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金屬-微晶陶瓷耐磨襯板在煤倉漏斗中的應用

更新時間:2021/10/13 13:39:43

伍國韜1,張瑞鋒1,賈云吉2,李勝利2,賈錫永3,賈培祥3,

梁西偉4,王振春4,張衛兵4,王振林4,李永壽5,周明明5

(1.山西西山晉興能源有限公司,山西呂梁033602;

2.中煤西安設計工程有限公司,陜西西安710054;

3.安徽鑫永晟微晶材料有限公司,安徽滁州239001 ;

4.山西金信建筑工程有限公司,山西太原030053;

5.陜西建新煤化有限公司,陜西黃陵727300)

摘要:原煤倉漏斗的耐磨內襯對保護漏斗結構層有著極為重要的作用。通過對原煤倉耐磨內襯損壞機理的分析得知,原煤中腐蝕較強的酸性液體(含硫、磷等成分),是造成鋼材腐蝕和混凝土碳化的主要因素,裝倉時原煤塊體的沖擊是導致內襯變形或脫落的誘因,兩者共同作用,造成漏斗耐磨內襯的損壞。結合工程實例,針對性地提出新型漏斗耐磨內襯金屬-微晶陶瓷復合襯板,可有效解決因沖擊和腐蝕而造成耐磨內襯損壞的問題,對此類工程的設計和施工有一定的參考價值。

關鍵詞:原煤倉;漏斗;耐磨內襯;損壞機理;金屬-微晶陶瓷復合襯板

中圖分類號:TD529;TD948文獻標識碼:A文章編號:1671-0959(2018)10-0061-05

       原煤倉是煤礦及選煤廠常見的構筑物,原煤倉漏斗的耐磨內襯對保護漏斗結構層有著極為重要的作用"。目前,原煤倉漏斗內襯通常采用壓延微晶板、鑄石板、耐磨鋼板或鋼軌等,實踐表明它們均能滿足一般工況下的使用要求。但隨著經濟的發展,煤倉的設計容量越來越大,裝倉時落料高度也隨之增加,原煤塊體劇烈的沖擊加之原煤酸性液體對鋼材和混凝土的腐蝕,常常造成常規內襯材料的損壞或脫落,致使耐磨內襯的使用年限遠遠小于設計值。原煤倉漏斗的結構層失去保護,從而極大地減短煤倉的使用壽命,甚至造成重大的安全事故。

       因耐磨內襯在工業生產領域有重要作用,國、內外的科研機構一直對其進行著深入的研究,有NMC型耐磨陶瓷襯板、鐵磁性耐磨襯板、耐磨高鉻鑄鐵和中鉻鑄鐵襯板、高合金耐磨襯板、中碳低合金耐磨鋼襯板等科研成果面世[2”]。然而,現原煤倉中常用的耐磨材料有鐵鋼砂混凝土、鑄石板、微品板、水泥基耐磨料等,但不能同時滿足抗沖擊、抗腐蝕、抗磨損性能,限于其產品的造價或使用條件,均不甚適用于原煤倉。本文提出的金屬-微品陶瓷復合襯板,是對此領域研究成果的補充。

漏斗結構及耐磨內襯損壞機理分析

1.1實地調研

      2017年8—12月份,筆者分別對使用鑄石板作為內襯材料的山西西山晉興能源斜溝礦原煤倉和使用鋼軌作為內襯材料的陜西黃陵建新煤礦井下原煤倉的漏斗耐磨內襯做了深入的調查研究。

斜溝礦原煤倉為內徑30m的鋼筋混凝土筒倉,倉體高62m,漏斗耐磨內襯采用鑄石板。倉底給煤機上方漏斗承重梁端部出現滲水現象,且從漏斗放出的原煤中夾雜著鑄石板碎塊;后期清空原煤倉后發現,多處鑄石板脫落,漏斗口鋼筋混凝土結構中的受力鋼筋部分外露且磨損嚴重。根據上述的調研情況,分析得知漏斗結構耐磨內襯損壞的主要原因是混凝土的腐蝕[+]和原煤塊體的沖擊。

1.2漏斗結構層腐蝕原理分析

     原煤中含有s、P、Cl等元素,在水的作用下,形成酸性液體,尤其是井下煤倉的防塵水循環使用,使得原煤中水的酸性較高,其pH值在2~5之間。原煤倉漏斗內襯鑄石板在受到較大沖擊脫落后,鋼筋混凝土就暴露出來。在漏斗結構層直接受到較大沖擊時,鋼筋混凝土的表面產生微裂紋,含有s、P、Cl的酸性液體由虹吸作用滲透進入鋼筋混凝土中。表層持續不斷的沖擊損壞,微裂紋也不斷地擴散和深入,加之鋼筋混凝土中的氣孔是開放性的,更加速了酸性液體的滲入。當酸性液體到達鋼筋體的表面時,原本處于堿性環境保護的鋼筋的鈍化膜遭破壞,鋼筋被腐蝕生銹,變成Fe,0,后體積變大,也就就是所謂的膨脹腐蝕。由此導致混凝土對于鋼筋的握住力下降,對鋼筋混凝土結構造成極大的不利影響,是混凝土強度降低或損壞的重要原因。

1.3耐磨內襯的沖擊作用分析

       對斜溝煤礦的煤倉落料沖擊進行計算分析,煤塊容重在10~12kNm',最大煤塊重量約210kg,最大落煤高度約62m,計算可得沖擊強度12.54MPa,計算過程見表1。一般的鋼材可以抵御這個沖擊強度。由于建南礦的原煤倉落煤高度是37m,小于62m 的斜溝礦,相同質量的原煤落下,沖擊強度小于12.54MPa。由兩者對比可知,造成原煤倉漏斗結構層和耐磨內襯損壞的主要原因并不是沖擊和磨損,更重要的因素是腐蝕,高強度的沖擊僅僅是誘因。沖擊造成結構面產生微裂縫,而原煤中的酸性物質對結構層造成更深入的腐蝕,沖擊作用促進了腐蝕的深度和速度。

金屬-微晶陶瓷復合襯板的設計應用

2.1金屬-微品陶瓷復合襯板的材料選取

      因為金屬-微晶陶瓷復合襯板的功能是解決沖擊、磨損與腐蝕問題,所以采用了金屬與非金屬材料的復合:①金屬材料選擇的原則是抗沖擊韌性好、可加工焊接性能好(因在每一個單體結構中,必須把所有的單件襯板焊接成整體,以提高復合襯板抗沖擊和抗滲透性能)、具有一定的耐酸性液體的腐蝕能力,設計用Q235的鋼材是比較合理,因其比錳鋼沖擊韌性好(錳含量越高韌性越差)、焊接性能好(尤其在原煤倉內的環境下),還可以降低復合襯板的造價;②非金屬材料選擇的原則是耐磨損性能好、耐腐蝕性能好,所以選擇了具有優異的耐磨耐腐和耐溫性能(是錳鋼的15倍)的壓延微晶陶瓷(玻璃);③使用堿性膠粘劑,這是因為金屬材料和鋼筋混凝土簡倉內壁與堿性膠粘劑是環境友好型的,在選擇有機膠黏劑時不可以選用酸性樹脂,如呋喃樹脂°,因為呋喃樹脂的pH值在2~5,酸性比較強,改性比較困難。

2.2金屬-微晶陶瓷復合襯板受力分析

2.2.1單件復合襯板所受到的沖擊載荷

       62m高的煤塊下落到倉底,由位能轉換成動能,沖擊到襯板上我們稱之為沖擊載荷,沖擊載荷在單件襯板上產生的沖擊應力除與襯板的形狀、體積和局部彈塑性變形等有關外,還同與其襯板與其相連的復合襯板有關。如果復合襯板之間的連接是絕對剛體,則沖擊能全部為該被沖擊的復合襯板所承受;但是絕對剛體的連接是一種理想狀態,所以復合襯板之間連接的剛度為某一值,則沖擊能為整個體系所承擔,該受到直接沖擊的復合襯板,只承受沖擊能的一部分,所以復合襯板在獨立的單元體內必須焊接安裝為一體。

由于煤塊與金屬-微晶陶瓷復合襯板在沖擊過程中,煤塊屬于非彈性碰撞,而金屬-微晶陶瓷復合襯板可以視為完全彈性碰撞,由于復合襯板在同一個單元內連成一體的,所以復合襯板的質量應不小于煤塊質量,碰撞時間t=( 1+e) b/(u,+u.yl,b=0.3m,u,= 34.86m/ s,u,=0,e是彈性碰撞時的恢復系數,由于煤塊與其發生碰撞時復合襯板不會發生質心位移,所以這里的e=0,b是煤塊的截面尺寸我們假設煤塊與復合襯板是垂直縱向碰撞(不是一般性),而且復合襯板是靜止,所以ur=0,ux= 34.86m7 s。在本次的計算碰撞時間取t=b/ u, =0.3/734.86=0.0086s,計算結果與文獻〔7]吻合。

2.3金屬-微晶陶瓷復合襯板的性能參數及制作方法

      解決鋼筋混凝土簡倉漏斗的腐蝕問題,首先要解決大煤塊或研石的沖擊問題,顯然在上述沖擊強度下無機材料做成的耐磨襯板,包括壓延微晶板都是抵御不了沖擊造成的損毀。由安徽華慧晶甲微晶材料有限公司的金屬-微品玻璃板結構件專利產品的啟發,設計了一種裝配式金屬-微晶陶瓷構建襯板(目前此項技術已獲得專利權),使用抗沖擊韌性好的金屬材料與耐腐蝕、耐磨損性能好的微晶陶瓷材料,采用高強度堿性粘結劑[,這是因為堿性微晶陶瓷澆注料對于金屬框架和鋼筋混凝土簡倉是友好型的,能夠防止金屬銹蝕,而且還使得金屬表面形成“鈍化膜”,同理也可以防止鋼筋混凝土碳化。

通過科學的配方和粒度特性組成復合材料,微晶陶瓷抗壓強度大于10OOMPa,采用沖擊式的破碎原理,所以微晶陶瓷的球狀顆粒少,如果不能傲到科學的級配,微品陶瓷澆注料的密實度不好,影響澆注料的抗滲透性能,因此通過正交試驗獲得最佳的粒度組成(澆注料的體密度最大),用澆注料的密度為目標函數建立數學模型,然后對目標函數求最大值,在有界范圍內的多項式函數是可以求出最佳極值區域的,也就是微晶陶瓷澆注料的密度比較大(2.4~2.6/ cm')。添加適當的“添加劑”所形成的微晶陶瓷澆注料,不但耐腐蝕,耐磨損,而且抗滲透能力強,在九宮格形金屬板的保護下,微品陶瓷澆注料的壓縮強度可以提高一個數量級。

2.4金屬-微品陶瓷復合襯板的安裝工藝

2.4.1提高復合襯板與殼體結合層的抗滲透性能

        一般情況下,金屬-微晶陶瓷結構件的規格為( 400 ~450) mm×( 400~450) mm×( 30~ 60) mm,主要是考慮施工搬運方便,在安裝時第一層必須生根牢固,即根基一定要和簡倉的結構層焊接牢固。如果二次安裝,則需在鋼筋混凝土中加密植入螺栓,螺栓錨固在鋼筋混凝土中的鋼筋上方,這樣復合襯板受力時由螺栓傳遞到鋼筋混凝土的鋼筋上,復合襯板與倉體結構層之間留有20~50mm 的間隙(新建倉可以20mm)。相鄰的兩塊復合襯板的連接處,必須用螺栓把鋼筋混凝土殼體與復合襯板連接焊接牢固,這是把復合襯板與殼體連接成整體的一個重要措施。在結構件左、右、下的連接板與螺栓都焊接牢固后,金屬-微晶陶瓷復合襯板與襯板的連接處用模板立模,這樣便于灌漿時氣體的排除,焊接一層后就可以用微晶陶瓷澆注料從上口澆灌下去,搗鼓密實不得有空洞,等到微晶陶瓷澆注料初凝后(初凝時間不大于 50min"'),用壓延微晶溝槽紋板把連接縫砌筑上,微晶板不得高出兩邊的金屬-微晶陶瓷復合襯板。灌漿料與金屬-微品陶瓷復合襯板中澆注料是相同材質,是為了保證材料結合的相容性好,提高金屬-微晶陶復合襯板層的抗滲透性能,由于微晶陶瓷澆注料是堿性材料,對于鋼筋混凝土能夠起到很好的保護作用,防止酸性液體從殼體中滲入到復合襯板內部而腐蝕金屬材料和焊接點。

2.4.2相鄰的金屬-微品陶瓷復合襯板焊接成一整體

        原則上,在一個獨立單元內所有的復合襯板必須焊接成一整體,這樣在原煤倉儲煤的運行過程中,任何一個落料點遭受到沖擊時,沖擊點主要是受到可以分解為正壓力和剪切力,由于金屬-微晶陶瓷結構件的抗壓強度很大,不會因為沖擊產生的壓縮力破壞了結構件;剪切力的產生使得金屬九宮格的框架受到的是拉力,Q235金屬板的抗拉強度標準值是235MPa,而最大剪切破壞強度是 12.54MPa,所以原煤倉落料中的煤塊和研石的沖擊力不足以破壞金屬-微品陶瓷復合襯板。

2.4.3復合襯板最上層的封口處理

       金屬-微晶陶瓷復合襯板的造價成本較高,所以在一般情況下,斜坡最高面與簡倉直壁段相交處,向上直壁段安裝2m即可,特除情況下可根據現場煤倉實際損毀情況確定安裝高度。所以每一個安裝復合襯板的獨立體的上口,應用壓延微晶專用膠泥做封口處理,以防止酸性液體從封口處滲透到復合襯板中。一般來說復合襯板安裝的部位就是落料點和大塊矸石沖擊(這里指的是大塊研石滾落沖擊倉壁)的部位,倉壁的立面安裝有4~5層復合襯板,主要是起到封口作用,復合襯板以上砌筑壓延微晶溝槽紋板[1212。這樣不但能解決沖擊問題,而且可以解決原煤粘附倉壁死角的問題,增加簡倉的有效容積。山西西山晉興能源斜溝礦原煤倉,清倉時粘結在斜面和立面的死角煤量有5000t之多,有效容積就減少了六分之一,由此可見,在煤倉漏斗頂面以上3000mm高度范圍內的倉壁上敷貼壓延微晶溝槽紋板是必要的。

綜上所述,金屬-微晶陶瓷復合襯板的設計、制作和安裝的每一個環節都非常重要。復合襯板在制作時,應保證每個焊接點焊縫寬不小于10mm;微晶陶瓷澆注料填充在九宮格中必須是密實的,加入提高抗滲性能的添加劑后,抗滲性的等級大于1.2;殼體與結構件的粘結材料采用同質材料━微品陶瓷澆注料,這樣能與復合襯板中的微晶陶瓷澆注料結合牢固;最后在同一個獨立體中,所有的金屬-微晶陶瓷復合襯板要焊接為一整體,而且復合襯板與殼體在膨脹螺栓焊接和微晶陶瓷澆注料的粘結下,同樣形成一個整體,這就是金屬-微晶陶瓷復合襯板設計的核心技術。所以為了達到這個目的,必須從材料的選擇、復合襯板的制作到安裝,自始至終貫穿著整體性好、抗滲透性能強的指導思想。

4結語

       原煤倉、金屬礦山料倉和非金屬礦山料倉的沖擊與腐蝕是一個普遍存在的問題,通過深人的調查研究,發現原料倉的損毀沖擊是誘因,而原料中液體腐蝕、碳化作用才是真正的主要因素。本文提出的金屬-微晶陶瓷復合襯板,是金屬與非金屬材料的有機結合,可有效提高復合襯板的抗沖擊性能和耐腐蝕性能,在煤炭、冶金等行業的倉儲耐磨應用上有廣泛的適用性。但有些指標有著負相關的性能,比如提高微品陶瓷的抗沖擊性能時,其受壓強度就有所下降(在相同的壓縮量的前提下);提高了微晶陶瓷的壓縮強度就會導致抗滲性能的降低。所以說如何能夠設計一個科學適用的金屬-微品陶瓷結構件,還要把沖擊、腐蝕、磨損這三個重要因素考慮進來,建立一個由使用工況、壽命和成本的數學模型才是更加理想的解決方案。

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