0 引言
在
有色金属冶金行业中,冶金炉是必备的冶炼设备,具有代表性的有闪速炉、顶吹炉、底吹炉、转炉、阳极炉、电炉、流态化焙烧炉、
侧吹炉等。 在冶金行业中常使用镁铬砖,用于砌筑炼钢平炉、炼钢电炉、有色金属冶炼炉等冶炼设备的衬里[1] 。 镁铬砖属于碱性耐火制品,一般是由烧结镁砂和铬矿砂为原料生产的,其热稳定性好,耐火度在 2 000°C 以上,耐温度急变和抗碱性炉渣的性能都较好[2] 。 冶金行业中常采用空气或氧气侧吹转炉用于铜、铅、锡、镍铁、浸出渣,尤其是再生金属的冶炼。
但是侧吹转炉存在着一项严重的问题,即用于安放氧枪的镁铬砖寿命很低,且极难进行热修补,空气侧吹转炉最高炉龄只有 200 炉左右;改用氧气侧吹转炉后,极限炉龄也只有 3 000 炉左右[3] 。 因此,更换
耐火砖成为侧吹转炉冶金的必要工序[4 - 6] 。伴随着冶金技术的发展,不少学术研究围绕更换耐火砖技术开展,主要聚焦于对冶金炉耐火砖拆除技术的改进,新型耐火砖拆除设备的研发以及探索如何用现有的耐火砖拆除技术满足特定的耐火砖拆除需求。 基于此,本文主要介绍了几种常见的更换耐火砖方法,并进行对比分析,旨在通过对耐火砖拆除技术发展现状进行分析,为冶金工艺设计提供参考。
1 耐火砖的拆除方法
1. 1 人工扒砖
高温作业的窑炉内衬大多使用耐火砖,如钢铁业高炉、热风炉、转炉、有色反射炉、回转窑等。 一般的砖耐热性能并不能满足高温工业要求,温度过高砖会开裂,甚至熔化,所以使用耐火度高的镁铬砖作为冶金炉耐火砖。 即使是镁铬耐火砖,在火炉经历长期的冶炼工作后依然需要拆除磨损严重的部分进行重新铺设以保证冶金炉的安全。 最初的拆卸方法是人工扒砖,具体的操作过程是等待上千度的冶金炉冷却后,工人师傅在炉侧轮流用风镐、撬杠、重锤等工具将耐火砖击碎并取出。 而耐火砖表层在上千度的冶炼高温下,形成一层较厚的致密层,冷却后,强度很高,异常坚固,给破拆工作带来较大的难度。人工扒砖需要较长时间的冷却等待时间,另外,增强了操作人员的劳动强度,而且还要花费较长的破拆时间,破拆的工作效率也很低。 据统计熟练人工拆砖平均速度 1 h 仅拆除 1 m,扒砖后还需要重新进行铺设。总之,人工扒砖过程存在噪音大、灰尘大、速度慢、安全性差、环境温度高、劳动强度高、工程周期长等问题,是人工进行耐火砖拆除工作的难点。
1. 2 机械耐火砖
拆除在 20 世纪 80 年代中期,美国的炉窑维修承包商 HDPC 最早在小型挖掘机上安装液压破碎锤,用于水泥回转窑内耐火砖的破拆。 在机械化破拆过程中,主要使用机载的液压破碎锤,将破拆机械开进维修的窑体内,液压破碎锤依靠液压回路间隙式驱动冲击锤芯打击钎杆来破拆残余耐火砖。 在拆除过程中,不仅噪音大,而且冲击锤芯不易控制。 有的残余耐火砖在钎杆冲击下表面产生微裂纹,但不易被观察到,若仍然受到钎杆的冲击作用,钎杆会失速,其尖端不可避免地撞击到窑体表面上,使窑体内表面产生损伤,随后冲击锤芯才能停止打击。 在破拆过程中,不同位置的耐火砖磨损程度不同,强度也不一样,钎杆受到的打击力很难做到随残余耐火砖的不同而精确调整,这也大大增加了钎杆对窑体的损伤。这些损伤点,最终造成窑体破裂而无法使用,带来巨大的经济损失。 正是由于液压打击力和破拆深度难以精确控制,所以企业一般较少采用机械化破拆方式。 机械破拆虽然降低了工人的工作强度但是不易控制,容易给工厂造成经济损失,并且机械化破拆的成本过高,企业需要承受巨大的经济压力。
图 1 机械耐火砖拆除[7] 结构示意图
1. 3 专用拆炉机
随着我国金属冶炼工业向规模化、现代化和专业化的发展,工厂对专业设备的需求在不断地增加。拆炉机是一种专门用于在冶炼行业对耐火层拆除的设备。 多数拆炉机是将机、电、液集成一体化形成液压伸缩式控制式拆炉、拆包的机械设备,主要由作业工具( 可更换) 、伸缩工作臂、平台、底盘四大部分组成,目前整机已经可以采用模块化进行系列化结构设计。 另外考虑到冶金行业对机械设备控制精度具有较高要求,拆炉作业现场的高温、高粉尘环境,就要求拆炉机具有结构稳定,功能多,强度高、力量大,作业半径大,噪音小,易于操作,便于维修等特点。为了满足企业的发展需求,我国学者对拆炉机的研究从未停止。
图 2 专用拆炉机[8] 结构示意图
1. 4 拆炉机器人
拆除机器人是一种基于恶劣、高危环境应运而生的一种可远端遥控的多功能工业机器人。 广泛应用于建筑行业拆除高危建筑、水泥行业进行破壁以及冶金行业对炉窑打壳或拆砖等。 由于拆除机器人具有安全性强、工作灵活程度较高且可控性好等特点,使其可以替代大量劳动力,更加安全的执行高危67 黄河科技学院学报作业,致使拆除机器人逐渐走进更多企业的视野。就国外而言,瑞典的布鲁克公司最早在 20 世纪 70年代就已经开始研发遥控式拆除机器人,目前仅有该公司以及德国的托普泰克等几家公司在研发生产该类机器人,专门研发冶金炉耐火砖拆除工作相关的遥控拆除机器人更是少之又少。 目前国内拆炉机器 人 的 研 发 也 比 较 少, 其 中 可 以 借 鉴 的 有 徐 必勇[4,9] 发明的分解炉破拆机器人。 以上无论是企业还是个人研发的拆炉机器人的结构基本都是由行走机构、机架、工作机构、回转机构、动力系统、信号接收器、控制系统等部分组成,总体结构较为复杂,但是可以通过改进特殊的结构设计进而提高拆炉机器人的性能。 总的来说拆炉机器人的特点是可以降低劳动强度、提高破拆效率,比传统的人力扒砖、机械拆砖更加安全、省时、可控。 但其维修成本高,一旦损伤,需要很长的停产时间,造成严重的经济损失。所以,该领域依然需要持续研究与发展。
图 3 拆炉机器人[9] 结构示意图
1. 5 爆破拆除技术
由于近半个世纪冶金行业的快速发展,炉内爆破拆除具有更加广阔的应用前景。 从 20 世纪 50 年代起我国也开始尝试进行爆破拆除,近年来得到了广泛的应用。 根据耐火砖拆除规模、冶金炉的类型、拆除具体要求、爆破具体环境等具体条件,爆破拆除时需要通过详细设计、加装防护措施,具体包括炸药量控制、耐火砖的破碎过程、冶金炉炉体的加装防护等,才能达到预期的爆破效果。 总之,既要将破除耐火砖,又不能影响冶金炉本身的结构强度。 此外,冶金炉炉体内部是高温、高压的一种极端环境,在炉内进行爆破拆除时还需要注意周围环境,既要控制爆破时产生的飞溅,又要控制爆破诱发的冶金炉炉体震动,还要确保周围的设备、工作人员的安全,尤其是炉内爆破作业的高温、高压问题,使得爆破拆除变得异常困难。 进行爆破作业之后还需进行温度的测量及爆破作业量的测量及评估,为后续作业提供技术支撑。 与人工拆除和使用机械设备拆除相比,爆破拆除技术难度高、成本高、危险性高,但其独有的拆除工期短,节省作业时间的优点,尤其是在大规模短期内进行升级换代时,比传统拆除方法更具有优越性。 但是爆破拆除具有很大的危险性,安全防护是一个很大的问题。 其次,爆破拆除工作需要一定的经验。
2 对比分析
如表 1 所示,在对冶金炉耐火砖拆除方法进行选择时,还需要考虑到其他因素,如拆除工作的时间、效率、安全性和环境保护等方面。人工扒砖法虽然所需技术水准相对较低,企业成本较低,但是人工破拆噪音大、灰尘大、速度慢、安全性差、环境温度高、劳动强度高、周期长,同时还会产生较多的粉尘和噪音,不利于人员、环境的保护。
表 1 不同耐火砖的拆除方法对比拆除方法
拆除时长投入成本维护成本控制精度是否需冷却 危险性 工作强度企业适用范围技术水准发展潜力人工扒砖 超长 低 低 较低 是 高 高 小型,中型 低 低机械耐火砖拆除 长 中 较低 低 是 较高 较高 小型,中型 较低 较低专用拆炉机 较长 较高 高 高 否 低 低 小型,中型,大型 中 高拆炉机器人 较长 高 高 高 否 低 低 小型,中型,大型 高 高爆破拆除 短 高 无 较高 否 高 较高 中型,大型 较高 中机械耐火砖拆除法在效率和安全性方面相对较好,但是机械拆除液压打击力难以精确控制,破拆深度难以精确控制,对炉窑的结构要求比较敏感,如果结构不稳定容易引起炉窑变形或倒塌等安全事故,容易给工厂造成经济损失,而且机械化破拆的成本过高,需要承受巨大的经济压力,但是能够减少工人77郭魏源,等:冶金炉耐火砖的拆除方法分析的劳动强度,维护成本相对较低。专用拆炉机和拆炉机器人结构紧凑、坚固、功能多、刚性好、工作力量大、工作半径大,相比机械拆除法在精度和效率方面更高,且不需要对炉窑结构进行大幅度改动,同时还具有较好的安全性和环保性。爆破拆除法虽然具有工期短、节省劳动时间的特点,但是具有很大的危险性,对环境的影响较大,同时还需要进行严格的安全措施,使用成本也相对较高,仅适合于大规模的炉体拆除情况。综上所述,对于不同的企业来说,需要根据自身的实际情况选择适合自己的拆炉方法,并且在选择时需要综合考虑多方面因素,包括资金、炉窑规模、时间、效率、安全性和环保等方面。
人工扒砖法比较适合资金少、炉窑规模小的小型企业,以及准备拆除小型炉窑的中型企业。 机械耐火砖拆除法适合一般中型企业对结构比较稳固的小、中型炉窑耐火砖进行拆除工作。 专用拆炉机和拆炉机器人适合资金较为丰厚的中型企业以及大型企业,对小、中、大型炉窑耐火砖实施拆除工作。 而爆破拆除法适合资金雄厚的大型企业,需要对中型或大型冶金炉耐火砖短时间内完成拆除工作时使用。
3 发展趋势
对于耐火砖拆除技术的研究,发达国家的研究较为成熟,而我国通过借鉴外国成熟的经验,形成了本国独有的模式即多种方法并存的状态。 而人工拆除耗时太长,机械拆除又精度不足,已经无法胜任时代的需求。 爆破拆除技术虽然作为拆除大型冶金炉是一匹黑马,但是拆除的危险性太高,并不适合广泛使用。 拆炉机器人的技术较为复杂,既对材料有较高要求,又对控制系统有较高要求,研发成本和使用成本均较高,所以短期内并不适合多数企业大力投入研究。 综上所述,就现有技术中,专用拆炉机不论在成本、效率、安全性、技术难度还是控制精度上都比较优秀,具有很大的发展潜力。 所以,优化改进专用拆炉机,将会是我国未来冶金炉耐火砖拆除技术研究的主要趋势。随着技术的不断进步,未来可能在现有的拆炉技术中引入其他新技术,例如激光切割、水刀切割等。 这些技术不仅能够提高拆除效率和精度,同时还可以降低对环境的污染和噪音干扰。此外,还可以从耐火材料的可持续性、环保性,以及如何实现回收和再利用等方面解决重复拆除耐火砖的问题,抑或是提高耐火材料的耐磨性、热稳定性等性能。 这也将成为未来拆炉技术研究的重要方向。
4 总结
目前各种冶金炉耐火砖的拆除方法中人工扒砖、机械耐火砖拆除这两种方法不论是拆除的效率、成本还是精度都比不上其他方法,而爆破拆除发虽然效果显著,但危险性较大,且仅适用于大型冶金炉的拆除。 而拆炉机器人相较于专用拆炉机虽然可以远程控制,大大提高了施工过程的安全性,但是其高昂的成本却使许多中小型企业无法支撑。 所以通过提高专用拆炉机的技术性能,降低其投入与维护的成本,进一步提升其拆除效率与精度将是未来冶金炉耐火砖拆除领域的主要发展方向。
参考文献:
[1] 王志强,赵俊利,马彦晋,等. 基于 ANSYS Workbench 的拆炉机平台结构优化[ J] . 机械工程与自动化,2015(2) :62 - 63,66.
[2] 郭太清,韩美香,高履华,等. 拆炉机平台回转系统平衡性能改进[ J] . 新技术新工艺,2014(11) :90 - 91.
[3] 惠吉光,马兵,曹海滨. 拆炉机转炉清渣作业时液压油温的控制与改善[ J] . 冶金设备,246,2018( S1) :43- 45.
[4] 徐必勇. 一种炉窑耐火材料遥控破拆机器人[ P] . CN111595156A,2020 - 08 - 28.
[5] 刘洁,李燕伟,赵淑英,等. 一种拆炉机远程控制装置[ P] . CN205940184U,2017 - 02 - 08.
[6] 黄春灿,武郁璞,孙拓,等. 一种高效拆除转炉耐火砖的方法[ P] . CN113215352A,2021 - 08 - 06.
[7] 田长平,胡凡,程欢悦. 一种耐高温运转的拆炉机[ P] . CN218155519U,2022 - 12 - 27.
[8] 张兴权,陈剑剑,汪军,等. 一种回转窑残余耐火砖的破拆机器人及破拆方法[ P] . CN109780871A,2019 -05 - 21.
[9] 徐必勇,湛风光,黄志远,等. 一种分解炉破拆机器人[ P] . CN113172646A,2021 - 07 - 27.
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编辑：中冶有色技术网
来源：1. 黄河科技学院 应用技术学院 2. 济源市材料成型与模具制造技术重点实验室
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2025年03月25日 ~ 27日 
