蠕墨铸铁在焦炉护炉铁件设计中的应用

蠕墨铸铁在焦炉护炉铁件设计中的应用顾玲，林积生(山东省冶金设计院，山东莱芜271104)摘要：蠕墨铸铁具有较高的机械性能和良好的抗热疲劳、耐磨损、耐热腐蚀的性能。采用蠕墨铸铁代替灰铸铁作护炉铁件材料，经对炉门、炉框、大保护板强度进行核算，证明蠕墨铸铁适合于护炉铁件，并具有可观的经济效益。关键词：焦炉；护炉铁件；蠕墨铸铁；强度核算中图分类号：TQ522.15:TG143.49文献标识码：Ｂ文章编号：1004-4620(2002)01-0042-02ApplicationofWormGraphiteCastIroninDeswigningCapIronofCokeOvenGULing,LINJi-sheng(ShandongMetallurgicalDesignInstitute,Laiwu271104,China)Abstract：Thewormgrappitecastironhasthebettermechanicalbehaviourandgoodperformanceofwearresistanceandresistancetoheatcorrosion.Substitutinggreycastironbywormgraphitecastironasamaterialofthecapironofoven,makinganaccountingtothestrengthofovengate,ovenframeandlargearmourplate,itisprovedthatthewormgraphitecastironissuitableforthecapironofoven,andhasconsiderablyeconomicalbenefits.Keywords：cokeoven;capironofoven;wormgraphitecastiron;strengthaccounting焦炉护炉铁件的作用是对炉体施加一定的压力,以抵消由温度变化产生的应力，保持焦炉砌体严密性和完整性，防止砌体发生裂变、变形。由于焦炉护炉铁件所在工作条件恶劣,在使用过程中炉温的冷热交替频繁,受热温度不均匀，焦侧炉框、保护板长期处于高温环境,普遍存在炉门并框、变形,保护板早期断裂,桥管阀体、上升管底座裂纹，装煤孔盖座、看火孔盖座、测温孔盖座使用周期短,因而消耗量过大。莱芜钢铁集团股份有限公司焦化厂(简称莱钢焦化厂)3#焦炉为42孔JN43-80G型焦炉，采用大保护板结构,更换保护板的工作相当困难。而在以前的焦炉设计中,护炉铁件的材质普遍采用铸铁HT150-200,由于强度、韧性等都较低,抗热疲劳性能差,因而直接影响护炉铁件的寿命。为了延长护炉铁件的寿命,减轻工人的劳动强度,提高效益,在3#焦炉护炉铁件的设计选材上,需寻求一种机械性能、耐热疲劳、延伸率等方面比普通灰铸铁更好的材料以适应现代化焦炉发展的要求。1蠕墨铸铁简介蠕墨铸铁是一种新型的工程材料，它不仅具有较高的机械性能，而且具有良好的抗热疲劳、耐磨损、耐热腐蚀的性能，是一种非常适合作护炉铁件的材料。蠕墨铸铁是在铁水中加入适当的蠕化剂和孕育剂制造的,蠕化剂使石墨形成蠕虫状,而孕育剂可消除白口和控制碳化物的数量，增加石墨结晶核心，细化组织，调节珠光体与铁素体的比例，同时防止蠕化衰退。蠕墨铸铁共有五种牌号，通过对蠕墨铸铁成分的分析和市场调研，针对护炉铁件的特点，最终选用牌号RuT340作为护炉铁件的材料。RuT340是以珠光体为主的混合基体蠕铁，珠光体与铁素体比约为2:1,具有较高强度、硬度、耐磨性和热导率，热疲劳性较好。该牌号的应用也不断扩大，宝山钢铁总厂从日本引进的焦炉的炉门、炉框、保护板等都是这种牌号，莱钢机械厂也于1998年5月研制成功。灰铸铁与蠕墨铸铁RuT340的性能、成分比较见表1～2。表1机械性能对比[1]牌号抗拉强度бb/MPa屈服强度бS/MPa延伸率/%硬度值HB组织HT200150～2000～0.3RuT340340270≥1170～249珠光体+铁素体表2化学成分对比%牌号CSiMnPSRE残Mg残HT2003.1～3.40.8～1.00.150.12RuT3403.5～3.92.7～2.80.5～1.00.10.030.0～0.060.015～0.0302炉门、炉框、大保护板采用蠕墨铸铁的核算2.1抗弯惯性矩Jx、断面系数Wn、Ww计算炉门铁槽横断面如图1所示，根据公式Jx=Jo+e2F(1)式中Jo——各小断面对本身形心的惯性矩，mm4；e——各小断面形心对X-X轴的距离，mm；F——各小断面面积，mm2。F1=1950mm2F2=4680mm2F3=5875mm2y1=156mmy2=58.5mmy3=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)横断面内半部的抗弯断面系数:Wn=∑Jx/yc=1.426×106(mm3)横断面外半部的抗弯断面系数:Ww=∑JX/(h-yc)=5.186×105(mm3)图1焦炉炉门铁槽横断面示意图2.2炉门中部横断面的惯性矩和断面系数Jx=1.2875×107(mm4)Wn=1.650×106(mm3)Ww=7.07×105(mm3)2.3炉门铁槽强度核算炉门材质为蠕墨铸铁时,其许用应力为100MPa[2]。假定刀边受力均匀,两横栓为铰接点,弯矩较大处在上横栓断面处及中处(如图2所示)。图2炉门长向受力示意图2.3.1上横栓断面的弯矩计算MA=qa2+Pa[2](2)式中q——刀边受力,一般为10～30N/mm;a——上横栓至刀边顶沿的距离，917mm；P——刀边顶缘受力，刀边顶缘长560mm，则P=q×560。б=MA/Wn[1]=28.4(MPa)≤100MPa2.3.2铁槽中部断面弯矩计算Mc=q·(L2-4·a2)/4-Pa(3)式中L——两横栓的距离，3090mm。代入(3)式得Mc为3.1×104kNm,则铁槽中部断面的侧筋板拉应力为:б=Mc/Ww[1]=43.8(MPa)≤100MPa2.4炉框强度计算大保护板型的炉框材质也是蠕墨铸铁,其许用应力100MPa[2]。该构件可近似看为多固定支点,在卡钩附近的螺栓位置弯矩最大(如图3所示)。图3炉框长向受力示意图MA=PL1L22/L22[2](4)式中P——横栓力，一般为(50～150)×103N;L1,L2——卡钩中心距离相邻固定螺栓位置，mm；L——固定螺栓距，即L=L1+L2，mm。L1=L2=250mm，L=500mm计算得MA为9.375×10６N·mm，代入(4)式得炉框螺栓位置断面处侧板拉应力为:=MA/Ww[1]=11.57(MPa)≤100MPa蠕墨铸铁的许用应力为100MPa，而普通灰铸铁的许用应力只有45MPa[2],通过以上炉门、炉框、大保护板强度的核算，可以看出蠕墨铸铁更适合用于护炉铁件上。３经济效益分析一座焦炉护炉铁件用量如表3所示。装煤孔盖座、看火孔盖座、测温孔盖座原为5～6个月换一次,使用蠕墨铸铁后,使用寿命提高了10倍左右,炉门、炉框大保护板寿命平均提高了2倍左右,而蠕墨铸铁的制造成本比普通灰铸铁仅提高10%左右。按蠕墨铸铁6000元/t计，仅各种孔盖座就能节约资金14.751万元/a,炉门框节约资金4.716万元/a,再加上炉门、保护板,平均每年能节约25万元。按焦炉使用寿命30年考虑，使用蠕墨铸铁后，节约资金约750万元或更多，效益很可观。表3一座焦炉护炉铁件用量名称数量/个单重/t总重/t装煤孔盖及座1260.12315.498看火孔盖及座12120.00637.6356蓄热室测温孔1760.008251.452机侧炉门421.98883.496焦侧炉门421.84877.616炉门框841.31110.04保护板861.9163.4总吨位合计1768459.1376