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高爐冷卻壁的損壞形式及啟事探討

作者:AM8亚美来源:[AM8亚美公司]访问:647时间:2019-11-21

  中國鋼管信息港記者昨日獲悉:高爐煉鐵技術不斷進步,優良、高產、低耗、長壽慢慢成為高爐生產的發展方向,高爐大型化、高效化迅速進步。高爐長壽技術是進步煉鐵企業效益的關鍵。從高爐結構上看 ,爐缸爐底及爐腹到爐身下部是高爐長壽的兩個重點區域,選擇合適的耐火材料及冷卻設備對延長高爐壽命相當首要。
  
  Monel合金屬於Ni基合金,其首要化學成分是鎳(Ni) ,最高含量可達67%),另一個首要化學成分是銅(Cu),另含有少量鐵(Fe),錳(Mn)和碳(C),矽(Si)等元素。
  
  Monel合金的強度比純鎳高,並可耐受各種介質的腐蝕 ,包括快速活動的海水。Monel合金的加工方式包括熱作加工,冷作加工,機加工和焊接。
  
  1901年,國際鎳公司(International Nickel Company (INCO))的冶金學家羅伯特?克魯克斯?斯坦利(Robert Crooks Stanley)創造了Monel合金。
  
  Monel合金名稱的來源,據息是為了向時任的公司董事長安布羅斯?蒙乃爾(Ambrose Monell)表達致敬 ,後來斯坦利先生也擔任了國際鎳公司董事長職位 。Monel合金在1906年被授予了專利。
  
  大家也許重視到 ,名稱中遺漏了一個字母L,這是由於這個年代,不許可使用家族名稱作為注冊商標名稱。現在,Monel商標已回屬於特殊金屬公司(Special Metals Corporation) 。
  
  Monel合金是一種昂貴的合金,其價格是純銅和純鎳的5~10倍。是以,它僅用於那些無法用廉價替換品替換它的利用處合。
  
  隨著高爐的利用係數和冶煉強度進步,高爐爐腹、爐腰和爐身下部的熱負荷上升,爐缸側壁溫度升高等現象頻繁發生 。同時,國內高爐原燃料質量穩定性較差,常引發爐況波動,進而造成軟熔帶位置頻繁上下移動,加速爐腹到爐身下部區域耐材的腐蝕和冷卻壁的損壞。隨著寶鋼湛江等企業大型高爐采用全鑄鐵冷卻壁,煉鐵企業對於采用何種冷卻壁出現了較多分歧,是以,有必要對不同冷卻壁在使用過程中的題目進行探討。
  
  高爐冷卻壁的損壞形式及啟事
  
  2000年以來銅冷卻壁以其良好的導熱能力和形成渣皮能力在我國高爐上得到廣泛的使用,目前全國約200座以上的高爐采用銅冷卻壁,特別是在爐腹 、爐腰和爐身下部等熱負荷較高的區域。高爐冷卻壁首要包括鑄鐵和純銅,另外還出現過鑄鋼冷卻壁。鑄鐵冷卻壁抗熱震性能差、導熱係數低。另外,其冷卻水管是鑄進鑄鐵本體內的,由於材質和膨脹係數的不同,形成氣隙層 ,而影響了傳熱。這些缺陷限製了鑄鐵冷卻壁的進一步發展。是以,從上世紀70年代歐洲開發和使用了銅冷卻壁,得到較好的效果。表1為幾種不同金屬導熱係數,可以看出純銅的導熱係數遠優於其他材料。
  
  1銅冷卻壁
  
  高爐銅冷卻壁熱麵大麵積損壞具有以下特征:(1)嚴重損壞部位集中在爐腰部位,具有明顯的區域性;(2)損壞期間,高爐出現冷卻強度不足、冷卻壁本體溫度升高的現象。
  
  (1)化學腐蝕
  
  中國鋼管信息港記者昨日獲悉:氧元素在銅中的固溶量很小,但易與銅反應天生Cu2O ,天生的Cu2O分布在晶界或枝晶網絡中。一方麵銅冷卻壁的純度有限,一般含有少量的氧,另一方麵,高溫條件下,爐渣、煤氣中的氧元素可向銅基體擴散,造成冷卻壁熱麵壁體氧含量升高。李峰光等采用納克ON-3000氧氮分析儀測定冷卻壁熱麵損壞嚴重的“溝槽處”和完整部位的氧含量,結果分別為19ppm和15ppm ,該氧含量可造成銅冷卻壁產生晶界裂紋。
  
  冷卻壁熱麵處於還原氣氛,高爐煤氣中的CO和H2可以與冷卻壁中的Cu2O發生還原反應,如方程(1)和方程(2)所示。
  
  反應產生高壓的CO2和H2O氣體,高壓氣體感化下銅冷卻壁基體產生微小裂紋,反應(2)的靈敏度明顯較高,是以這類現象往往稱為“氫病”。“氫病”被以為是銅冷卻壁破損的首要啟事之一 。“氫病”的發生首要受三個身分影響:氧含量、溫度和渣皮脫落。氧含量越高,溫度越高,越輕易發生“氫病”,而渣皮脫落則是“氫病”產生的直接啟事。
  
  由於銅冷卻壁導熱能力強,導熱係數達到380W/(m?K),正常爐況條件下,高爐渣粘附在冷卻壁熱麵後,熱量迅速被冷卻水帶走,在冷卻壁熱麵形成一定厚度的渣皮。渣皮阻礙高爐煤氣中H2和CO向冷卻壁壁體的擴散,從而避免了“氫病”現象的發生。當發生邊沿煤氣流過剩等異常爐況時,渣皮不能穩定存在於冷卻壁表麵,造成冷卻壁熱麵暴露於煤氣中,冷卻壁表麵不僅要承受高溫高速煤氣的衝洗腐蝕和渣鐵的化學腐蝕,“氫病”發生的情況也大幅進步,造成冷卻壁壽命降低。
  
  (2)磨損
  
  與化學腐蝕相似,在爐況異常、渣皮頻繁脫落的情況下,冷卻壁受到大塊高溫物料的機械衝擊和高溫煤氣流的衝洗。銅冷卻壁表明出現不同程度的破損,甚至出現冷卻水管道暴露的現象。王寶海[9]采用金相顯微鏡觀察破損嚴重的銅冷卻壁不同位置的試樣,發現金相組織均為ɑ固溶體,且冷卻壁熱麵未出現晶粒長大現象 ,表明銅冷卻壁破損的首要啟事是機械磨損,而不是熔損。
  
  銅冷卻壁磨損一方麵是由於銅的硬度較低,相對鑄鐵更輕易被塊狀爐料磨損,另一方麵,操縱上長期保持中間氣流過強,邊沿過重,軟熔帶根部過低 ,塊狀帶大塊物料,很輕易磨損銅冷卻壁 。
  
  (3)撓曲變形
  
  銅冷卻壁一般用於爐身下部、爐腰和爐腹等熱負荷高的區域,渣皮頻繁脫落時 ,冷卻壁熱麵暴露在高溫煤氣中,受到煤氣、渣鐵等的熱輻射感化。同時,由於冷卻水的冷卻感化,造成冷卻壁冷熱麵間出現一定的溫度梯度,從而產生熱應力感化。熱應力感化是銅冷卻壁出現撓曲變形的首要啟事,且熱負荷越大,撓曲變形越嚴重。一定熱負荷下,冷卻壁高度越高,撓度越大。
  
  2 鑄鐵冷卻壁
  
  鑄鐵冷卻壁常用於爐身上部、爐喉及爐缸部位的冷卻,除延伸率高、抗拉強度高等優點外,鑄鐵冷卻壁還具有以下不利身分:(1)抗熱震性能差,導熱係數低,在高熱負荷區域工作時,冷卻壁冷熱麵溫差較大 ,造成壁體內部熱應力較大,輕易造成壁體撓曲變形,甚至出現裂紋。(2)由於製造工藝限製 ,鑄鐵冷卻壁壁體與冷卻水管之間存在氣隙,大幅增加熱阻,造成冷卻壁傳熱性能較差,冷卻能力不足。
  
  爐腹 、爐腰及爐身下部等高熱負荷區域采用鑄鐵冷卻壁時,由於鑄鐵冷卻壁壁體導熱係數較低,且壁體與冷卻水管間存在氣隙和陶瓷塗層,是以鑄鐵冷卻壁的冷卻能力遠低於銅冷卻壁 ,不利於快速形成穩定的渣皮。精料水平較低的情況下,一方麵,冷卻壁輕易受到塊狀帶下降的大塊物料的撞擊、磨損,另一方麵,冷卻壁熱麵在渣鐵腐蝕、煤氣衝洗及高溫熱輻射等的綜合感化下,熱麵溫度迅速升高,並輕易超過壁體本身能承受的溫度上限,從而造成壁體熔損。寶鋼3號高爐采用全鑄鐵冷卻壁,一代爐役壽命長達19年,表明在寶鋼原燃料條件下,采用全鑄鐵冷卻壁,配以適當的冷卻係統和耐火材料可以實現高爐長壽。但是在目前我國盡大多數高爐精料水平普遍偏低的環境下,采用全鑄鐵冷卻壁能否維持高爐長壽,特別是爐腹、爐腰和爐身下部的長壽 ,尚有待進一步的實踐檢驗。
  
  3 銅鋼複合冷卻壁
  
  銅鋼複合冷卻壁以純銅作為冷卻壁熱麵傳熱層材料,發揮銅冷卻壁的傳熱上風,同時以高強度鋼板為冷麵被覆層材料,進步冷卻壁的機械強度 。采用爆炸焊接工藝將銅板和鋼板焊接成銅鋼複合冷卻壁,兼顧了抗變形能力和傳熱性能。由於爆炸焊接瞬時能量較大,使鋼與銅之間實現高強度的冶金結合 ,界麵無氣隙和中間產物層。同時冷卻壁被覆層采用鋼質材料,使冷卻水進出水管與冷卻壁壁體焊接時,避免了異種材料焊接時預熱難度大 、易出現焊接缺陷的題目,進步了焊接質量。采用鋼板代替換部分純銅 ,製造本錢大幅度降低。
  
  中國鋼管信息港記者昨日獲悉:更首要的是,銅冷卻壁相對鑄鐵冷卻壁更輕易發生撓曲變形,變形後冷卻壁與耐火材料間的氣隙是影響傳熱的首要身分。采用高強度鋼抵抗冷卻壁的熱震變形,對銅冷卻壁維持良好的工作狀況十分首要。是以,可以預感,銅鋼複合冷卻壁可能成為新一代冷卻壁而得到廣泛推廣。
  
  渣皮對冷卻壁壽命的影響
  
  對於爐腹 、爐腰及爐身下部等高熱負荷區域,無論是鑄鐵冷卻壁還是銅冷卻壁,渣皮的保護感化對冷卻係統的長壽相當首要 。冷卻壁熱麵存在穩定渣皮時,塊狀帶物料、熔融渣鐵及高溫煤氣等不能直接接觸冷卻壁壁體,從而減少磨損、渣鐵腐蝕、“氫病”及有害元素等題目的發生,大幅進步冷卻壁壽命。渣皮的形成過程受多方麵身分影響,如圖1所示。
  
  渣皮形成的影響身分
  
   皮的穩定天生首要受三方麵身分影響:(1)冷卻壁本身冷卻能力。冷卻壁冷卻能力越強,熔融渣鐵越輕易在冷卻壁熱麵凝聚成渣皮並穩定存在;(2)渣鐵活動性。渣鐵的活動性首要與化學成分及環境溫度有關。邊沿氣流過度發展,渣鐵的活動性越強,在高溫煤氣衝洗感化及物料衝擊感化下,越不輕易在冷卻壁表麵形成渣皮。反之,邊沿過重,軟熔帶下移,渣鐵在高熱負荷區以固體形式存在,則不存在粘附冷卻壁形成渣皮的條件;(3)高爐操縱。高爐操尷尬刁難渣皮的影響是多方麵且相當首要的,首先穩定的原燃料條件是渣皮穩定的基礎。燒結礦堿度和粒度、焦炭灰分和粒度等的波動易造成爐況波動,煤氣流***,造成渣皮頻繁脫落。此外,布料製度采用過度壓重邊沿 ,或中間和邊沿開放,中間過重等布料模式時,往往造成爐牆結厚或邊沿氣流過剩,渣皮不能穩定存在。中國鋼管信息港記者昨日獲悉

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