蠕墨鑄鐵在焦?fàn)t護(hù)爐鐵件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

蠕墨鑄鐵在焦?fàn)t護(hù)爐鐵件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 顧 玲， 林積生 (山東省冶金設(shè)計(jì)院，山東 萊蕪 271104) 摘要：蠕墨鑄鐵具有較高的機(jī)械性能和良好的抗熱疲勞、耐磨損、耐熱腐蝕的性能。采用蠕墨鑄鐵代替灰鑄鐵作護(hù)爐鐵件材料，經(jīng)對(duì)爐門、爐框、大保護(hù)板強(qiáng)度進(jìn)行核算，證明蠕墨鑄鐵適合于護(hù)爐鐵件，并具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞：焦?fàn)t；護(hù)爐鐵件；蠕墨鑄鐵；強(qiáng)度核算中圖分類號(hào)：TQ522.15:TG143.49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 文章編號(hào)：1004-4620(2002)01-0042-02 Application of Worm Graphite Cast Iron in Deswigning Cap Iron of Coke Oven GU Ling,LIN Ji-sheng (Shandong Metallurgical Design Institute,Laiwu 271104,China) Abstract：The worm grappite cast iron has the better mechanical behaviour and good performance of wearresistance and resistance to heat corrosion.Substituting grey cast iron by worm graphite cast iron as a material of the cap iron of oven,making an accounting to the strength of oven gate,oven frame and large armour plate,it is proved that the worm graphite cast iron is suitable for the cap iron of oven,an d has considerably economical benefits.Keywords：coke oven;cap iron of oven;worm graphite cast iron;strength accounting     焦?fàn)t護(hù)爐鐵件的作用是對(duì)爐體施加一定的壓力,以抵消由溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力，保持焦?fàn)t砌體嚴(yán)密性和完整性，防止砌體發(fā)生裂變、變形。由于焦?fàn)t護(hù)爐鐵件所在工作條件惡劣,在使用過程中爐溫的冷熱交替頻繁,受熱溫度不均勻，焦側(cè)爐框、保護(hù)板長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境,普遍存在爐門并框、變形,保護(hù)板早期斷裂,橋管閥體、上升管底座裂紋，裝煤孔蓋座、看火孔蓋座、測(cè)溫孔蓋座使用周期短,因而消耗量過大。萊蕪鋼鐵集團(tuán)股份有限公司焦化廠(簡(jiǎn)稱萊鋼焦化廠)3#焦?fàn)t為42孔JN43-80G型焦?fàn)t，采用大保護(hù)板結(jié)構(gòu),更換保護(hù)板的工作相當(dāng)困難。而在以前的焦?fàn)t設(shè)計(jì)中,護(hù)爐鐵件的材質(zhì)普遍采用鑄鐵HT150-200,由于強(qiáng)度、韌性等都較低,抗熱疲勞性能差,因而直接影響護(hù)爐鐵件的壽命。為了延長(zhǎng)護(hù)爐鐵件的壽命,減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高效益,在3#焦?fàn)t護(hù)爐鐵件的設(shè)計(jì)選材上,需尋求一種機(jī)械性能、耐熱疲勞、延伸率等方面比普通灰鑄鐵更好的材料以適應(yīng)現(xiàn)代化焦?fàn)t發(fā)展的要求。1  蠕墨鑄鐵簡(jiǎn)介    蠕墨鑄鐵是一種新型的工程材料，它不僅具有較高的機(jī)械性能，而且具有良好的抗熱疲勞、耐磨損、耐熱腐蝕的性能，是一種非常適合作護(hù)爐鐵件的材料。蠕墨鑄鐵是在鐵水中加入適當(dāng)?shù)娜浠瘎┖驮杏齽┲圃斓?蠕化劑使石墨形成蠕蟲狀,而孕育劑可消除白口和控制碳化物的數(shù)量，增加石墨結(jié)晶核心，細(xì)化組織，調(diào)節(jié)珠光體與鐵素體的比例，同時(shí)防止蠕化衰退。蠕墨鑄鐵共有五種牌號(hào)，通過對(duì)蠕墨鑄鐵成分的分析和市場(chǎng)調(diào)研，針對(duì)護(hù)爐鐵件的特點(diǎn)，最終選用牌號(hào)RuT340作為護(hù)爐鐵件的材料。RuT340是以珠光體為主的混合基體蠕鐵，珠光體與鐵素體比約為2:1,具有較高強(qiáng)度、硬度、耐磨性和熱導(dǎo)率，熱疲勞性較好。該牌號(hào)的應(yīng)用也不斷擴(kuò)大，寶山鋼鐵總廠從日本引進(jìn)的焦?fàn)t的爐門、爐框、保護(hù)板等都是這種牌號(hào)，萊鋼機(jī)械廠也于1998年5月研制成功。灰鑄鐵與蠕墨鑄鐵RuT340的性能、成分比較見表12。表1機(jī)械性能對(duì)比1牌號(hào)抗拉強(qiáng)度b/MPa屈服強(qiáng)度S/MPa延伸率/%硬度值HB組 織HT20015020000.3RuT340>340>2701170249珠光體+鐵素體表2化學(xué)成分對(duì)比%牌號(hào)CSiMnPSRE殘Mg殘HT2003.13.40.81.0<0.15<0.12RuT3403.53.92.72.80.51.0<0.1<0.030.00.060.0150.0302  爐門、爐框、大保護(hù)板采用蠕墨鑄鐵的核算2.1  抗彎慣性矩Jx、斷面系數(shù)Wn、Ww計(jì)算    爐門鐵槽橫斷面如圖1所示，根據(jù)公式 Jx=Jo+e2F                 (1)式中 Jo各小斷面對(duì)本身形心的慣性矩，mm4；   e各小斷面形心對(duì)X-X 軸的距離，mm；     F各小斷面面積，mm2。F1 = 1950mm2  F2 = 4680mm2  F3 = 5875mm2  y1 = 156mm y2 = 58.5mm y3 = 12.5mmyc=(F1 · y1 + F2 · y2 + F3 · y3)/F = 52(mm)代入(1)式得:          Jx1 = 4.415×107(mm4)        Jx2 = 1.107×107(mm4)        Jx3 = 1.894×107(mm4)Jx = Jx1 + Jx2+ Jx3 = 7.416×107(mm4)橫斷面內(nèi)半部的抗彎斷面系數(shù):W n = Jx/yc = 1.426×106(mm3)橫斷面外半部的抗彎斷面系數(shù):W w = JX/(h-yc) = 5.186×105(mm3)圖1 焦?fàn)t爐門鐵槽橫斷面示意圖2.2  爐門中部橫斷面的慣性矩和斷面系數(shù)    Jx = 1.2875×107(mm4)Wn = 1.650×106(mm3)Ww = 7.07×105(mm3)2.3  爐門鐵槽強(qiáng)度核算    爐門材質(zhì)為蠕墨鑄鐵時(shí),其許用應(yīng)力為100MPa2。假定刀邊受力均勻,兩橫栓為鉸接點(diǎn),彎矩較大處在上橫栓斷面處及中處(如圖2所示)。圖2  爐門長(zhǎng)向受力示意圖2.3.1  上橫栓斷面的彎矩計(jì)算MA = qa2 + Pa2                 (2)式中 q刀邊受力,一般為1030N/mm; a上橫栓至刀邊頂沿的距離，917mm； P刀邊頂緣受力，刀邊頂緣長(zhǎng)560mm，則P = q × 560。    = MA/Wn1 = 28.4(MPa)100MPa2.3.2  鐵槽中部斷面彎矩計(jì)算 Mc = q · (L2 - 4 · a2)/4 - Pa    (3)式中 L兩橫栓的距離，3090mm。代入(3)式得 Mc 為 3.1×104kNm,則鐵槽中部斷面的側(cè)筋板拉應(yīng)力為:  = Mc /Ww1 = 43.8(MPa)100MPa2.4  爐框強(qiáng)度計(jì)算大保護(hù)板型的爐框材質(zhì)也是蠕墨鑄鐵,其許用應(yīng)力100MPa2。該構(gòu)件可近似看為多固定支點(diǎn),在卡鉤附近的螺栓位置彎矩最大(如圖3所示)。圖3  爐框長(zhǎng)向受力示意圖 MA = P L1 L22/L222  (4)式中 P橫栓力，一般為(50150)×103N;     L1,L2卡鉤中心距離相鄰固定螺栓位置，mm；    L固定螺栓距，即L=L1+L2，mm。     L1=L2=250mm，L=500mm計(jì)算得MA為9.375×10N·mm，代入(4)式得爐框螺栓位置斷面處側(cè)板拉應(yīng)力為:=MA/Ww1=11.57(MPa)100MPa蠕墨鑄鐵的許用應(yīng)力為100MPa，而普通灰鑄鐵的許用應(yīng)力只有45MPa2,通過以上爐門、爐框、大保護(hù)板強(qiáng)度的核算，可以看出蠕墨鑄鐵更適合用于護(hù)爐鐵件上。 經(jīng)濟(jì)效益分析一座焦?fàn)t護(hù)爐鐵件用量如表3所示。裝煤孔蓋座、看火孔蓋座、測(cè)溫孔蓋座原為56個(gè)月?lián)Q一次,使用蠕墨鑄鐵后,使用壽命提高了10倍左右,爐門、爐框大保護(hù)板壽命平均提高了2倍左右,而蠕墨鑄鐵的制造成本比普通灰鑄鐵僅提高10%左右。按蠕墨鑄鐵6000元/t計(jì)，僅各種孔蓋座就能節(jié)約資金14.751萬元/a,爐門框節(jié)約資金4.716萬元/a,再加上爐門、保護(hù)板,平均每年能節(jié)約25萬元。按焦?fàn)t使用壽命30年考慮，使用蠕墨鑄鐵后，節(jié)約資金約750萬元或更多，效益很可觀。表3 一座焦?fàn)t護(hù)爐鐵件用量名 稱數(shù) 量/個(gè)單 重/t總 重/t裝煤孔蓋及座1260.12315.498看火孔蓋及座12120.00637.6356蓄熱室測(cè)溫孔1760.008251.452機(jī)側(cè)爐門421.98883.496焦側(cè)爐門421.84877.616爐門框841.31110.04保護(hù)板861.9163.4總噸位合計(jì)1768459.1376