TD500型石灰窑卸灰抽屉的材料及结构优化

方养吾

(宝钢工程技术集团有限公司 上海 201900)

1 前言

石灰是钢铁、塑料两大基材的重要辅料及基本原料，在工业废水处理、垃圾焚烧、烟气脱硫等环保领域有巨大的市场前景，作为性价比最高的碱性氧化物及其高钙特性，石灰还广泛应用于高速公路、高铁、建筑业、工业(有色、造纸、制糖、纯碱、食品、医药、建材制品)、农业等领域，是重要的基础原材料[1]。

在冶金工业中，石灰作为冶炼生产过程中的重要熔剂和造渣材料，随着钢铁冶金技术的精细化，要求石灰具有较高的活性度和较低的含硫磷量，即要求使用活性度高的石灰[1]。

TD500型石灰窑是一种国际上比较先进的双膛窑石灰生产窑型，其热耗低、生产石灰活性度高。国内一个电石生产企业建设了TD500型石灰窑生产线，在投产半年后，出现卸灰抽屉框架主梁断裂变形等问题，造成生产暂停，封窑检修。

2 卸灰抽屉机构及工作原理

卸灰抽屉机构主要由导料槽、液压推拉装置、抽屉板、上层辊轮、下层辊轮、中间连接框架等几部分组成，详见图1。

整个卸灰抽屉是支撑在底部支撑框架上的，通过上下2层辊轮和中间连接框架的垂直布置，上部抽屉板通过液压缸驱动可以实现前后及左右移动，移动的行程设为160mm。工作时，油缸分别按顺序运行推拉动作，完成下料工作，液压式卸灰抽屉将焙烧好的石灰沿横断面四周间隙均匀排向下部的石灰冷却料斗。出料装置下部共分上、下两层辊轮，在水平面形成垂直布置，两层垂直布置是为了最大限度地保证窑内四周下料间隙的均匀合理，液压缸推拉速度和行程都可以调整，达到控制出料速度的目的，保证了工艺调整产量的需要。

图1 出灰系统结构图1-底部支撑框架;2-下层辊轮;3-中间连接框架;4-上层辊轮;5-液压推拉装置;6-抽屉板;7-导料槽;8-窑壳底部

名称结构及材料简要支撑辊轮装配1、钢板间长度372mm2、顶板间长度272mm滚轮板1、总长度340mm;2、开槽长度65;3、材质Q235B滚轮1、有中间螺纹孔;2、材质45#顶板1、齿条直角过渡;2、中间孔Φ18;3、材质Q235B;4、厚度30mm下部抽屉板材料为Q235B中间连接框架1、材料为Q235B;2、钢板厚度一般为20mm上部抽屉板材料为Q235B下部台车框架框架为H型钢焊接,材料为Q235B

3 现场调查及要因分析

TD500型石灰窑在投产半年后，出现卸灰抽屉抽动卡阻困难，经检查发现，抽屉上面出现体积巨大的结块料，且表面发红，温度大约500℃左右。抽屉板下框架与驱动液压缸连接处的中间梁断裂，另一侧中间梁也已发生蠕变。

抽屉内物料清空完后。发现物料结块尺寸目测2.5m×3m×1m。且夹杂大量类似石英石材质的石块。

据原料车间反馈石灰窑从2013年元月投产至今，抽屉的运行情况很不理想。四年来，抽屉大梁及连杆断裂的事故频繁。尤其是2016年11月和12月期间，短短两个月内抽屉和连杆处发生断裂的次数多达22次，严重制约了石灰窑的连续、稳定运行。针对以上出现的情况，重点从窑体结构和窑生产工况2个方面进行了故障原因分析。

3.1 窑生产工况

通过检查生产历史数据，结合工艺生产条件等方面分析原因，主要有以下几点：

1)石灰石原料状况：工艺要求供生产的石灰石原料粒度为40-80mm(其中20-40mm≤5%，90-120mm≤5%)，但通过抽检原料仓内的石灰石小于20mm的细料量超过了10%。块料表面附着较多粉料。窑内部粉料太多影响了窑内内部的空气流动，窑体内不同截面温度相差较大，易造成局部结块，也严重影响了石灰的整体质量。冷却风气流传递不均匀，石灰冷却效果差，导致石灰到达抽屉位置时温度过高。

经过检测发现原料中硅(Si)含量超过2%，且石灰石原料夹杂了大量杂石。通过高温煅烧，SiO2和石灰石反应生成硅酸钙，物料结块增多，增大抽屉动作阻力。

2)生产操作：在正常生产时窑体通道处温度为1050℃，卸灰抽屉处的温度应控制在150℃以内(最好在100℃左右)。通过检查历史生产数据，通道处温度最高达到了1300℃左右，卸灰抽屉处温度高于250℃，过高的温度造成卸灰抽屉框架结构屈服强度性能降低，在液压缸的反复推拉作用下导致变形断裂。

3.2 窑体结构

表2 TD400和TD500卸灰抽屉参数表

通过对比表1中国内TD400型和TD500型石灰窑，TD400型窑在国内卸灰抽屉基本没有出现故障。得出如下结论：

1)TD400石灰窑抽屉上部是一个锥体，锥体角度为23°，分散了对抽屉的承重。TD500石灰窑的抽屉上部是柱体，满膛石灰石的重量全部压在了抽屉上。

2)TD500型石灰窑比TD400型石灰窑卸灰抽屉结构强度低。

3)石灰窑抽屉的滚轮主要起两个作用，一是支撑抽屉，二是对抽屉的动作起导向作用。TD500的滚轮中心距较大，抽屉的抗弯强度小，更易导致变形。

由表2比较得出，500TPD D型石灰窑抽屉结构比其低产量窑型的抽屉结构单薄，为此，根据不同的工况对结构进行了分析，分析结果如下[3]：

a) 应力大的部位主要发生在框架连接处。整体应力云图如图2所示。

b) 上部抽屉板应力云图如图4所示，图中圈出所示处应力最大为375MPa，受力变大是因为上部抽屉板受到与框架运动相反的摩擦力的作用。

c) 中间框架应力云图如图4所示。最大等效应力发生在型钢圆角处，最大183MPa。

d)液压推拉装置连接处框架应力云图如图5所示。最大等效应力发生在型钢连接汇集处，最大246MPa。

根据以上分析结果总结如下：

图2 整体应力云图

图3 上部抽屉板max375MPa应力云图

a )上部抽屉与框架连接部位及液压推拉装置连接处框架强度薄弱，在重力与摩擦力引起的倾覆压力作用下，可能会破坏。见图6上部抽屉应力分析图。

图4 中间框架max183MPa应力云图

图5 液压缸连接处框架max246MPa应力云图

图6 上部抽屉板应力分析图

b) 中间框架梁四周型钢及液压推拉装置连接处框架交汇处应力过大，液压推拉运动时可能发生破坏。见图7下台车框架应力分析。

4 对策和措施

根据对以上工况和卸灰抽屉原因分析，对生产工艺优化控制和结构设计进行改进。

1)石灰石原料粒度要确保在40-80mm范围内(其中20-40mm≤5%，90-120mm≤5%)。

2)卸灰抽屉温度要控制在150℃以下。

图7 下台车框架应力分析图

3)石灰窑投运以来，已更换过一次卸灰抽屉，在第二次更换抽屉时，对抽屉结构框架和H型钢均作了加强，材质也由原来的Q235B改为Q345B，投运后曾稳定运行了半年时间，这说明加强抽屉结构的思路是正确的。在抽屉高度受到限制的前提下，继续增加H型钢的强度，建议将H200型钢的腹板厚度确定为25mm，翼板厚度确定为20mm。液压推拉装置连接对板处厚度确定为30mm，焊接处做消除应力集中的处理措施。

图8 增加23度出料裙板

4)参照TD400石灰窑的结构，将出料裙板按23度角往里收缩成锥型，分散物料对抽屉的正压力。详见图8。按照出料料裙板收缩后的实际尺寸，同比例缩小抽屉板的面积，并将纵、横向支撑滚轮的中心距同步往里收缩，以增强抽屉的抗弯曲强度。

5)增大滚轮限位块和限位齿条的间隙，减轻运行中的摩擦啃齿现象，降低运行阻力。

5 结论

根据现场工况和抽屉结构对故障的影响；介绍了TD500型石灰窑卸灰抽屉的结构和材料情况，并提出有效优化措施。经过2年半的生产实际考核，卸灰抽屉未出现故障，满足了稳定生产的需要，为其它石灰窑型卸灰抽屉设计及故障的解决提供了一定的参考。