新疆天山4号窑筒体断裂的原因分析

  新疆天山水泥股份公司4号窑是国家建材局于上世纪80年代末，点菜拼盘引进国外洪堡、富乐等公司先进技术建设的2000t／d预分解窑水泥生产线，在国内率先引进采用了洪堡公司的Φ4m×43m超短窑，生料和水泥磨上分别采用洪堡和富乐公司辊压机。该生产线自1992年投产至今，其各项生产技术指标在国内仍比较先进。

  4号窑于2008年1月20日上午发生自2号轮带至窑尾节处窑体断裂、窑尾节掉下窑台的重大事故，在国内也属首次。本文就其原因进行了分析。

  事故经过：2008年元月20日凌晨检修完毕，早8：30时将窑内后窑口保温火炉撤掉，准备点火。10：38时用油点火，10：53时给煤1t，油煤混烧，火焰形状不理想，将喂煤减到0.5t，0:55时火焰正常，逐步加煤，0.5～1.0～1.5t，尾温从130℃升到380℃ ，火焰正常，燃烧充分，没有闪爆现象。11：08时发生窑筒体瞬间断裂的事故。

  事故发生后公司非常重视，当即邀请了天津水泥工业设计研究院和新疆大学机械工程学院专家对事故进行分析研究，初步认为造成此次事故的原因是：在有初始裂纹、20g材质在环境温度较低的情况下，因外力作用发生低温脆性断裂所致。

  后将断裂部分取样送国家钢铁研究总院测试中心对简体断裂事故原因进一步作定量分析，包括断口分析、材料化学成分分析、力学性能测试、硬度的测试等；最终钢研总院给出了非常详细的分析报告。4号窑筒体断裂源区位置断裂前存在有总长近800mm的裂纹缺陷，经过补焊但焊接质量不良，最初裂纹沿补焊处两侧纵向开裂，向两端扩展一定长度后分叉，逐渐在重力的作用下转向环向扩展，直至筒体断裂掉下窑台。4号窑筒体属于在大尺寸缺陷基础上产生的低温脆性断裂，在材料温度较低的条件下受到动载荷直接导致发生快速脆性断裂，在最终发生低温断裂前，缺陷经历过腐蚀损伤、热焊损伤和裂纹疲劳等扩展过程。

  钢研总院报告总结有以下原因：

  (1)初始裂纹处有缺陷，母材腐蚀损伤；

  (2)温度较低，发生低温脆裂；

  (3)受重力影响，造成整个窑体断裂。

  1  窑筒体腐蚀问题

  水泥回转窑在工作时，几乎所有的原料和原煤(新疆是高硫地区，煤质中硫含量在3％～15％左右)中都含有一定量的氯、硫、磷等腐蚀性气体，这些腐蚀气体被汽化后，在窑内循环，与筒体母材中的铁离子发生反应，腐蚀筒体，筒体母材减薄，并且改变筒体的机械性能。

  新疆厂有多种窑型，其中3号窑是国内第一条窑外烧煤的700t/d,Φ3m×45m分解窑，从1981年6月投产至今。在每次换砖时都能发现窑体掉氧化皮，厚度为0.2～0.7mm左右。大牙轮是整体与窑筒体密封的，在大牙轮处掉皮尤其严重。该窑是箱型轮带散热较好，轮带下筒体氧化一般。

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  在1987年发生大牙轮处简体出现裂纹，长约700mm，简体材料为A3钢，通过检测发现大牙轮处筒体厚度原为25mm，而实际测量宽度900mm的大牙轮处平均仅为14rnm，裂纹处为最薄只有6.5mm。大牙轮外其余筒体也有不同程度的减薄，为20～22mm，但相对较少。分析原因是原窑体安装时在大牙轮段为马蹄口，窑体中心不同心，大牙轮震动较大，极易掉砖，导致产生局部高温，筒体氧化减薄严重，造成裂纹。因大牙轮设在窑中2号轮带边，加之大牙轮罩与窑筒体整体密封结构影响，使之散热不好温度较高，加剧了大牙轮处的局部高温，窑筒体氧化掉皮减薄更加严重。当时公司工程技术人员处理得当，先把裂纹处用磨光机磨掉氧化层，再打止裂孔后焊接，并在窑内大牙轮处大面积贴补1000mm长20mm厚钢板，分24块焊补上，处理后直到1989年更换筒体时也未再开裂。后期在窑技术改造时，我公司将大牙轮移至窑尾3号档轮带边，降低了筒体温度后，大牙轮处氧化掉皮就减轻了许多。

  1号窑是带余热发电的中空窑，该窑有3m长一节简体从1966年使用至今，在1997年窑筒体扩径改造时测量其筒体厚度几乎没变，筒体光亮，基本没有氧化。现在把它又放在窑尾段继续使用。4号窑在每次换砖时也都发现窑体掉氧化皮，厚度不等，有0.1-0.7mm左右。2号轮带处更为严重些。该窑轮带是实心轮带，轮带下筒体散热不好，虽然有风机冷却，因垫板较薄只有25mm，只冷却了轮带表面，而筒体内部没有得到充分冷却，造成散热不良，轮带下筒体氧化较严重。大牙轮与窑体有一定的空隙。散热较好，氧化一般。2005年2号轮带处筒体出现裂纹，长约800mm，筒体材料为209钢，通过检测发现轮带处简体厚度原为60mm，而测量宽度900mm的轮带处平均为50mm，裂纹最薄处只有10mm。大牙轮处其余筒体厚度原为28mm，也有不同程度的减薄，最薄处为20mm，但相对较少；烧成带简体平均减薄为25mm左右。分析原因是轮带与窑体散热不好，局部温度较高。

  当时因经验不足，对筒体裂缝只做了简单的焊接处理，简体断裂就是从此处裂缝两侧开始发展。在检修更换筒体时测量发现2号轮带下筒体厚度平均不到45mm，窑中分解段只有17mm，更换新简体后，新旧筒体有大约10mm的错台。

  通过分析认为3号、4号窑是预分解窑，平常表面温度分别为：2号档轮带边280℃、轮带外表面80℃、l号档轮带边250℃、轮带外表面100℃、烧成带为220℃，分解带为280~350℃。烧成温度虽高，但有窑皮保护，简体母材没有与窑内烟气接触，腐蚀较少，而分解带没有窑皮保护，烟气通过砖缝与简体母材接触，高温下起氧化反应，所以腐蚀厉害，筒体母材减薄较严重些。而3号窑大牙轮下和4号窑2号轮带下氧化严重，筒体减薄比较严重，原因是该处散热不好，造成局部温度高，氧化腐蚀严重，筒体相应减薄是必然的。1号窑是中空窑，烧成带温度较低，没有达到氧化温度，故没有氧化皮出现。通过观察大河沿的2500t／d和江苏溧阳的5000t／d新型干法窑，回转窑上也存在窑体掉氧化皮的现象，厚度为0.1～0.5mm左右，也是2号轮带处比较严重些。

  2  母材材质与温度

  4号窑断裂时温度为-7℃~-8℃左右。窑筒体所用材料209钢，其性能与原A3钢基本相同，精炼程度比后者要高。209钢只做常温下的冲击功试验，低温下没有要求，但对材料低温冷脆起影响的主要是元素P(磷)，在209钢中P含量要求控制在≤0．035％以下，比A3钢严格，其低温性应比A3钢好，但因原煤中有一定量的P存在，窑内烟气中亦含有P，与简体母材在高温下反应，提高了钢材的低温冷脆的温度要求。

  3  外力的作用

  4号窑是两档的超短窑，其两档的跨距相对较大，在窑热工操作稍有问题时，窑体就会发生弯曲，且弯曲较大，在大小牙轮处，顶间隙变化在10~20mm摆动，严重时还会顶齿根。

  在窑尾烟室处变化也比较大，摆动量有100mm左右，通过热转窑1~3d后才能逐步恢复正常。该窑设计窑尾段103节悬臂长达12m，造成窑尾部下挠力很大。经过几年的运行。可以发现2号托轮磨损明显大于1号托轮，2001年测量l号托轮平均磨损3mm，而轮带几乎没有磨损；而2号托轮则完全不同，平均磨损40mm，2号轮带也磨损2~3mm。分析认为，2号档受窑尾段节的下挠重力较大和大牙轮在2号轮带处加大了托轮受力。

  4  结 论

  综上所述，4号窑断裂的原因是先由窑筒体氧化腐蚀过大，筒体母材变薄，特别是轮带部位，垫板间隙小，冷却风吹不进去，轮带下筒体得不到充分冷却，造成局部高温氧化腐蚀。

  烟气中硫、磷的超标加速了筒体母材的氧化，使其改变了热态脆裂、冷态脆裂的温度需求，简体母材腐蚀减薄到一定程度时，在高温下就发生脆裂。由于当天点火升温时窑体轮带处的裂纹位置正好在垂直向上的位置上，升温过程中窑尾段节重力作用，加长了4号窑原有的800mm裂纹(因当时处理不当，造成缺陷没有消除，焊接的应力也没有消除掉)，加之温度较低，磷的超标使钢材冷脆温度升高，造成裂纹向窑尾扩展，受窑尾段节重力的影响迅速开裂，直至断裂。

  5  措 施

  为避免窑筒体发生高温氧化腐蚀损耗，延长其寿命，建议采取以下措施：

  （1）每次砌砖前，在窑内刷一层耐高温的涂料，这种涂料能隔绝烟气与窑简体的高温下的氧化反应，保护筒体，延长简体寿命。

  （2）改善轮带下筒体的散热条件，如加厚轮带垫板至90mm，再通过风机强制冷却，以降低轮带处简体温度。

  （3）严格控制筒体母材的硫磷含量，使之≤0.035%，特别是硫的含量，延缓钢材产生高温脆性裂纹的时间。