篦冷机高温篦板使用失效原因分析及解决方案.pdf

摘要：随着篦冷机高温篦板使用量的快速增长，叶片断裂、磨损、弯曲等失效问题日益突出。通过对篦冷机高温篦板失效状态进行分类及原因分析，提出了改进思路，研发了具有更好高温力学性能的新材料篦板，优化了篦板结构，并采用精密（失蜡）工艺及无损RT射线进行了新材料篦板铸造及质量检测。优化升级后的高温篦板在使用一年后，篦板叶片基本无磨损和变形，整体应用情况良好。关键词：高温篦板；高效急冷斜坡技术；精密铸造；质量检验中图分类号：TQ172.622.4 文献标识码:B 文章编号：1001-6171（2023）04-0028-06DOI：10.19698/ki.1001-6171.20234028通讯地址：天山水泥股份有限公司，上海 200126；收稿日期：2023-06-01；编辑：孙 娟篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效篦冷机高温篦板使用失效原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案原因分析及解决方案张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆张忠圆Failure Analysis and Solution of High Temperature Grate Plates in Grate CoolerZHANG Zhongyuan（Tianshan Cement Co.,Ltd.,Shanghai 200126,China）Abstract:With the rapid growth of the usage of high-temperature grate plates in grate coolers,failureproblems such as blade breakage,wear,and bending had become increasingly prominent.Throughclassifying and analyzing the failure state of high-temperature grate plates,improvement ideas wereproposed.New material with better high-temperature mechanical properties was developed,thestructure of the grate plate was optimized,and precision(lost wax)technology and non-destructive RTray was used for new material casting and quality inspection.After one year of utilization,theoptimized and upgraded high-temperature grate plate blades were basically free from wear anddeformation,and the overall application was in good condition.Key words:high temperature grate plate;efficient rapid cooling slope technology;precision casting;quality inspection装备技术CEMENT TECHNOLOGY 2023/4281前言天津水泥工业设计研究院有限公司（以下简称“天津水泥院”）自主设计研发的第四代篦冷机，是目前国内综合性能较为优异的篦冷机机型，其核心技术包括：高效急冷斜坡技术、新型前吹高效篦床篦板技术、高温区细分供风技术、高温耐磨材料创新技术、新型流量调节阀技术及智能化“自动驾驶”技术。其中，高效急冷斜坡技术主要应用于具有高速射流效果的新型高温篦板，替代传统的固定斜坡高温篦板。图1展示了高效急冷斜坡高温篦板风道冷却路径及优化前后软件模拟分析结果。为实现高速射流风道效应，高温篦板需具备以下三个条件：（1）形成风道效应的篦板叶片，需具备较好的高温强度，使用过程中不能发生弯曲变形；（2）篦板叶片需具备较好的高温耐磨性能，使用过程中磨损速率缓慢；（3）篦板框架结构稳定，框架整体需具备较好的耐高温性能，使用过程中不能发生挤压弯曲变形。近年来，第四代篦冷机使用量高速增加，高温篦板在使用过程中逐渐凸显出了一些问题。通过对2019年之前投产的高温篦板进行统计，发现约5%高温篦板使用后存在不同程度的失效问题，失效原因各不相同。天津水泥院对高温篦板失效状态进行了收集汇总分类并分析了失效原因，提出了解决方案，采用力学性能更优的新篦板材料、适宜的篦板铸造成型工艺和质量检验方法以保证篦板的使用效果。多个项目实际应用情况表明，新篦板使用效果良好。2篦板的失效方式分类高温篦板使用过程中的失效方式分为四类。每类失效方式占总失效方式的比例及发生时间统计结果如表1所示。第一类：篦板叶片自身塌陷弯曲变形，如图2所示。第二类：篦板叶片断裂，但断裂位置有规律，如图3所示。第三类：篦板叶片前端发生磨损、开裂、掉块等问题，影响篦板使用效果和寿命，如图4所示。第四类：篦板叶片和框架整体拱起，弯曲变形，如图5所示。3篦板失效原因分析从表1可以看出，高温篦板的失效方式以第一类最为常见，约占总失效方式的75%，一般在使用12个月后发生；第二、三类失效方式，约占总失效方式的20%，一般发生在使用初期的1个月左右；第四类失效方式比较少见，约占总失效方式的5%左右，一般在使用12个月后发生。排查分析各类失效方式失效原因如下。（1）第一类失效方式失效原因现场勘察发现，第一类失效方式篦板的叶片在a 高效急冷斜坡高温篦板风道冷却路径b 软件模拟分析结果图 1高效急冷斜坡高温篦板风道冷却路径及优化前后软件模拟分析结果对比优化后优化前装备技术2023年第4期29图4叶片前端掉块失效图5叶片和框架挤压弯曲变形失效装备技术CEMENT TECHNOLOGY 2023/4图2叶片自身塌陷变形失效图3叶片断裂失效使用12个月后，磨损减薄严重，强度显著降低，在物料冲击及高速冷却风的综合作用下，叶片自身塌陷弯曲变形。此类失效方式，不仅叶片与叶片配合形成的具有高速射流效果的风道失效，且变形叶片和未变形叶片不同程度贴合在一起，导致通风风道截面减小甚至堵死，造成篦冷机热交换效果变差。（2）第二、三类失效方式失效原因虽然第二、三类失效方式篦板的失效部位不同，第二类是在叶片的一侧开裂，第三类是在叶片的前端开裂、掉块，但是这两类失效方式均为叶片本身开裂失效导致，均发生在使用1个月左右的短时间内。分析原因，因物料下落到篦板上，对叶片产生冲击时，叶片与框架结合的刚度及叶片本身的刚度均无法有效抵抗物料冲击所致。（3）第四类失效方式失效原因第四类失效方式篦板比较少见，表现为篦板整体变形，即，叶片和篦板框架整体被挤压拱起，弯曲变形失效。现场勘测发现，篦板叶片磨损减薄后，发生弯曲变形并贴合在一起，造成通风不畅，致使篦板温度过高，发生整体热膨胀；同时，固定斜坡的框架制作也存在问题，导致整体热膨胀的篦板挤压在一起，最终两侧均受挤压力的12块篦板（叶片+篦板框架）拱起，发生弯曲变形。综上分析，为解决篦板失效问题，一方面，需进一步提升目前使用的耐热钢材料ZG40Cr25Ni20的力学性能；另一方面，需进一步优化叶片结构，提高篦板叶片、叶片和框架组装后的刚度和抗冲击力。4提高篦板力学性能和优化叶片结构的解决方案研发了一款可替换ZG40Cr25Ni20耐热钢篦板且在900高温状态下力学性能更优的新材料，对篦板叶片结构在现有基础上进行了优化升级。4.1篦板新材料的研发4.1.1新材料的设计思路ZG40Cr25Ni20耐热钢铸态组织为单一的奥氏表 1篦板失效状态汇总失效方式第一类第二、三类第四类占总失效方式的比例75%20%5%发生时间一般在使用 12 个月后一般在使用 1 个月左右一般在使用 12 个月后30体，工况温度727时不会发生相变，具有良好的热稳定性能，但缺乏强化相和热强性碳化物形成元素，高温力学性能不能满足使用要求。新材料的设计思路为研发一种碳化物强化奥氏体型、热强型耐热钢，因此，要求新材料的主要组织仍是奥氏体，以保证其在工况温度727时不会发生相变，具有良好的热稳定性能；同时，依靠不同的强化元素，保证新材料的高温力学性能。在拟研发的新材料中，Ni 元素含量低于ZG40Cr25Ni20中的Ni元素含量，需添加大量的Ni元素以形成稳定奥氏体组织，使新材料获得完全奥氏体组织，具有热强性；含有微量的N元素，同样起到形成并稳定奥氏体组织的作用，可提高强度和耐蚀性；含有大量的Cr元素和一定量的Si元素，可保证新材料具有高温抗氧化性能和耐腐蚀性1-2；添加一定量的Mo元素，能够提高钢的耐磨性和热强性，在钢中形成特殊碳化物，有效防止氯化物的热腐蚀3；添加微量的Nb元素，形成碳化物，产生弥散强化，改善抗晶间腐蚀能力，并细化晶粒；含有微量的Re元素，不仅对钢液起到净化作用，而且能够细化晶粒。4.1.2新材料的性能测定（1）新材料的热稳定性能采用铸造成型方式，将新材料制作成Y型试块；使用线切割方式，将 Y 型试块制成 20mm20mm10mm 的小试块；将小试块表面分别采用200目、600目的砂纸先后进行抛光处理；使用“90%盐酸+10%硝酸”溶液进行小试块表面腐蚀，腐蚀完成后，处理干净表面并烘干；放置在SEM扫描电子显微镜中进行EBSD电子背散射衍射测试，测试结果如图6所示。图 6新材料的 EBSD 测试结果050100150200250050100150200250Band Contrast0.255Iron fcc99.8%Band Contrast0.255Iron bccold0.198%=1 000m；BC；Step=4m；Grid698523a 晶粒形貌1020304050605 1030405015 20 25554535Grain BoundariesIron fccPhase-BLUEIron bccold0.198%Grain BoundariesIron bccold=1 000m；Pred+GB+Pblue+GB；Step=4m；Grid698523Phase-REDIron fcc99.8%b 相组成及分布装备技术2023年第4期31装备技术CEMENT TECHNOLOGY 2023/4由图6可以看出，新材料中99.8%