周茂偉
（常熟市龍騰特種鋼有限公司 燒結(jié)廠 江蘇 蘇州 215511）
摘 要：鋼鐵冶煉技術(shù)和產(chǎn)能代表了一個(gè)國家的工業(yè)實(shí)力，我國作為鋼鐵消耗大國和生產(chǎn)大國，每年鋼鐵產(chǎn)量由建國初期的15.8萬噸，截至2020年我國粗鋼產(chǎn)量首次突破10億噸大關(guān)，成為歷史上唯一鋼鐵年產(chǎn)量達(dá)到10億的國家。改革開放以來，隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展建設(shè)，國內(nèi)鋼鐵需求量與日俱增，各省市地區(qū)鋼鐵建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展階段，高爐遍地孕育而生。起初高爐冶煉主要以鐵含量較高的富塊礦為主，世界各國富塊礦需求量越來越大，已無法滿足需求量，因次貧鐵礦富選工藝發(fā)展壯大的同時(shí)，人造塊礦工藝孕育而生。最初的燒結(jié)生產(chǎn)主要處理金屬冶煉的廢棄物，隨著科技水平的不斷提高，各種形式的燒結(jié)機(jī)孕育而生，燒結(jié)礦逐步取代富塊礦成為高爐冶煉的主要礦種。研究發(fā)現(xiàn)，在燒結(jié)礦生產(chǎn)工藝中，部分高爐冶煉過程中需要添加的部分熔劑，在燒結(jié)工序中添加，不僅可以改善燒結(jié)生產(chǎn)氛圍，還有利于提高燒結(jié)礦冶金性能和降低高爐冶煉成本，因此世界各國越來越重視燒結(jié)生產(chǎn)，更多的院校和單位投入大量資金與人力專門研究燒結(jié)工藝、物料以及各種裝備性能。本文主要論述煉鐵工藝中燒結(jié)礦生產(chǎn)工序的基礎(chǔ)裝備件，重點(diǎn)針對帶式燒結(jié)機(jī)爐篦條的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，通過燒結(jié)機(jī)發(fā)展史、爐篦條發(fā)展史的介紹，對篦條材料的選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝等方面的優(yōu)化，提高了爐篦條的性能和使用壽命。同時(shí)，本文還探討了熱工參數(shù)、耐熱性能、耐磨性能和抗腐蝕性能等方面的改進(jìn)措施。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的爐篦條具有更高的耐熱性和抗磨損能力，能夠有效降低燒結(jié)過程中的能耗和維修成本。
關(guān)鍵詞：燒結(jié)機(jī)；爐篦條；設(shè)計(jì)；優(yōu)化
燒結(jié)生產(chǎn)工藝是高爐冶煉前的重要工序，主要用途是給高爐提供滿足高爐冶煉性能的燒結(jié)礦。燒結(jié)機(jī)是鋼鐵生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備，其裝備性能的優(yōu)劣，決定了燒結(jié)礦質(zhì)量的穩(wěn)定性。燒結(jié)起源于資本主義發(fā)展較早的英國、瑞典和德國，大約在1870年前后，這些國家開始使用燒結(jié)鍋用來處理礦山、冶金、化工廠的廢棄物。世界上第一臺帶式燒結(jié)機(jī)于1910年在美國投入使用，當(dāng)時(shí)燒結(jié)面積為8.325㎡，從此各種形式燒結(jié)生產(chǎn)得到廣泛應(yīng)用[]。
鋼鐵冶煉技術(shù)經(jīng)過近幾十年的發(fā)展與沉淀，全世界鋼鐵產(chǎn)能突飛猛進(jìn)。作為目前世界鋼鐵第一產(chǎn)能大國和消費(fèi)大國建國初期的鋼產(chǎn)能只有15.8萬噸[]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求。改革開放以后，隨著國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的突飛猛進(jìn)，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對于鋼鐵需求量越來越大，國內(nèi)鋼鐵進(jìn)入快速發(fā)展階段，全國各地高爐拔地而起，對于礦石需求量也越來越大。然而隨著富礦石數(shù)量的減少和高爐冶煉強(qiáng)度的提升，各個(gè)國家對于燒結(jié)礦的需求量越來越大，而燒結(jié)機(jī)單機(jī)面積由最初的8.325㎡逐步增大至600㎡。燒結(jié)礦逐步取代富塊礦成為高爐冶煉的主要鐵礦石。因此燒結(jié)機(jī)性能和工藝水平影響著高爐冶煉的穩(wěn)定順行。在燒結(jié)生產(chǎn)過程中，燒結(jié)物料分布在臺車上自上而下抽風(fēng)燒結(jié)，臺車篦條直接與燒結(jié)物料的反應(yīng)過程接觸，工作條件比較惡劣。篦條是一種耐熱消耗品，其主要使用于鐵礦粉燒結(jié)機(jī)臺車上，是構(gòu)成燒結(jié)臺車的主要部件之一[]。作為燒結(jié)機(jī)臺車主要消耗易損件，其壽命與形態(tài)對燒結(jié)生產(chǎn)影響巨大。因此，如何提高爐篦條耐燒性、抗腐蝕性和強(qiáng)度等，對于提高燒結(jié)礦的產(chǎn)量、質(zhì)量以及成本消耗有著重大意義。目前隨著燒結(jié)機(jī)的大型化發(fā)展，使得燒結(jié)工藝更完善、設(shè)備更先進(jìn)、技術(shù)更可靠、自動化程度水平更高。燒結(jié)機(jī)作為核心裝備，爐篦條作為燒結(jié)機(jī)核心備件，使得更多的專業(yè)院校與單位針對基材、外形與生產(chǎn)工藝進(jìn)行了深度研究，成為制造業(yè)不斷探索的課題。
隨著燒結(jié)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，世界各國先后出現(xiàn)了環(huán)式燒結(jié)機(jī)、步進(jìn)式燒結(jié)機(jī)等，由于帶式燒結(jié)機(jī)自動化程度高、連續(xù)生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，得到世界各國廣泛應(yīng)用。帶式燒結(jié)機(jī)主要由頭部星輪、尾部星輪、機(jī)架、中部軌道、頭部軌道、尾部軌道、頭部密封板、尾部密封板、柔性傳動機(jī)構(gòu)、滑道密封、點(diǎn)火器、抽風(fēng)裝置和臺車等部件組成。燒結(jié)機(jī)頭部星輪由柔性傳動帶動主軸進(jìn)行傳動；頭部彎軌與上下水平軌安裝固定在機(jī)架上；尾部彎軌與尾部星輪安裝在機(jī)尾移動擺架上，在燒結(jié)機(jī)運(yùn)行過程中星輪隨擺架前后移動，起到補(bǔ)償熱膨脹引起的燒結(jié)機(jī)中心距的變化。
在燒結(jié)生產(chǎn)過程中，燒結(jié)料經(jīng)過配混工藝后，經(jīng)過布料系統(tǒng)分布燒結(jié)機(jī)臺車上開始燒結(jié)生產(chǎn)，要求燒結(jié)機(jī)料面透氣性均勻一致。爐篦條均勻排列在燒結(jié)機(jī)臺車上，將燒結(jié)料托起在臺車上，爐篦條排列均勻使得料面透氣性得到改善。爐篦條間隙排列過小，容易導(dǎo)致篦條間隙“糊死”而影響透氣性；篦條間隙過大，將導(dǎo)致燒結(jié)料通過篦條間隙進(jìn)入抽風(fēng)煙道，造成浪費(fèi)的同時(shí)，燒結(jié)料面局部“風(fēng)洞”影響燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量和電耗升高等。由于燒結(jié)機(jī)爐篦條的工作條件十分惡劣，溫差變化大，燒結(jié)生產(chǎn)進(jìn)行過程中的溫度為800℃—1000℃，最高可達(dá)到1200℃—1300℃，在燒結(jié)機(jī)卸料后經(jīng)過空氣冷卻快速降至100℃—300℃，在含有CO、CO2、SO2和水蒸氣的介質(zhì)中工作，在使用過程中受到燒結(jié)礦的撞擊和摩擦。部分企業(yè)物料結(jié)構(gòu)中，為了追尋低成本，使用堿金屬含量較高的鐵礦粉，燒結(jié)料中的K和CL形成KCL后，K和CL開始化學(xué)侵蝕篦條，細(xì)粉料開始填充縫隙，形成了最初的黏結(jié)物[]。在過濕層、礦粉、粉塵的作用下，篦條間隙會被黏結(jié)成塊，封鎖了抽風(fēng)通道，大面積的篦條黏結(jié)使得燒結(jié)機(jī)有效面積減少，造成燒結(jié)負(fù)壓不穩(wěn)定，電耗升高、生產(chǎn)質(zhì)量下降。此外，由于混合料在燒結(jié)過程進(jìn)行中，隨著液相生成再冷卻，料層自上而下開始收縮，使得料層與臺車欄板產(chǎn)生縫隙，造成臺車欄板處的風(fēng)阻減少，臺車兩側(cè)料層燒結(jié)速度大于中間部位，當(dāng)兩側(cè)燒結(jié)結(jié)束后，大量風(fēng)從欄板處通過，臺車中間位置料層通風(fēng)量減少，燒結(jié)機(jī)產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，同樣導(dǎo)致燒結(jié)機(jī)產(chǎn)質(zhì)量下降、負(fù)壓下降、電耗升高。為了使燒結(jié)機(jī)具備較高作業(yè)率，避免因篦條因素導(dǎo)致燒結(jié)機(jī)停機(jī)，所以對燒結(jié)機(jī)爐篦條進(jìn)行綜合研究顯得尤為重要。
由于各個(gè)冶金企業(yè)不同的工藝設(shè)備，燒結(jié)機(jī)作業(yè)強(qiáng)度各不相同。由于燒結(jié)機(jī)機(jī)型差異性，每個(gè)企業(yè)選用的爐篦條竟不相同。然而不論機(jī)型和生產(chǎn)節(jié)奏如何改變，其爐篦條作業(yè)環(huán)境惡劣程度幾乎相等。盡管近年來研究人員做了大量工作，優(yōu)化爐篦條結(jié)構(gòu)與材質(zhì)，實(shí)際上爐篦條也未能真正滿足燒結(jié)生產(chǎn)需求，主要體現(xiàn)在：
（1）篦條間隙過小，高溫狀態(tài)下低熔點(diǎn)物質(zhì)黏附在篦條上，影響透氣性；
（2）篦條間隙過大，無法托起鋪底料，造成局部漏料形成“風(fēng)洞”，制約燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量和能耗；
（3）篦條長期在高溫與應(yīng)力作用彎曲變形；
（4）篦條長期高溫、腐蝕、磨損下，篦條間隙增大等或者斷裂等情況。
因此，對爐篦條的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，提高其性能和使用壽命，對于降低能耗、提高生產(chǎn)效率具有重要意義。本文將對燒結(jié)機(jī)爐篦條的設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，并提出相應(yīng)的優(yōu)化措施。
燒結(jié)生產(chǎn)是高爐煉鐵前的重要工序，所謂燒結(jié)工藝就是將含鐵原料、熔劑、燃料等按照一定比例進(jìn)行配料，經(jīng)過混合機(jī)加水潤濕和混勻制粒后形成燒結(jié)料后布于燒結(jié)機(jī)上，通過點(diǎn)火和強(qiáng)制抽風(fēng)，燒結(jié)料在高溫作用下進(jìn)行物理化學(xué)反應(yīng)，所得產(chǎn)品就是燒結(jié)礦。生產(chǎn)過程中，配料室按照高爐工藝要求進(jìn)行合理配礦，配合后混合料經(jīng)過混合機(jī)混勻、潤濕、造球后，通過梭式布料器和圓輥給料機(jī)、九輥給料機(jī)等設(shè)備均勻分布在燒結(jié)機(jī)臺車上。在燒結(jié)機(jī)臺車底部安裝有2排（或多排）間隙在5mm—7mm的爐篦條，爐篦條上鋪設(shè)有30mm—50mm粒級在16mm—20mm的燒結(jié)礦作為鋪底料，起到保護(hù)爐篦條的作用。鋪設(shè)好的混合料再經(jīng)過點(diǎn)火器點(diǎn)火，將混合料表層料層中的燃料點(diǎn)燃后，在主抽風(fēng)機(jī)抽風(fēng)作用下燃燒帶自上而下進(jìn)行，將混合料料層溫度升高至1200℃左右，此時(shí)鐵礦粉中Fe2O3與熔劑隨著溫度的升高，逐步由固相反應(yīng)向液相反應(yīng)發(fā)展，生成低熔點(diǎn)化合物，開始在料層中產(chǎn)生液相。液相進(jìn)一步熔融周圍核顆粒礦粉，冷卻后得到氣孔均勻且具有一定強(qiáng)度的燒結(jié)餅，經(jīng)過破碎系統(tǒng)、冷卻與篩分整粒得到滿足高爐冶煉性能的燒結(jié)礦。
圖1 燒結(jié)工藝流程圖
因此，篦條作為燒結(jié)機(jī)的核心部件，其性能直接影響到燒結(jié)過程的順利進(jìn)行和產(chǎn)品質(zhì)量。由于燒結(jié)機(jī)機(jī)型不同、燒結(jié)面積差異性，燒結(jié)機(jī)爐篦條其規(guī)格、型號、參數(shù)、成分等各不相同，近幾十年來工作人員都在不斷地摸索與研究，如何讓燒結(jié)機(jī)爐篦條壽命更長、燒損更小、透氣性更強(qiáng)、價(jià)格更低。
據(jù)資料顯示，國外對于爐篦條材質(zhì)的研究早在20世紀(jì)50年代便開始進(jìn)行高鉻篦條生產(chǎn)實(shí)踐，因其耐磨性、抗腐蝕性、耐高溫性能優(yōu)異，能夠滿足在沖擊載荷不強(qiáng)烈的磨損條件下使用。在爐篦條中加入鉻合金，能顯著提高合金的抗氧化能力‚在高溫作用下合金外表層能形成一層致密的Gr2O3保護(hù)層，該保護(hù)層的形成能夠抑制合金的進(jìn)一步氧化[]，從而提高合金的抗氧能力[]，Gr2O3通常被認(rèn)為是抑制氧化的有效阻隔，其不僅在熱力學(xué)上是穩(wěn)定的，而且氧化過程中離子的擴(kuò)散也是最慢的[]。由于基體中含有較高的鉻含量并且材料表層的（Gr，F(xiàn)e）23C6碳化物將會分解，因此為氧化膜的形成創(chuàng)造了條件[]。
我國針對爐篦條研究起步較晚，在70—80年代以前我國爐篦條大多采用普通灰鑄鐵鑄造，雖然價(jià)格低廉，但其壽命在3～4個(gè)月之間；到了80年代以后，開始嘗試中硅球鐵鑄造，篦條壽命可達(dá)到6—8個(gè)月[]，依然無法滿足生產(chǎn)區(qū)需求；90年代開始，我國逐步大范圍引進(jìn)高鉻合金鑄造工藝，篦條壽命逐步提高?，F(xiàn)如今隨著我國鋼鐵產(chǎn)能與日俱增，鋼鐵產(chǎn)量達(dá)到世界前列，篦條消耗量越來越大。國內(nèi)眾多制造企業(yè)和科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年科技沉淀，已經(jīng)設(shè)計(jì)出眾多類型、材質(zhì)的爐篦條，在滿足國內(nèi)需求的同時(shí)，部分出口至歐美國家。
爐篦條的材料選擇應(yīng)根據(jù)燒結(jié)工藝的要求和工作環(huán)境來確定。燒結(jié)機(jī)爐篦條的發(fā)展同步伴隨著燒結(jié)機(jī)的大型化和生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)的性能狀態(tài)逐步提升的。早期的燒結(jié)機(jī)篦條通常采用簡單的結(jié)構(gòu)，主要由耐熱鑄鐵或不銹鋼鑄造而成。這種篦條的主要功能是提供燒結(jié)過程的通風(fēng)性能，即保持氣體流通，但由于結(jié)構(gòu)和材料的限制，使用過程中出現(xiàn)彎曲、變形、燒損等，其性能和壽命都相對較低，增大了維修維護(hù)成本和員工作業(yè)強(qiáng)度。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們開始對燒結(jié)機(jī)篦條進(jìn)行改進(jìn)，常用的材料包括耐熱鋼、不銹鋼、合金鋼等，其中添加有金屬Ni、金屬Cr等，嚴(yán)格控制爐篦條中C、S、Mn等元素。在選擇材料時(shí)，由于燒結(jié)機(jī)工 作方式是采取不停機(jī)連續(xù)作業(yè)制，所以篦條工件是在高、低溫交變惡劣工況下工 作的，其品質(zhì)的好壞不但是穩(wěn)定燒結(jié)工藝提高礦粉燒結(jié)的產(chǎn)量、質(zhì)量的重要因素，同時(shí)也直接決定著燒結(jié)設(shè)備能否正常地運(yùn)轉(zhuǎn)和環(huán)境保護(hù)等問題[]。更多地考慮材料的耐熱性、耐磨性、抗腐蝕性以及經(jīng)濟(jì)性等因素。同時(shí)，還應(yīng)根據(jù)具體的工藝要求和設(shè)備參數(shù)來選擇合適的材料。
在燒結(jié)機(jī)爐篦條設(shè)計(jì)選型階段除了考慮其工作環(huán)境的惡劣程度外，還要考慮在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上如何滿足在保證燒結(jié)料層透氣性基礎(chǔ)上，其外形構(gòu)造具備抗拒高溫、速冷產(chǎn)生的應(yīng)力作用，具備篦條主體不變形、不斷裂的特點(diǎn)。如圖所示，為燒結(jié)機(jī)爐篦條在臺車上的裝配圖和篦條外形結(jié)構(gòu)。燒結(jié)機(jī)臺車主梁上安裝有隔熱墊，用來隔斷上層高溫廢氣與臺車主梁，避免臺車主梁受到高溫侵蝕。爐篦條并列安裝在隔熱墊上，邊部安裝有端部篦條，生產(chǎn)過程中，爐篦條將燒結(jié)料托起，適當(dāng)?shù)捏鳁l間隙使得燒結(jié)料層透氣性均勻一致，因此，篦條使用壽命不僅取決于合金材質(zhì)，還取決于篦條結(jié)構(gòu)是否科學(xué)。本課題主要通過常熟市龍騰特種鋼（簡稱龍騰特鋼）燒結(jié)分廠近幾年針對爐篦條外形構(gòu)造和其材質(zhì)的變更，燒結(jié)機(jī)爐篦條平均壽命達(dá)到18個(gè)月以上的研究與設(shè)計(jì)。
圖2 燒結(jié)機(jī)篦條安裝示意圖
圖3 燒結(jié)機(jī)爐篦條結(jié)構(gòu)圖
在燒結(jié)礦生產(chǎn)作業(yè)過程中，燒結(jié)機(jī)爐篦條不斷在200—1000℃溫度中循環(huán)作業(yè)，產(chǎn)生的熱應(yīng)力較大。燒結(jié)料中各種有害元素的侵蝕、腐蝕和卸料沖刷，燒結(jié)機(jī)爐篦條逐步失效。經(jīng)過長期觀察分析，燒結(jié)機(jī)爐篦條失效主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：
a、工作面燒蝕。燒結(jié)機(jī)爐篦條在高溫氧化和廢氣的侵蝕狀態(tài)下，表層逐步氧化脫落，當(dāng)爐篦條間隙增大至10mm以上時(shí)，可能導(dǎo)致鋪底料脫硫，燒結(jié)料面產(chǎn)生風(fēng)洞，爐篦條失效[]；
b、燒結(jié)機(jī)臺車新裝爐篦條緊密排列在臺車上，業(yè)內(nèi)篦條間隙一般在5—7mm之間。在使用初期，由于物料狀態(tài)和生產(chǎn)工藝的不同，粉末物料可能黏附在篦條上，爐篦條間隙變小，導(dǎo)致燒結(jié)料層透氣性變差，制約燒結(jié)機(jī)產(chǎn)量與質(zhì)量；
c、燒結(jié)機(jī)爐篦條由于鑄造工藝差異性或合金均勻性影響，在生產(chǎn)過程中爐篦條局部不能承受高溫氧化與廢氣侵蝕，篦條本體彎曲變形，或局部燒蝕[]；
d、由于爐篦條工藝缺陷導(dǎo)致強(qiáng)度降低，在爐篦條安裝過程中或燒結(jié)機(jī)運(yùn)行卸礦過程中導(dǎo)致篦條斷裂；
e、正常生產(chǎn)卸料磨損失效；
3 爐篦條技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)踐
由于各個(gè)企業(yè)燒結(jié)機(jī)機(jī)型和燒結(jié)面積不同，對于爐篦條的需求也竟不相同?？蒲袉挝煌礁鶕?jù)客戶的不同需求，開發(fā)出各種特需性質(zhì)的篦條。以爐篦條工作條件來看，所選材料必須滿足具有承受劇烈溫度變化的特性，又能抵抗高溫氧化和燒損腐蝕，同時(shí)要具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和抗磨性，使?fàn)t篦條擁有較高的使用壽命。如今大多數(shù)企業(yè)采購爐篦條大多采用高鎳鉻合金材質(zhì)篦條，主要含有C、Ni、Gr、Si、Mn、P、S等元素。其中C元素影響著高鉻耐熱合金的硬度和韌性；Ni元素能夠提高基體的高溫強(qiáng)度和熱疲勞強(qiáng)度；Gr元素是高鉻合金的最主要元素，使合金表層形成一層Gr2O3保護(hù)層，延緩合金氧化過程；Si元素可改善合金抗氧化性；Mn能夠穩(wěn)定基體組織；P為有害元素，因此含量越低越好[]。
本課題以常熟市龍騰特種鋼（簡稱龍騰特鋼）燒結(jié)分廠近年來有關(guān)對燒結(jié)機(jī)爐篦條質(zhì)量的深度化研究為例，論證不同材質(zhì)、不同合金成分下的爐篦條使用狀態(tài)和壽命。龍騰特鋼燒結(jié)分廠2臺燒結(jié)機(jī)分別建設(shè)于2010年和2014年，有效燒結(jié)面積各180㎡，其臺車原始設(shè)計(jì)為1米*3米*0.7米。料層厚度控制在700mm，點(diǎn)火溫度1150℃，燃料消耗68kg/t左右。在2017年初期，龍騰特鋼2臺180㎡燒結(jié)機(jī)年消耗爐篦條216788kg，平均單耗0.06kg/t，在行業(yè)內(nèi)屬于較高水平。使用狀態(tài)主要體現(xiàn)在篦條主體燒損嚴(yán)重，篦條扭曲變形如圖—4所示，使用壽命平均在1—3個(gè)月之間，燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)過程中連續(xù)出現(xiàn)大面積篦條脫落，導(dǎo)致燒結(jié)料面漏風(fēng)嚴(yán)重，主抽風(fēng)機(jī)耗電量增大，電耗上升。因此，燒結(jié)廠專門成立QC攻關(guān)小組攻關(guān)提升爐篦條質(zhì)量，降低篦條消耗量。QC成員對于不同時(shí)段進(jìn)廠的爐篦條進(jìn)行質(zhì)量跟蹤，每批次隨機(jī)抽選樣品送檢。在對爐篦條化學(xué)成分跟蹤時(shí)發(fā)現(xiàn)，有效成分Ni平均含量在0.35%，鉻平均含量在18.5%左右，對比業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中Ni≥1.0%—1.5%、Cr≥25%的標(biāo)準(zhǔn)相差甚遠(yuǎn)，認(rèn)為是導(dǎo)致爐篦條消耗量較大的主要因素。龍騰特鋼燒結(jié)廠2017年全年燒結(jié)礦產(chǎn)量完成3813749t，電耗完成37.58kwh/t，電耗在全國同行業(yè)屬于較高水平。如圖—4所示為生產(chǎn)過程中燒結(jié)機(jī)臺車爐篦條的實(shí)際狀態(tài)，可見篦條局部燒損、變形嚴(yán)重，臺車篦條疏松，嚴(yán)重時(shí)脫落。
圖4 爐篦條變形燒損
2019年為了提升燒結(jié)礦產(chǎn)能，滿足2座1080m³高爐用料需求，龍騰特鋼燒結(jié)分廠結(jié)合本廠2臺180㎡燒結(jié)機(jī)的生產(chǎn)狀態(tài)和實(shí)際情況，開始對燒結(jié)機(jī)進(jìn)行升級改造。燒結(jié)機(jī)臺車由1米*0.70米*3米升級到1米*0.8米*3.3米；燒結(jié)機(jī)機(jī)械滑道密封技改成柔性橡膠密封；燒結(jié)機(jī)點(diǎn)火采用微負(fù)壓點(diǎn)火系統(tǒng)；煙道風(fēng)箱噴涂耐磨材料、主抽風(fēng)機(jī)增大功率等等。隨著料層厚度的提高和漏風(fēng)率的降低，料層自動蓄熱將導(dǎo)致爐篦條承受的高溫越來越高，因此必須通過提升爐篦條的耐熱性和抗磨損性提高爐篦條的使用壽命，降低單耗成本和主抽電耗。因此，QC團(tuán)隊(duì)結(jié)合篦條廠家通過實(shí)驗(yàn)對比將燒結(jié)機(jī)爐篦條中Ni含量提高至≥1.5%，Cr提高至≥26%，Mn規(guī)范在0.8%—1%，S≤0.035%，Mo≥0.3%，P≤0.035%，C規(guī)范在2.2%—2.6%，Si在0.8%—1%。如表—1所示為爐篦條有效成分QC攻關(guān)前后的數(shù)據(jù)對比，攻關(guān)后基體中Gr含量提高了7.7%；Ni含量提高了1.11%；其他元素均不同程度有所調(diào)整。經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐燒結(jié)機(jī)爐篦條使用壽命由1—3個(gè)月提高至≥18個(gè)月，有效降低了爐篦條消耗量和電耗。
表1 爐篦條材質(zhì)對比
|
年份 |
Cr |
Ni |
Mn |
S |
Mo |
P |
C |
Si |
|
2017 |
18.5 |
0.35 |
0.55 |
0.036 |
0.28 |
0.032 |
2.55 |
0.84 |
|
2021 |
26.2 |
1.46 |
0.91 |
0.021 |
0.42 |
0.025 |
2.24 |
0.95 |
|
對比 |
7.7 |
1.11 |
0.36 |
-0.015 |
0.14 |
-0.007 |
-0.31 |
0.11 |
經(jīng)過市場調(diào)研，不同的制造企業(yè)在生產(chǎn)爐篦條過程中采用的制造方式各不相同。目前業(yè)內(nèi)主要的生產(chǎn)辦法有：
a、鑄造法。鑄造法是生產(chǎn)爐篦條的最主要方法，其工藝流程包括磨具制作、熔煉、澆筑、冷卻、清理等步驟。鑄造法生產(chǎn)的爐篦條特點(diǎn)是成本低廉，缺點(diǎn)是質(zhì)量不穩(wěn)。容易產(chǎn)生氣泡和夾雜的現(xiàn)象；
b、鍛造法。鍛造法是生產(chǎn)合金鋼爐篦條的主要方法，其工藝流程包含鍛造、熱處理、機(jī)械加工等步驟。鍛造法加工的爐篦條優(yōu)點(diǎn)是爐篦條質(zhì)量穩(wěn)定，缺點(diǎn)是成本較高，對于生產(chǎn)裝備要求較高；
c、焊接法。焊接法主要生產(chǎn)不銹鋼材質(zhì)爐篦條，其工藝流程包括焊接、熱處理、機(jī)械加工等步驟。焊接法生產(chǎn)的爐篦條優(yōu)點(diǎn)是篦條質(zhì)量穩(wěn)定，缺點(diǎn)是成本較高，對所需的焊接設(shè)備要求等級較高[]。
龍騰特鋼燒結(jié)廠2臺180㎡燒結(jié)機(jī)采用的爐篦條均為鑄造法加工生產(chǎn)。經(jīng)過研究，在爐篦條鑄造前模具制作又可分為2類：
a、消失模鑄造工藝。消失模鑄造又稱實(shí)型鑄造，是將與鑄件尺寸形狀相似的石蠟或者泡沫模型粘結(jié)組合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振動造型，在負(fù)壓下澆筑，使模型氣化，液體金屬占據(jù)模型位置，凝固冷卻后形成的鑄件的鑄造方法。優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)靈活，為鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了充分自由度。舊砂回收率高，生產(chǎn)成本低。缺點(diǎn)是：①在鑄造過程中金屬液存在粘砂現(xiàn)象；② 鑄造過程或因卷入空氣和模具分解等因素產(chǎn)生氣泡；③金屬液變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)體積收縮，固態(tài)收縮引起體積輪廓變化，收縮過程若無金屬液補(bǔ)充，產(chǎn)生縮孔；④鑄件表面形成皺皮；⑤鑄件表面產(chǎn)生珠粒狀缺陷；⑥鑄造過程產(chǎn)生夾雜物；⑦在負(fù)壓澆筑時(shí)容易產(chǎn)生瘤狀突出物；⑧鑄造過程產(chǎn)生鑄造件增碳；⑨鑄造過程產(chǎn)生熱裂。
b、覆膜砂鑄造工藝。覆膜砂鑄造工藝是一種金屬制品普遍應(yīng)用的鑄造工藝，它能有效地成型多邊形的金屬結(jié)構(gòu)。這種鑄造工藝的優(yōu)點(diǎn)在于可以制作出任何形狀及大小的金屬零部件。覆膜砂鑄造工藝是一種精密的成型方式，它借助壓力和溫度來完成。該工藝可以制造出任何形狀的金屬零部件，它具有速度快，效率高，成型效果好，精度高，拋光度佳，非常適合于要求精度更高的鑄件制造。覆膜砂鑄造工藝由兩個(gè)主要組成部分組成，即模具和覆膜砂。模具是將鑄件成型的外殼，它由幾塊模具組成，模具的結(jié)構(gòu)可以是完全封閉的或內(nèi)外相反的結(jié)構(gòu)。覆膜砂是一種特殊的砂漿，由粘土，砂粒和聚合物組成，它具有良好的結(jié)合力，便于成型。覆膜砂制作的鑄件具有高精度和較好的表面質(zhì)量，不易出現(xiàn)缺陷；覆膜砂能夠承受高溫，不會熱變形或潰裂，鑄件的尺寸和形狀也能夠保持穩(wěn)定。其缺點(diǎn)是：制造覆膜砂需要使用特殊化學(xué)品進(jìn)行處理，生產(chǎn)成本相對較高；覆膜砂制造中使用的化學(xué)品，如酚醛樹脂和聚氨酯等，對環(huán)境和人體有一定的毒性[]。
常熟市龍騰特鋼燒結(jié)廠QC攻關(guān)前采購爐篦條均為消失模工藝，根據(jù)篦條使用中存在的異常燒損、變形以及氣孔較多的缺點(diǎn)，結(jié)合制造廠家采用可覆膜砂工藝，以上問題得到改善。
（1）爐篦條的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)燒結(jié)工藝的要求和設(shè)備參數(shù)來確定。一般來說，燒結(jié)機(jī)爐篦條的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下要求：具有良好的通風(fēng)性能，保證燒結(jié)過程中的氣體流通；具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠承受燒結(jié)過程中的高溫和壓力；易于安裝和維護(hù)，方便更換和修復(fù)。龍騰特鋼燒結(jié)廠根據(jù)2臺180㎡燒結(jié)機(jī)的生產(chǎn)狀態(tài)，對爐篦條做了結(jié)構(gòu)改進(jìn)。QC團(tuán)隊(duì)觀察發(fā)現(xiàn)，在燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)過程中，隨著燒結(jié)終點(diǎn)的形成，在燒結(jié)機(jī)尾部斷面呈現(xiàn)靠近欄板兩側(cè)紅層缺失，而臺車中間位置紅層過厚，嚴(yán)重時(shí)甚至在卸料時(shí)燒結(jié)為終結(jié)，在環(huán)冷內(nèi)二次燃燒，這種現(xiàn)場稱為臺車邊緣效應(yīng)。邊緣效應(yīng)可導(dǎo)致臺車欄板兩側(cè)通風(fēng)量大于臺車中間位置，造成主抽風(fēng)量浪費(fèi)，燒結(jié)機(jī)產(chǎn)能受限、成本上升。因此，QC團(tuán)隊(duì)經(jīng)過論證，將臺車兩側(cè)邊部3根爐篦條改造成無間隙盲篦條，用來抑制通過欄板兩側(cè)的風(fēng)量，邊緣效應(yīng)得到明顯改善。
圖5 邊緣效應(yīng)以及無間隙篦條
（2） 燒結(jié)機(jī)爐篦條外形參數(shù)根據(jù)燒結(jié)機(jī)機(jī)型與燒結(jié)面積不同而不同。龍騰特鋼燒結(jié)廠臺車尺寸為1m*3.3m*0.8m規(guī)格，每部臺車并列2排爐篦條，每排安裝篦條92根，每2根篦條之間間隙為5mm±1mm。在使用過程中發(fā)現(xiàn)篦條之間的間隙容易被粉末物料黏附，導(dǎo)致燒結(jié)機(jī)臺車大面積“糊死”，有效抽風(fēng)面積下降，透氣性不均勻，燒結(jié)總管負(fù)壓升高，制約燒結(jié)機(jī)產(chǎn)質(zhì)量和能源消耗。因此，燒結(jié)分廠QC團(tuán)隊(duì)經(jīng)過分析論證，對爐篦條外形尺寸進(jìn)行變更。變更前每根篦條最大寬度為35mm，即爐篦條最大間隙為5mm；改造后將每根爐篦條最大寬度尺寸改為38mm，即爐篦條最大間隙為8mm。外形尺寸參數(shù)變更后，篦條間隙適中，使得燒結(jié)料層透氣性改善，輔助性地提高了燒結(jié)礦產(chǎn)量，燒結(jié)負(fù)壓適中，主抽電耗下降。隨著爐篦條間隙的增大，燒結(jié)機(jī)臺車每排篦條數(shù)量降至85根，降低了爐篦條消耗。
圖6 爐篦條外形尺寸變更前
圖7 臺車爐篦條外形尺寸變更后
常熟市龍騰特鋼燒結(jié)廠根據(jù)2臺180㎡燒結(jié)機(jī)爐篦條使用需求進(jìn)行了課題研究，通過對生產(chǎn)過程中爐篦條失效后的狀態(tài)進(jìn)行深度分解研究，根據(jù)不同的失效機(jī)理和生產(chǎn)需求，提出了提高爐篦條使用壽命的方法，通過數(shù)據(jù)化驗(yàn)和總結(jié)分析與嘗試，完成了燒結(jié)機(jī)爐篦條的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，同時(shí)達(dá)到了降本增效的目的。通過此次研究過程，不僅完成了課題研究，還取得了以下成果：
（1）通過對失效爐篦條所體現(xiàn)的狀態(tài)，捋順了爐篦條失效的機(jī)理，經(jīng)過論述與實(shí)驗(yàn)得出了提高爐篦條使用壽命的措施；
（2）通過深入研究與實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)本單位爐篦條在合金成分上存在的不足，經(jīng)過論證與實(shí)踐規(guī)范了爐篦條合金元素范圍，即Ni含量控制在≥1.5%，Cr控制在≥26%，Mn規(guī)范在0.8%—0.1%，S控制在≤0.035%，Mo控制在≥0.3%，P控制在≤0.035%，C規(guī)范在2.2%—2.6%，Si控制在0.8%—1%；
（3）經(jīng)過深度研究與調(diào)研，發(fā)現(xiàn)消失模鑄造工藝缺陷，確定了覆膜砂鑄造工藝；
（4）根據(jù)本單位使用要求，開發(fā)了符合自身燒結(jié)機(jī)的邊部無間隙篦條，燒結(jié)機(jī)料層厚度提升后，根據(jù)生產(chǎn)需求，變更了爐篦條外形尺寸，透氣性得到改善的同時(shí)，爐篦條消耗顯著下降。
（5）經(jīng)過深度研究改造，燒結(jié)機(jī)爐篦條使用壽命達(dá)到18個(gè)月以上，并且通過篦條外形尺寸變更，單個(gè)臺車使用量有所減少，燒結(jié)機(jī)爐篦條年度消耗量明顯減少。數(shù)據(jù)顯示，2022年?duì)t篦條使用量降至125152kg，對比2017年減少91636kg，噸礦消耗從0.06/t降至0.03kg/t，降幅達(dá)50%，效果顯著。
圖8 QC攻關(guān)前后爐篦條用量對比
圖9 QC攻關(guān)后爐篦條噸礦消耗量對比
隨著燒結(jié)礦在高爐冶煉過程中體現(xiàn)出的優(yōu)越性能，燒結(jié)生產(chǎn)越來越引起鐵前工序的足夠重視。眾多科研單位和生產(chǎn)單位都在提升開發(fā)符合自身使用要求的高性能裝備。燒結(jié)機(jī)爐篦條作為燒結(jié)生產(chǎn)過程中的易損消耗件，使用數(shù)量大、工作環(huán)境惡劣，篦條的異常失效嚴(yán)重制約燒結(jié)生產(chǎn)的穩(wěn)定順行，限制了高爐冶煉的爐料性能。由于篦條需求量大，價(jià)格昂貴，引起了燒結(jié)礦制作成本的上升，限制了企業(yè)利潤，尤其是鋼鐵行業(yè)近幾年低谷期間，提高爐篦條使用壽命，降低噸礦成本顯得尤為重要。龍騰特鋼燒結(jié)分廠抓住機(jī)遇，關(guān)鍵時(shí)期進(jìn)行了燒結(jié)機(jī)爐篦條優(yōu)化提升課題，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)施，取得了較大成果。數(shù)據(jù)表明，2022年燒結(jié)礦產(chǎn)量完成4419624噸，對比2027年3813749提高了605875噸；爐篦條消耗量降低了91636kg，按照每噸爐篦條13000價(jià)格計(jì)算產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益119萬余元，折合噸礦成本下降0.27元/噸，效果顯著。
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