بقلم جاك شينغ، مدير المبيعات الفنية، YK Chanshine · حراريات الأفران العالية ·
يشغّل مشغلو الأفران العالية بهواء نفخ أسخن وضغط أعلى وأكسجين أكثر وكميات أكبر من الفحم المسحوق. وتتحمل جميع أجزاء نظام توصيل هواء النفخ الساخن أحمالًا أكبر، ويقع العبء الأكبر على جسم أنبوب التويير. وعندما يحمر جسم أنبوب التويير أو يحترق بالكامل، يتعين إيقاف الفرن أو تشغيله بقدرة مخفضة.
تستعرض هذه المقالة تحليلًا مفصلًا لفشل الخرسانة الحرارية لجسم أنبوب التويير في ممارسات الأفران العالية الصينية. وتتتبع انخفاض المتانة في درجات الحرارة المتوسطة، الذي يفتح المجال أمام هجوم الخبث، وتعيد إنتاج الفشل باستخدام XRD وSEM، وتستخلص البنود التي ينبغي للمشترين إدراجها في مواصفات طلب شراء الخرسانة الحرارية.
النتائج الرئيسية لتحليل الفشل:
- المادة عبارة عن خرسانة حرارية من Al₂O₃-SiO₂، مرتبطة بإسمنت ألومينات الكالسيوم. عند 1100 إلى 1200 °C، تنخفض مقاومة السحق البارد بنحو 47% وتزداد المسامية الظاهرية.
- يهاجم خبث الفرن العالي هذه البنية المفككة: إذ ينتقل Ca وMg إلى داخل الخرسانة الحرارية ويكوّنان الجهلينيت منخفض الانصهار (Ca₂Al₂SiO₇) وMgSiO₃.
- تزداد شدة التآكل بسبب المواد الخام غير المكلسة، والكوارتز الحر، وFe₂O₃ الناتج عن خبث الحديد.
- ثلاثة تدابير تصحيحية: استخدام مواد خام أنقى، وإضافة الأندالوسيت/الكيانيت للتمدد بما يعوّض الانكماش، وإضافة 3 إلى 6% وزنيًا من الطين اللين لخفض درجة حرارة التلبيد.
أسباب فشل الخرسانة الحرارية لجسم أنبوب التويير
ظروف التشغيل
تزيد درجة حرارة هواء النفخ المرتفعة وضغطه العالي وإثراؤه بالأكسجين والحقن المكثف للفحم المسحوق من الحمل على نظام توصيل هواء النفخ. ويزداد احتمال تشقق مكونات النفخ وانهيارها واحتراقها بالكامل. ويُعد جسم أنبوب التويير الجزء الأكثر تعرضًا. ولا يترك مبرد التويير مساحة كبيرة، لذا يكون جسم الأنبوب ضيقًا والطبقة الحرارية رقيقة، في حين تكون ظروف التشغيل قاسية.
الأسباب المبلّغ عنها لاحمرار الأنبوب واحتراقه بالكامل
الأسباب الرئيسية المذكورة في الدراسة هي:
- فجوة في وصلة الشفة: يتسرب هواء النفخ عند سطح التلامس، فيؤدي إلى ارتفاع حرارة جسم الأنبوب
- جودة الخرسانة الحرارية: مقاومة ضعيفة للصدمات الحرارية، أو متانة منخفضة في درجات الحرارة العالية، أو مقاومة ضعيفة للخبث
- تآكل أنبوب حقن الفحم المسحوق: تؤدي سرعة الغاز العالية واحتكاك الفحم إلى ترقيق البطانة
- انهيار مادة جدار الفرن: تسقط الشحنة على أنبوب النفخ وتتسبب في تلفه ميكانيكيًا
حالتان تم الإبلاغ عنهما
ليوقانغ
خلص التحقيق إلى أن تدني جودة البطانة المصبوبة كان السبب الرئيسي لاحتراق قاعدة القصبة. فرفع المصنع جودة البطانة المصبوبة وحسّن طريقة تصنيع قاعدة القصبة. وتوقف الاحمرار والاحتراق النافذ، وتحسنت الجودة وازدادت مدة الخدمة.
شوغانغ
حدث احتراق نافذ في أنبوب نفخ ظل في الخدمة مدة طويلة وتعرض لعمليات إيقاف نفخ كثيرة. وأدت التقلبات الكبيرة في درجة الحرارة إلى تشقق البطانة بين كمّ الماء الأمامي وجسم الأنبوب. ثم تسببت النفحة الساخنة الغنية بالأكسجين في احتراق الجزء الأمامي حتى نفاذه. وحلّل المصنع مادة البطانة المصبوبة للتحقق من جودتها ومراقبة استخدام قاعدة القصبة.
تحليل أداء البطانة المصبوبة لقاعدة القصبة
أخذ العينات
أُخذت عينات من البطانة المصبوبة المستعملة (من قاعدة القصبة المتضررة) والبطانة الجديدة لتحليلها. وتظهر صور العينتين المستعملة والجديدة في الشكل التالي للجدول 2.
التركيب الكيميائي: الجديد مقابل المستعمل
الجدول 1. التحليل الكيميائي للبطانة المصبوبة لقاعدة القصبة، % وزناً
| العينة | SiO₂ | Al₂O₃ | Fe₂O₃ | CaO | MgO | TiO₂ | K₂O | Na₂O | ZnO | S |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| جديد | 42.14 | 49.69 | 1.36 | 3.92 | 0.60 | 0.63 | 0.46 | 0.32 | 0.001 | 0.018 |
| مستعمل | 42.19 | 49.54 | 2.10 | 3.66 | 0.58 | 0.86 | 0.29 | 0.22 | 0.004 | 0.006 |
كلاهما من مواد Al₂O₃-SiO₂، ولم تتغير الأكاسيد الرئيسية إلا قليلاً أثناء الاستخدام. ترتفع نسبة Fe₂O₃ في العينة المستعملة، ويشتبه المؤلفون في أن ذلك ناجم عن اختلاطها بخبث الحديد. وتتوافق نسبة CaO البالغة نحو 3.9% في البطانة المصبوبة الجديدة مع الترابط بإسمنت ألومينات الكالسيوم، وهو ما يتفق مع تحديد المؤلفين اللاحق لمادة الرابط.
الخصائص الفيزيائية للبطانة المصبوبة الجديدة
الجدول 2. مقاومة السحق على البارد للبطانتين المصبوبتين الجديدتين من المصنعين
| المصنع | المعالجة الحرارية | مقاومة السحق على البارد، MPa |
|---|---|---|
| المصنع A (شوغانغ) | 110 °C × 24 h | 18.5 |
| المصنع A (شوغانغ) | 1200 °C × 3 h | 9.80 |
| المصنع B (ليوقانغ) | 110 °C × 24 h | 30.0 |
كانت الكثافة الحجمية للبطانة المصبوبة من المصنع A ومقاومتها على البارد أقل من نظيرتيهما لدى المصنع B. وبعد المعالجة عند 1200 °C لمدة 3 ساعات، انخفضت مقاومة المصنع A على البارد من 18.5 MPa إلى 9.80 MPa، أي بنحو 47%. ويذكر المؤلفون أن المسامية الظاهرية ارتفعت بوضوح بعد المعالجة عند 1200 °C، ما جعل البنية أكثر تفككاً.
في ظل سرعة غاز عالية ودرجة حرارة مرتفعة، تتآكل البطانة ضعيفة المقاومة بسرعة أكبر وقد تتقشر.
مقاومة البطانة المصبوبة الجديدة للخبث
استخدم المؤلفون اختبار بوتقة ساكنة لمحاكاة تأثير خبث الفرن العالي على البطانة المصبوبة الجديدة عند درجة حرارة مرتفعة. وكان تركيب الخبث كما يلي:
الجدول 3. تركيب خبث الفرن العالي المستخدم في الاختبار، % وزناً
| SiO₂ | CaO | MgO | Al₂O₃ | TiO₂ | FeO |
|---|---|---|---|---|---|
| 34.42 | 41.22 | 7.32 | 14.04 | 1.21 | 0.43 |
حيود الأشعة السينية للعينة المختبرة بالخبث
حُللت العينة 1 باستخدام XRD في أربعة مواضع: الخبث، وحبيبات الركام البيضاء، والمصفوفة الصفراء، والمصفوفة السوداء.
الجدول 4. الأطوار الرئيسية في العينة 1 بحسب الموضع
| الموضع | المظهر | الأطوار المعدنية الرئيسية |
|---|---|---|
| الخبث | طبقة الخبث الملتصقة | الجهلينيت، الميليليت، طور زجاجي |
| الركام | حبيبات بيضاء | الموليت، الكوراندوم، آثار الكريستوباليت |
| المصفوفة (صفراء) | منطقة التفاعل | الجهلينيت، الأنورثيت، الموليت |
| المصفوفة (سوداء) | المصبوب غير المتغير | الموليت، الكوراندوم، مميهات الإسمنت |
تحليل SEM عند السطح البيني بين الخبث والمصبوب
أظهر فحص SEM عند الحد الفاصل بين الخبث والمصبوب ارتفاع تركيز الكالسيوم والمغنيسيوم على جانب المادة الحرارية. انتقل الكالسيوم والمغنيسيوم من الخبث إلى داخل المصبوب. ويتفاعلان مع Al₂O₃ وSiO₂ في المصفوفة، مُشكّلين الجهلينيت (Ca₂Al₂SiO₇) وMgSiO₃. وهذا هو الهجوم. وخلاصة قراءة المؤلفين لاختبار الخبث: مقاومة ضعيفة للخبث وسهولة تعرضه لهجوم خبث الفرن العالي.
المصبوب المستعمل: تحليل XRD وSEM
تحليل XRD في ستة مواضع
حُللت ستة مواضع ممثلة في المصبوب المستعمل. يقع الموضع 1 عند السطح البيني بين الخبث والمصبوب.
الجدول 5. الأطوار المعدنية الرئيسية في مصبوب مخزون فتحة النفخ المستعمل
| الموضع | الوصف | الأطوار المحددة |
|---|---|---|
| 1 | السطح البيني بين الخبث والمصبوب | الجهلينيت، أطوار غنية بالحديد، الميليليت |
| 2 | المصفوفة القريبة من السطح (0–5 mm) | الجهلينيت، الموليت، الأنورثيت |
| 3 | المنطقة المتوسطة (5–15 mm) | الموليت، الكوراندوم، الجهلينيت |
| 4 | مصفوفة القلب (15–30 mm) | الموليت، الكوراندوم، آثار الكوارتز |
| 5 | ركام خشن | الموليت، الكوراندوم |
| 6 | بطانة الجهة الباردة | الموليت، أطوار نزع ماء الإسمنت |
تحليل SEM-EDS بحسب المسافة من وجه الخبث
جرى مسح مواضع بدءًا من الخبث الملتصق وصولًا إلى المصبوب. وجه الخبث عند 0 mm.
الجدول 6. تحليل EDS للمصبوب المستعمل، من وجه الخبث إلى الداخل، وزن%
| المسافة | Al₂O₃ | SiO₂ | CaO | Fe₂O₃ | MgO |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 mm (سطح الخبث) | 18.4 | 31.2 | 38.1 | 6.2 | 6.1 |
| 2 mm (طبقة التفاعل) | 36.5 | 35.8 | 19.4 | 4.5 | 3.8 |
| 5 mm (منطقة مخترقة) | 45.2 | 39.1 | 8.6 | 3.9 | 1.2 |
| 15 mm (منطقة غير متغيرة) | 49.4 | 42.0 | 3.8 | 2.1 | 0.6 |
آلية تآكل مصبوب مخزون فتحة النفخ
لماذا يُعد نطاق 900 إلى 1200 °C نقطة ضعف
استنادًا إلى نتائج الخواص وحيود الأشعة السينية (XRD) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، يعرّف المؤلفون المادة بأنها مصبوب موليت مرتبط بإسمنت ألومينات الكالسيوم.
عند 1100 إلى 1200 °C، تكون الروابط الناتجة عن إماهة الإسمنت قد تحللت، لكن التلبد الخزفي لم يبدأ إلا بالكاد. عندها تكون البنية في أضعف حالاتها وأكثرها تفككًا. وتصادف أن هذه الدرجة هي درجة حرارة تشغيل بطانة مخزون أنبوب التويير.
تسلسل الأعطال أثناء التشغيل
- تفقد البطانة قوتها وتزداد مساميتها ضمن نطاق التشغيل.
- يتسرب الكالسيوم والحديد من الخبث إلى البنية المفتوحة.
- تتفاعل مع Al₂O₃ وSiO₂ في المصفوفة لتكوين الجهلينيت وMgSiO₃ ومركبات أخرى منخفضة درجة الانصهار.
- وتزداد المشكلة سوءًا بسبب المواد الخام التي لم يتكوّن فيها الموليت بالكامل.
- يتآكل الجزء الضعيف من البطانة بفعل سرعة الغاز ودرجة حرارته.
كيفية إصلاح المشكلة: ثلاثة تدابير
1. ارفع جودة المواد الخام
قلّل الشوائب، ولا سيما الفلزات القلوية التي تُضعف الروابط في إسمنت ألومينات الكالسيوم.
2. أضف الأندلوسيت أو الكيانيت
تتمدد هذه المواد عند تكوّن الموليت، ما يعوّض الانكماش وفقدان المقاومة في درجات الحرارة المتوسطة. والنتيجة خرسانة قابلة للصب ذات تمدد دقيق.
3. أضف مادة مساعدة على التلبد
الطين اللين بنسبة 3 إلى 6 wt% هو المثال المذكور. ثم تتلبد الخرسانة القابلة للصب عند درجة حرارة أقل، ما يمنع التغير العنيف في البنية أو يخففه، ويرفع مقاومتها في درجات الحرارة المتوسطة.
ما الذي ينبغي تضمينه في ورقة البيانات الفنية لخرسانة مخزون أنبوب التويير القابلة للصب
الجدول 7. المعايير الموصى بتحديدها عند شراء خرسانة حرارية قابلة للصب لمخزون أنبوب التويير
| المعيار | ظروف الاختبار | القيمة المستهدفة |
|---|---|---|
| محتوى Al₂O₃ | تحليل XRF / الكيمياء الرطبة | ≥ 50.0% |
| محتوى Fe₂O₃ | تحليل XRF / الكيمياء الرطبة | ≤ 1.2% |
| مقاومة السحق البارد | 110 °C × 24 h | ≥ 30.0 MPa |
| مقاومة السحق البارد (درجة حرارة متوسطة) | 1200 °C × 3 h | ≥ 18.0 MPa (انخفاض ≤ 40%) |
| التغير الخطي الدائم | 1200 °C × 3 h | من 0.0 إلى +0.4% (تمدد دقيق) |
| مؤشر مقاومة الخبث | اختبار البوتقة، 1500 °C × 3 h | عمق التآكل ≤ 3.0 mm |
قائمة التحقق للمشتري وبيانات طلب عرض الأسعار
ما الذي ينبغي طلبه من المورد
- مقاومة السحق البارد بعد 110 °C وبعد 1200 °C
- التغير الخطي الدائم عند 1200 °C
- مصدر الركام (موليت ملبد أو موليت منصهر أو أندلوسيت)
- نوع المادة الرابطة ومحتوى CaO
ما الذي ينبغي إرساله إلينا للحصول على توصية
للحصول على توصية، أرسل هذه المعلومات إلى sales@ykchanshine.com أو استخدم صفحة الاتصال:
- حجم الفرن العالي ودرجة حرارة الهواء الساخن وإثراؤه بالأكسجين
- الرسم الهندسي لمخزون أنبوب التويير وسماكة البطانة
- ورقة بيانات الخرسانة الحرارية القابلة للصب الحالية وصور التلف
- عدد مرات التفريغ في الشهر
- الكمية السنوية المستهدفة والميناء
الخلاصة
- يُعد انخفاض المقاومة عند 1100–1200 °C السبب الجذري لانهيار خرسانة مجموعة أنبوب التويير.
- يتغلغل خبث الفرن العالي في هذه المصفوفة المفككة، مكوّنًا الجهلينيت منخفض الانصهار.
- تُزيل إضافات التمدد الدقيق (الأندالوسيت/الكيانيت) ومساعدات التلبيد فعليًا انخفاض المقاومة.
الأسئلة الشائعة: الخرسانة الحرارية لمجموعة أنبوب التويير في الفرن العالي
ما مجموعة أنبوب التويير في الفرن العالي؟
أنبوب النفخ هو الذي ينقل هواء النفخ الساخن من مجرى الهواء الحلقي الرئيسي إلى مبرد التويير. وله هيكل فولاذي رقيق وبطانة حرارية رقيقة.
لماذا يحمرّ أنبوب التويير أو يحترق حتى الاختراق؟
تشمل الأسباب المذكورة تسرّب هواء النفخ عند سطح التلامس، ورداءة جودة الخرسانة الحرارية، والتآكل الشديد لرمح حقن الفحم، وتساقط المواد عن جدار الفرن. كما قد تتسبب عمليات خفض الضغط المتكررة في تشقق البطانة قرب غلاف التبريد الأمامي.
لماذا تكون الخرسانة الحرارية ذات الرابطة الإسمنتية ضعيفة عند 1100 إلى 1200 °C؟
تكون الروابط المائية قد زالت بحلول ذلك الوقت، ولم تتشكل الروابط الخزفية بعد. فيرتخي الهيكل وينكمش، ما يؤدي إلى انخفاض المقاومة. تعمل مجموعة أنبوب التويير ضمن نطاق درجات الحرارة هذا.
ما وظيفة الأندالوسيت أو الكيانيت في خرسانة مجموعة أنبوب التويير؟
تتمدد هذه المعادن عندما تتحول إلى موليت. ويعوض التمدد انكماش الرابطة الإسمنتية وينتج خرسانة حرارية ذات تمدد دقيق.
ما كمية الطين اللدن المضافة كمساعد للتلبيد؟
تشير الدراسة إلى نسبة تتراوح بين 3 و6% وزنيًا. وهي تساعد الخرسانة الحرارية على التلبد عند درجة حرارة أقل وتعزز مقاومتها عند درجات الحرارة المتوسطة.
لماذا ترتفع نسبة Fe₂O₃ في الخرسانة الحرارية المستعملة؟
يشتبه المؤلفون في اختلاط خبث الحديد بالعينة. وقد أظهرت قراءة موضع واحد باستخدام التحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS) عند سطح الخبث نسبة 37.57% من Fe، مما يدعم ذلك.
ما الذي ينبغي أن أطلبه إلى جانب المقاومة عند 110 °C؟
المقاومة عند درجات الحرارة المتوسطة، والمقاومة والمسامية بعد 1200 °C، ومحتوى القلويات، ونظام الرابط، ونتيجة اختبار الخبث.
أرسل إلينا معلمات تشغيل الفرن العالي ورسومات أنبوب التويير
هل تواجه احمرارًا في نفاث الهواء الساخن، أو احتراقًا نافذًا، أو تشققًا في بطانة أنبوب النفخ؟ أرسل إلينا درجة حرارة النفخ، ومعدل الإثراء بالأكسجين، ورسومات مجموعة أنبوب التويير، وورقة البيانات الفنية الحالية للخرسانة الحرارية. سيقدم فريق هندسة المواد الحرارية لدينا تركيبة خرسانة حرارية ذات تمدد دقيق ومقترحًا فنيًا مُخصّصًا خلال 24 إلى 48 ساعة.