升溫過(guò)程中窯尾段節(jié)重力作用，加長(zhǎng)了4號(hào)窯原有的800mm裂紋(因當(dāng)時(shí)處理不當(dāng)，造成缺陷沒(méi)有消除，焊接的應(yīng)力也沒(méi)有消除掉)，加之溫度較低，磷的超標(biāo)使鋼材冷脆溫度升高，造成裂紋向窯尾擴(kuò)展，受窯尾段節(jié)重力的影響迅速開(kāi)裂，直至斷裂。

  5  措 施

  為避免窯筒體發(fā)生高溫氧化腐蝕損耗，延長(zhǎng)其壽命，建議采取以下措施：

  （1）每次砌磚前，在窯內(nèi)刷一層耐高溫的涂料，這種涂料能隔絕煙氣與窯簡(jiǎn)體的高溫下的氧化反應(yīng)，保護(hù)筒體，延長(zhǎng)簡(jiǎn)體壽命。

  （2）改善輪帶下筒體的散熱條件，如加厚輪帶墊板至90mm，再通過(guò)風(fēng)機(jī)強(qiáng)制冷卻，以降低輪帶處簡(jiǎn)體溫度。

  （3）嚴(yán)格控制筒體母材的硫磷含量，使之≤0.035%，特別是硫的含量，延緩鋼材產(chǎn)生高溫脆性裂紋的時(shí)間。