基于服役技术状况的套筒窑窑衬维修策略

陆正明，虞帮俊

（1.上海梅山钢铁股份有限公司 设备部，江苏 南京 210039；2.江苏中圣园科技股份有限公司，江苏 南京 211102）

工业炉窑炉衬服役寿命是炉衬结构设计、耐材选择、筑炉施工和生产操作共同作用的结果，其中炉衬结构设计的合理性和不断优化是提高炉衬服役寿命最为重要的基础和出发点。上海梅山钢铁股份有限公司（以下简称梅钢）500 t/d石灰窑是国内较早引进的贝肯巴赫环形套筒窑窑型，窑衬大修周期为5年左右，经过20年的生产应用实践，窑衬结构设计从初期的引进、消化、吸收到不断优化改进，取得了良好的应用效果，期望对国内同类型窑衬结构优化和维修策略的制定提供参考。

1 窑衬结构与材质概况

500 t/d套筒窑窑衬结构分为窑壳与内套筒两部分，其中内套筒由上内筒和下内筒两个独立部分组成。窑壳内径为Φ8 000 mm，内筒内径为Φ2 900 mm，下内筒与窑壳在+18.9 m下燃烧室平台和22.8 m上燃烧室平台分别通过耐火砖砌筑而成各6个拱桥结构相连接，窑衬耐火材料自窑体标高+11 m处起始砌筑平台至标高+38 m换热器顶盖，砌筑高度约27 m，窑壳工作层砖径向距为Φ6 900 mm，窑壳侧砌体总厚度为550 mm（预热段由550 mm过渡减薄至450 mm），其中工作层砖长度为250 mm；上、下内套筒外侧工作层砖径向距均为Φ3 800 mm，下内筒外侧工作层砖长度为250 mm，上内筒外侧工作层砖长度为200 mm，内筒外侧工作层砖与窑壳大墙工作层砖间距为1 550 mm，即拱桥弦长砌筑控制尺寸。煅烧带工作层选用碱性和偏中性的镁铝尖晶石砖、高铝砖等耐火材料，其他部位选用黏土质耐火砖和浇注料，各类耐材总量约1 200 t。

2 套筒窑5年服役寿命期窑衬耐材耗损状况

2.1 耐材破损轻微区域

由高耐磨浇注料施工形成的上、下导流帽只产生轻微细小裂缝，磨损量小；内筒内侧、循环气体管道、废气管道等各类管道内耐材，因只和含尘高温气流发生摩擦作用，几乎没有损坏；窑衬中间层和保温层砖完好无损，上、下内筒底部托圈浇注料有部分脱落，没有出现明显侵蚀及磨损现象，局部出现少量不影响结构稳定性的应力性裂纹；冷却带墙体状况较好，是因为温度相对较低，碱性物料基本不会对该部位砖造成化学侵蚀，主要是低硬度生石灰对工作层耐火砖轻微的机械磨损。

2.2 耐材破损较为严重部位

预热带上内筒外侧墙体和窑壳墙体工作层落料点区域耐火砖受石料冲击损坏较为严重；窑壳侧工作层耐火砖设计厚度250 mm，局部落料点位置受物料冲刷冲击减薄至160 mm；煅烧带窑壳侧墙体工作层受石料机械冲刷破坏及碱性物料高温侵蚀等作用，位于上、下拱桥部位墙体工作层砖局部厚度由250 mm减薄至120 mm。上、下拱桥长期受高速高温烟气（含尘量较大）冲刷、温度波动造成的热应力损坏、碱性物料侵蚀、物料机械磨损等原因，造成上、下过桥的第3层（最下层）过桥砖拱桥侧拱物料侧出现“掉牙”脱落，甚至个别拱桥最下层拱圈坍塌；窑壳与燃烧室两侧交接处下部工作层砖部分区域有因磨损较大形成竖向约2 000 mm，最大宽度700 mm，最大深度130 mm（工作层砖厚度250 mm）的冲槽（见图1）。

3 套筒窑窑衬结构固有缺陷分析

为充分利用统计占比70%～80%窑衬耐材5年服役期的质量冗余，基于套筒窑窑衬5年服役期破损规律，提出窑衬结构固有缺陷概念并进行分析。根据缺陷的性质及严重程度，分为致命缺陷、严重缺陷及轻微缺陷。致命缺陷：预料会对使用和最终产品的基本功能带来致命影响的不合格项；严重缺陷：虽然不到致命缺陷的程度，但预料可能造成故障或大大降低产品实际使用性能的不合格项；轻微缺陷：预料对产品的有效使用、操作等几乎没有妨碍的不合格项[1]。套筒窑拱桥和内筒外侧砌体结构缺陷对一代寿命有决定性影响，且是由套筒窑窑衬结构设计本身决定的，符合致命缺陷和严重缺陷的特征，故将这两种缺陷并称为套筒窑的固有缺陷。在耐材品种增多及制造质量提高、砖型改进、砌筑质量控制、生产控制等因素共同作用下，可减小固有缺陷对窑衬长寿命的影响，但不能根本消除，只有对窑衬实施点检并依据其服役技术状况，进行适时适当性维修，才可最大程度地减小固有缺陷对服役长寿的不利作用。

图1 5年服役期下燃烧室与窑壳大墙交接区域砌体出现V形拉沟现场图

3.1 拱桥结构缺陷分析

500 t/d套筒窑拱桥结构内、外筒腔体间弦长为1 550 mm，现行设计中较多采用的BB和BG两种规格系列砖型或其它砖型拱桥砖都可满足使用要求，在拱桥承载截面高度750 mm的条件下，拱桥主拱砌体结构有两层砖（2×375 mm）和三层砖（3×250 mm）两种形式，通过这两种系列砖型在梅钢20年的套筒窑生产实践表明：三层砖拱桥结构比二层砖拱桥结构服役可靠性高。基于计算和生产实践可将上两层、下一层拱桥砖在构成整个拱桥组合砌体中的功能分开：上两层拱桥砖构成的复合拱圈作为整个拱桥结构（包括砌筑于主拱上的平拱）的支撑层，下层拱桥砖形成的拱圈作为上两层拱桥砖构成的复合拱圈的保护拱，这样即使最下层拱圈部分拱桥砖产生裂缝、掉牙脱落甚至整个拱圈坍塌失效，上两层拱圈构成的组合砌体仍可支撑上部载荷，不会导致整个拱桥坍塌失效。采用三层拱结构是过桥保持服役高可靠性和良好技术状况的有效方法，当最下层拱砖有损坏时，可及时进行局部换砖维修以维持拱桥两侧良好的料流状态。

3.2 内筒外侧耐材砌体结构缺陷分析

上、下内筒外侧耐材砌体因没有筒体钢结构约束，服役中因热力作用有沿径向蠕动向炉膛鼓肚的现象，个别位置有约0.3 m2的Z250或Z200异型砖组合砌体脱落，如图2所示（2018年5月），同时少量局部位置伴有宽度3～5 mm，最大长度2 m左右的竖向贯通裂缝，服役后期内筒外侧耐火砖由于套筒窑煅烧工艺分段原因，耐火砖上、下不同温度区损坏情况差异较大。现有结构无法实现相对安全的分段检修，尤其是下内筒外侧砌体高度达9 m多，修复破损砖体时无法保留上部无损坏耐材砌体，只能全部拆除更换，造成耐材浪费。为消除该固有缺陷，在上、下内筒上各增设一道宽度为350 mm的托砖板，以减小砌体的高厚比，增加砌体稳定性，同时利于分段修复，或利用生产清瘤停窑机会进行检查，通过适当局部维修即可消除该缺陷，恢复其良好的服役技术状况。

图2 服役5年的2#窑上内筒外侧环砖脱落情况现场图

4 基于服役技术状况的维修策略

通过对窑衬耐材系统一代窑龄服役状况的持续跟踪和破损规律的深入掌握，提出基于窑衬服役技术状况，将耐材系统由自20世纪90年代套筒窑引进国内形成的5年左右全窑衬拆除大修模式转变为依据设备点检并通过适当性维修，8～10年或以上再实施全窑衬耐材拆除重砌的维修策略。套筒窑窑衬点检能够充分避免设备欠修和过修，特别是对其固有缺陷耐材服役状况的点检主要有三个方面:

（1）通过设置在烧嘴大面板上的观察孔（必要时可拆下烧嘴小面板进一步观察），在日常点检中目视可清晰看到煅烧带上、下拱桥最下层砖的服役工况，当点检到最下层拱圈有多块拱桥砖出现明显裂缝、掉牙脱落严重或整个拱圈塌陷时，即可实施停窑进行损坏拱圈的恢复性维修。

（2）对外筒钢结构壳体进行日常点检测温，通过预热带、煅烧带、冷却带的外筒钢结构表面温度可大致判断对应区域窑内耐材工况，其中煅烧带区域是重点，根据外筒窑衬结构传热计算，若外筒钢壳温度小于120℃，可判定其相应的内部窑衬工作正常，若有异常温升（剔除环境温度、自然风冷却等因素扰动影响后），有可能是窑衬服役一段时间后，砌体间灰缝增大，串火引起外筒温度超标，这种情况用轻质料压浆封闭缝隙后外壳温度即可回归控制温度以内(或有略微超标不影响外筒钢结构正常附体），否则就是窑衬因受料流磨损和化学作用产生侵蚀，工作层砖受损减薄较大，可考虑进行挖补换砖维修。

（3）通过检出冷却段出料口断裂脱落耐火砖的尺寸及砖型可判断损坏区域的大致位置，一般外筒大墙砖和内筒内侧砖因分别受窑壳和内筒约束不会掉砖，掉砖长度为200 mm的为上内筒外侧砖，掉砖长度为250 mm的为下内筒外侧砖，再辅以材质类别可进一步判别出是煅烧带还是预热带掉砖，判定后即可进行适当性修复。

5 结论

梅钢公司自20世纪90年代国内较早引进套筒窑以来，不同时期共建有4座500 t/d套筒窑，应用于生产实践已 20年。套筒窑占地少、能耗低、产品质量好、活性度高，尤其是生产过程实行负压操作，可以较好地适应国家日趋严格的产业环保要求，是石灰煅烧的主流窑型。经过不断摸索窑衬耐材服役规律并持续优化改进，梅钢已逐步摒弃早期形成的5年左右窑衬全部拆除重砌的大修模式，充分利用大部分耐材5年服役后的质量冗余，向基于窑衬服役技术状况进行适时适度维修、期望10年及以上服役期再全部拆除重砌的大修模式转变，此维修策略对合理延长窑衬服役寿命周期，降低维修成本并节约整个社会耐材制造资源等有着重要意义。