0 引言

在有色金屬冶金行業(yè)中,冶金爐是必備的冶煉設(shè)備,具有代表性的有閃速爐、頂吹爐、底吹爐、轉(zhuǎn)爐、陽極爐、電爐、流態(tài)化焙燒爐、側(cè)吹爐等。 在冶金行業(yè)中常使用鎂鉻磚,用于砌筑煉鋼平爐、煉鋼電爐、有色金屬冶煉爐等冶煉設(shè)備的襯里[1] 。 鎂鉻磚屬于堿性耐火制品,一般是由燒結(jié)鎂砂和鉻礦砂為原料生產(chǎn)的,其熱穩(wěn)定性好,耐火度在 2 000°C 以上,耐溫度急變和抗堿性爐渣的性能都較好[2] 。 冶金行業(yè)中常采用空氣或氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐用于銅、鉛、錫、鎳鐵、浸出渣,尤其是再生金屬的冶煉。

但是側(cè)吹轉(zhuǎn)爐存在著一項(xiàng)嚴(yán)重的問題,即用于安放氧槍的鎂鉻磚壽命很低,且極難進(jìn)行熱修補(bǔ),空氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐最高爐齡只有 200 爐左右;改用氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐后,極限爐齡也只有 3 000 爐左右[3] 。 因此,更換耐火磚成為側(cè)吹轉(zhuǎn)爐冶金的必要工序[4 - 6] 。伴隨著冶金技術(shù)的發(fā)展,不少學(xué)術(shù)研究圍繞更換耐火磚技術(shù)開展,主要聚焦于對冶金爐耐火磚拆除技術(shù)的改進(jìn),新型耐火磚拆除設(shè)備的研發(fā)以及探索如何用現(xiàn)有的耐火磚拆除技術(shù)滿足特定的耐火磚拆除需求。 基于此,本文主要介紹了幾種常見的更換耐火磚方法,并進(jìn)行對比分析,旨在通過對耐火磚拆除技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析,為冶金工藝設(shè)計(jì)提供參考。

1 耐火磚的拆除方法

1. 1 人工扒磚

高溫作業(yè)的窯爐內(nèi)襯大多使用耐火磚,如鋼鐵業(yè)高爐、熱風(fēng)爐、轉(zhuǎn)爐、有色反射爐、回轉(zhuǎn)窯等。 一般的磚耐熱性能并不能滿足高溫工業(yè)要求,溫度過高磚會(huì)開裂,甚至熔化,所以使用耐火度高的鎂鉻磚作為冶金爐耐火磚。 即使是鎂鉻耐火磚,在火爐經(jīng)歷長期的冶煉工作后依然需要拆除磨損嚴(yán)重的部分進(jìn)行重新鋪設(shè)以保證冶金爐的安全。 最初的拆卸方法是人工扒磚,具體的操作過程是等待上千度的冶金爐冷卻后,工人師傅在爐側(cè)輪流用風(fēng)鎬、撬杠、重錘等工具將耐火磚擊碎并取出。 而耐火磚表層在上千度的冶煉高溫下,形成一層較厚的致密層,冷卻后,強(qiáng)度很高,異常堅(jiān)固,給破拆工作帶來較大的難度。人工扒磚需要較長時(shí)間的冷卻等待時(shí)間,另外,增強(qiáng)了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,而且還要花費(fèi)較長的破拆時(shí)間,破拆的工作效率也很低。 據(jù)統(tǒng)計(jì)熟練人工拆磚平均速度 1 h 僅拆除 1 m,扒磚后還需要重新進(jìn)行鋪設(shè)?？傊?人工扒磚過程存在噪音大、灰塵大、速度慢、安全性差、環(huán)境溫度高、勞動(dòng)強(qiáng)度高、工程周期長等問題,是人工進(jìn)行耐火磚拆除工作的難點(diǎn)。

1. 2 機(jī)械耐火磚

拆除在 20 世紀(jì) 80 年代中期,美國的爐窯維修承包商 HDPC 最早在小型挖掘機(jī)上安裝液壓破碎錘,用于水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)耐火磚的破拆。 在機(jī)械化破拆過程中,主要使用機(jī)載的液壓破碎錘,將破拆機(jī)械開進(jìn)維修的窯體內(nèi),液壓破碎錘依靠液壓回路間隙式驅(qū)動(dòng)沖擊錘芯打擊釬桿來破拆殘余耐火磚。 在拆除過程中,不僅噪音大,而且沖擊錘芯不易控制。 有的殘余耐火磚在釬桿沖擊下表面產(chǎn)生微裂紋,但不易被觀察到,若仍然受到釬桿的沖擊作用,釬桿會(huì)失速,其尖端不可避免地撞擊到窯體表面上,使窯體內(nèi)表面產(chǎn)生損傷,隨后沖擊錘芯才能停止打擊。 在破拆過程中,不同位置的耐火磚磨損程度不同,強(qiáng)度也不一樣,釬桿受到的打擊力很難做到隨殘余耐火磚的不同而精確調(diào)整,這也大大增加了釬桿對窯體的損傷。這些損傷點(diǎn),最終造成窯體破裂而無法使用,帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。 正是由于液壓打擊力和破拆深度難以精確控制,所以企業(yè)一般較少采用機(jī)械化破拆方式。 機(jī)械破拆雖然降低了工人的工作強(qiáng)度但是不易控制,容易給工廠造成經(jīng)濟(jì)損失,并且機(jī)械化破拆的成本過高,企業(yè)需要承受巨大的經(jīng)濟(jì)壓力。

圖 1 機(jī)械耐火磚拆除[7] 結(jié)構(gòu)示意圖

1. 3 專用拆爐機(jī)

隨著我國金屬冶煉工業(yè)向規(guī)模化、現(xiàn)代化和專業(yè)化的發(fā)展,工廠對專業(yè)設(shè)備的需求在不斷地增加。拆爐機(jī)是一種專門用于在冶煉行業(yè)對耐火層拆除的設(shè)備。 多數(shù)拆爐機(jī)是將機(jī)、電、液集成一體化形成液壓伸縮式控制式拆爐、拆包的機(jī)械設(shè)備,主要由作業(yè)工具( 可更換) 、伸縮工作臂、平臺、底盤四大部分組成,目前整機(jī)已經(jīng)可以采用模塊化進(jìn)行系列化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 另外考慮到冶金行業(yè)對機(jī)械設(shè)備控制精度具有較高要求,拆爐作業(yè)現(xiàn)場的高溫、高粉塵環(huán)境,就要求拆爐機(jī)具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,功能多,強(qiáng)度高、力量大,作業(yè)半徑大,噪音小,易于操作,便于維修等特點(diǎn)。為了滿足企業(yè)的發(fā)展需求,我國學(xué)者對拆爐機(jī)的研究從未停止。

圖 2 專用拆爐機(jī)[8] 結(jié)構(gòu)示意圖

1. 4 拆爐機(jī)器人

拆除機(jī)器人是一種基于惡劣、高危環(huán)境應(yīng)運(yùn)而生的一種可遠(yuǎn)端遙控的多功能工業(yè)機(jī)器人。 廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)拆除高危建筑、水泥行業(yè)進(jìn)行破壁以及冶金行業(yè)對爐窯打殼或拆磚等。 由于拆除機(jī)器人具有安全性強(qiáng)、工作靈活程度較高且可控性好等特點(diǎn),使其可以替代大量勞動(dòng)力,更加安全的執(zhí)行高危67 黃河科技學(xué)院學(xué)報(bào)作業(yè),致使拆除機(jī)器人逐漸走進(jìn)更多企業(yè)的視野。就國外而言,瑞典的布魯克公司最早在 20 世紀(jì) 70年代就已經(jīng)開始研發(fā)遙控式拆除機(jī)器人,目前僅有該公司以及德國的托普泰克等幾家公司在研發(fā)生產(chǎn)該類機(jī)器人,專門研發(fā)冶金爐耐火磚拆除工作相關(guān)的遙控拆除機(jī)器人更是少之又少。 目前國內(nèi)拆爐機(jī)器 人 的 研 發(fā) 也 比 較 少, 其 中 可 以 借 鑒 的 有 徐 必勇[4,9] 發(fā)明的分解爐破拆機(jī)器人。 以上無論是企業(yè)還是個(gè)人研發(fā)的拆爐機(jī)器人的結(jié)構(gòu)基本都是由行走機(jī)構(gòu)、機(jī)架、工作機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、信號接收器、控制系統(tǒng)等部分組成,總體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,但是可以通過改進(jìn)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)而提高拆爐機(jī)器人的性能。 總的來說拆爐機(jī)器人的特點(diǎn)是可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高破拆效率,比傳統(tǒng)的人力扒磚、機(jī)械拆磚更加安全、省時(shí)、可控。 但其維修成本高,一旦損傷,需要很長的停產(chǎn)時(shí)間,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。所以,該領(lǐng)域依然需要持續(xù)研究與發(fā)展。

圖 3 拆爐機(jī)器人[9] 結(jié)構(gòu)示意圖

1. 5 爆破拆除技術(shù)

由于近半個(gè)世紀(jì)冶金行業(yè)的快速發(fā)展,爐內(nèi)爆破拆除具有更加廣闊的應(yīng)用前景。 從 20 世紀(jì) 50 年代起我國也開始嘗試進(jìn)行爆破拆除,近年來得到了廣泛的應(yīng)用。 根據(jù)耐火磚拆除規(guī)模、冶金爐的類型、拆除具體要求、爆破具體環(huán)境等具體條件,爆破拆除時(shí)需要通過詳細(xì)設(shè)計(jì)、加裝防護(hù)措施,具體包括炸藥量控制、耐火磚的破碎過程、冶金爐爐體的加裝防護(hù)等,才能達(dá)到預(yù)期的爆破效果。 總之,既要將破除耐火磚,又不能影響冶金爐本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。 此外,冶金爐爐體內(nèi)部是高溫、高壓的一種極端環(huán)境,在爐內(nèi)進(jìn)行爆破拆除時(shí)還需要注意周圍環(huán)境,既要控制爆破時(shí)產(chǎn)生的飛濺,又要控制爆破誘發(fā)的冶金爐爐體震動(dòng),還要確保周圍的設(shè)備、工作人員的安全,尤其是爐內(nèi)爆破作業(yè)的高溫、高壓問題,使得爆破拆除變得異常困難。 進(jìn)行爆破作業(yè)之后還需進(jìn)行溫度的測量及爆破作業(yè)量的測量及評估,為后續(xù)作業(yè)提供技術(shù)支撐。 與人工拆除和使用機(jī)械設(shè)備拆除相比,爆破拆除技術(shù)難度高、成本高、危險(xiǎn)性高,但其獨(dú)有的拆除工期短,節(jié)省作業(yè)時(shí)間的優(yōu)點(diǎn),尤其是在大規(guī)模短期內(nèi)進(jìn)行升級換代時(shí),比傳統(tǒng)拆除方法更具有優(yōu)越性。 但是爆破拆除具有很大的危險(xiǎn)性,安全防護(hù)是一個(gè)很大的問題。 其次,爆破拆除工作需要一定的經(jīng)驗(yàn)。

2 對比分析

如表 1 所示,在對冶金爐耐火磚拆除方法進(jìn)行選擇時(shí),還需要考慮到其他因素,如拆除工作的時(shí)間、效率、安全性和環(huán)境保護(hù)等方面。人工扒磚法雖然所需技術(shù)水準(zhǔn)相對較低,企業(yè)成本較低,但是人工破拆噪音大、灰塵大、速度慢、安全性差、環(huán)境溫度高、勞動(dòng)強(qiáng)度高、周期長,同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生較多的粉塵和噪音,不利于人員、環(huán)境的保護(hù)。

表 1 不同耐火磚的拆除方法對比拆除方法

拆除時(shí)長投入成本維護(hù)成本控制精度是否需冷卻 危險(xiǎn)性 工作強(qiáng)度企業(yè)適用范圍技術(shù)水準(zhǔn)發(fā)展?jié)摿θ斯ぐ谴u 超長 低 低 較低 是 高 高 小型,中型 低 低機(jī)械耐火磚拆除 長 中 較低 低 是 較高 較高 小型,中型 較低 較低專用拆爐機(jī) 較長 較高 高 高 否 低 低 小型,中型,大型 中 高拆爐機(jī)器人 較長 高 高 高 否 低 低 小型,中型,大型 高 高爆破拆除 短 高 無 較高 否 高 較高 中型,大型 較高 中機(jī)械耐火磚拆除法在效率和安全性方面相對較好,但是機(jī)械拆除液壓打擊力難以精確控制,破拆深度難以精確控制,對爐窯的結(jié)構(gòu)要求比較敏感,如果結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定容易引起爐窯變形或倒塌等安全事故,容易給工廠造成經(jīng)濟(jì)損失,而且機(jī)械化破拆的成本過高,需要承受巨大的經(jīng)濟(jì)壓力,但是能夠減少工人77郭魏源,等:冶金爐耐火磚的拆除方法分析的勞動(dòng)強(qiáng)度,維護(hù)成本相對較低。專用拆爐機(jī)和拆爐機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固、功能多、剛性好、工作力量大、工作半徑大,相比機(jī)械拆除法在精度和效率方面更高,且不需要對爐窯結(jié)構(gòu)進(jìn)行大幅度改動(dòng),同時(shí)還具有較好的安全性和環(huán)保性。爆破拆除法雖然具有工期短、節(jié)省勞動(dòng)時(shí)間的特點(diǎn),但是具有很大的危險(xiǎn)性,對環(huán)境的影響較大,同時(shí)還需要進(jìn)行嚴(yán)格的安全措施,使用成本也相對較高,僅適合于大規(guī)模的爐體拆除情況。綜上所述,對于不同的企業(yè)來說,需要根據(jù)自身的實(shí)際情況選擇適合自己的拆爐方法,并且在選擇時(shí)需要綜合考慮多方面因素,包括資金、爐窯規(guī)模、時(shí)間、效率、安全性和環(huán)保等方面。

人工扒磚法比較適合資金少、爐窯規(guī)模小的小型企業(yè),以及準(zhǔn)備拆除小型爐窯的中型企業(yè)。 機(jī)械耐火磚拆除法適合一般中型企業(yè)對結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)固的小、中型爐窯耐火磚進(jìn)行拆除工作。 專用拆爐機(jī)和拆爐機(jī)器人適合資金較為豐厚的中型企業(yè)以及大型企業(yè),對小、中、大型爐窯耐火磚實(shí)施拆除工作。 而爆破拆除法適合資金雄厚的大型企業(yè),需要對中型或大型冶金爐耐火磚短時(shí)間內(nèi)完成拆除工作時(shí)使用。

3 發(fā)展趨勢

對于耐火磚拆除技術(shù)的研究,發(fā)達(dá)國家的研究較為成熟,而我國通過借鑒外國成熟的經(jīng)驗(yàn),形成了本國獨(dú)有的模式即多種方法并存的狀態(tài)。 而人工拆除耗時(shí)太長,機(jī)械拆除又精度不足,已經(jīng)無法勝任時(shí)代的需求。 爆破拆除技術(shù)雖然作為拆除大型冶金爐是一匹黑馬,但是拆除的危險(xiǎn)性太高,并不適合廣泛使用。 拆爐機(jī)器人的技術(shù)較為復(fù)雜,既對材料有較高要求,又對控制系統(tǒng)有較高要求,研發(fā)成本和使用成本均較高,所以短期內(nèi)并不適合多數(shù)企業(yè)大力投入研究。 綜上所述,就現(xiàn)有技術(shù)中,專用拆爐機(jī)不論在成本、效率、安全性、技術(shù)難度還是控制精度上都比較優(yōu)秀,具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?所以,優(yōu)化改進(jìn)專用拆爐機(jī),將會(huì)是我國未來冶金爐耐火磚拆除技術(shù)研究的主要趨勢。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,未來可能在現(xiàn)有的拆爐技術(shù)中引入其他新技術(shù),例如激光切割、水刀切割等。 這些技術(shù)不僅能夠提高拆除效率和精度,同時(shí)還可以降低對環(huán)境的污染和噪音干擾。此外,還可以從耐火材料的可持續(xù)性、環(huán)保性,以及如何實(shí)現(xiàn)回收和再利用等方面解決重復(fù)拆除耐火磚的問題,抑或是提高耐火材料的耐磨性、熱穩(wěn)定性等性能。 這也將成為未來拆爐技術(shù)研究的重要方向。

4 總結(jié)

目前各種冶金爐耐火磚的拆除方法中人工扒磚、機(jī)械耐火磚拆除這兩種方法不論是拆除的效率、成本還是精度都比不上其他方法,而爆破拆除發(fā)雖然效果顯著,但危險(xiǎn)性較大,且僅適用于大型冶金爐的拆除。 而拆爐機(jī)器人相較于專用拆爐機(jī)雖然可以遠(yuǎn)程控制,大大提高了施工過程的安全性,但是其高昂的成本卻使許多中小型企業(yè)無法支撐。 所以通過提高專用拆爐機(jī)的技術(shù)性能,降低其投入與維護(hù)的成本,進(jìn)一步提升其拆除效率與精度將是未來冶金爐耐火磚拆除領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。

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