簡析有色冶煉氧氣底吹氧槍的材料選擇

裴忠冶， 李 兵， 馬明生， 張官祥， 郭亞光

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

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簡析有色冶煉氧氣底吹氧槍的材料選擇

裴忠冶， 李 兵， 馬明生， 張官祥， 郭亞光

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

對有色冶煉氧氣底吹氧槍的材料進行簡要總結(jié)，從材料選擇角度出發(fā)提出了可能的氧槍備選金屬材料，并對氧槍現(xiàn)使用材料和備選材料進行比較分析，認為備選材料——高溫合金作為底吹冶煉氧槍用材可行，為氧槍材料的選擇提供參考。

氧氣底吹； 氧槍； 材料選擇； 高溫合金

氧氣底吹冶煉技術(shù)是我國自主研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型有色冶金熔池強化熔煉技術(shù)，先后應(yīng)用于國內(nèi)外鉛冶煉行業(yè)40余家工廠、銅冶煉行業(yè)10余家工廠，該工藝的推廣改變了我國鉛冶煉、銅冶煉行業(yè)能耗高、污染嚴重的狀況，同時也引領(lǐng)了世界鉛、銅冶煉行業(yè)的技術(shù)進步。自20世紀80年代以來，氧氣底吹冶煉技術(shù)在有色冶金領(lǐng)域的研發(fā)和工業(yè)化應(yīng)用已有30余年的歷史，數(shù)十家工廠的生產(chǎn)實踐證明，采用氧氣底吹冶煉技術(shù)煉銅、煉鉛，具有投資省、環(huán)保好、能耗低等優(yōu)點。

氧槍是氧氣底吹冶煉技術(shù)的核心裝置，氧槍的壽命直接影響氧氣底吹冶煉系統(tǒng)的操作控制、作業(yè)率，進而影響整個系統(tǒng)的處理能力、能耗、爐壽等關(guān)鍵指標，一直以來氧槍的使用指標都是設(shè)計者和使用者共同關(guān)注的問題，影響氧槍指標的因素主要有氧槍的布置形式、結(jié)構(gòu)形式、出口壓力和速度、槍體材質(zhì)、槍口磚性能等。有關(guān)氧氣底吹系統(tǒng)氧槍的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計、水模擬及數(shù)值模擬已有很多研究[1-5]，但關(guān)于槍體材質(zhì)選擇對氧槍壽命影響的研究卻鮮有報道。有色冶煉用底吹氧槍壽命雖已達到數(shù)月，但仍有延長的空間。影響氧槍壽命的有多重因素，但高溫燒損是其中主要原因之一(圖1為氧槍燒損的照片)，因此對氧槍材質(zhì)的高溫性能進行研究十分必要。本文從材料選擇角度出發(fā)分析幾種備選材料延長氧槍使用壽命的可能性，為氧氣底吹冶煉設(shè)計者和使用者提供參考。

圖1 氧槍燒損照片

1 金屬材料的選擇原則

氧槍材料的選擇屬于金屬材料的選擇范疇。眾所周知，在機械制造行業(yè)里，無論設(shè)計和制造什么樣的機器、設(shè)備和零部件，首先要面對的就是金屬材料的選擇。由于任何材料都不可能同時具備各方面的優(yōu)良性能，因此，金屬材料的選擇實質(zhì)上就是用其所長、避其所短的思考過程。一般來說，金屬材料的選擇遵循三個原則，即材料的使用性能、材料的工藝性能、材料的經(jīng)濟性能。

1.1 材料的使用性能

材料的使用性能是指零部件在使用時所應(yīng)具備的材料性能，包括機械性能、物理性能和化學性能等。對大多數(shù)零部件而言，機械性能是主要的性能指標。常用的機械性能包括：強度、塑性、硬度、沖擊韌性、多次沖擊抗力和疲勞極限等，這些參數(shù)中強度是機械性能的主要指標，只有在強度滿足要求的情況下，才能保證零部件正常工作，且經(jīng)久耐用。在設(shè)計零部件和選材時，應(yīng)根據(jù)工作條件、損壞形式，找出對材料機械性能的要求，這是材料選擇的基本出發(fā)點也是最重要的一點。

1.2 材料的工藝性能

材料的工藝性能是指材料的加工工藝性能，主要有：鑄造、壓力加工、切削加工、熱處理和焊接等性能。材料加工工藝性能的優(yōu)劣直影響零部件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本。良好的加工工藝性可以大大減少加工過程的動力、材料消耗，縮短加工周期，降低廢品率等。優(yōu)良的加工工藝性能是降低產(chǎn)品成本的重要途徑。所以，材料的工藝性能也是選材的重要依據(jù)之一。

1.3 材料的經(jīng)濟性能

材料的經(jīng)濟性能主要指所選用材料的成本。產(chǎn)品的成本主要包括：原料成本、加工費用、成品率以及生產(chǎn)管理費用等。材料的選擇也要著眼于經(jīng)濟效益，根據(jù)國家資源情況，結(jié)合國內(nèi)生產(chǎn)實際加以考慮。此外，還應(yīng)考慮零部件的壽命和維修費，若選用新材料還要考慮研究試驗費用。

2 氧槍材料選擇的思考

相關(guān)文獻[6-7]檢索結(jié)果表明，適用于氧氣底吹冶煉這種高溫、高壓、強氧化性氣氛工況的金屬材料少之又少，其中耐熱不銹鋼材料是首選。目前，氧氣底吹冶煉系統(tǒng)氧槍多采用牌號為06Cr25Ni20(GB/T 20878—2007)的耐熱鋼，即俗稱310S的耐熱不銹鋼。該牌號不銹鋼具有良好的耐高溫性，因鎳(Ni)、鉻(Cr)含量高，具有良好耐氧化、耐腐蝕、耐酸堿、耐高溫性能，用于制造電熱爐管等部件，溫度超過800℃時開始軟化，許用應(yīng)力開始持續(xù)降低[8]。

2.1 高溫合金簡介

高溫合金是20世紀20年代末，由Ni80-Cr20合金(鎳鉻電阻絲)發(fā)展而來的，其定義是以鐵、鎳、鈷為基，能在600 ℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長期工作的一類金屬材料，具有較高的高溫強度，良好的抗氧化和抗腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，在英美素有超合金(Superalloy)的美譽[9-11]。高溫合金既是航空、航天發(fā)動機高溫熱端部件的關(guān)鍵材料，也是艦艇、能源動力、石油化工、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域不可或缺的重要材料。高溫合金已成為國防工業(yè)最重要的材料之一，并在諸多民用工業(yè)部門得到推廣應(yīng)用，其研制和生產(chǎn)水平已成為一個國家金屬材料發(fā)展水平的重要標志[12]。

高溫合金分類比較復(fù)雜，按基體元素主要可分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金；按制備工藝可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末冶金高溫合金；按強化方式可分為固溶強化型、沉淀強化型、氧化物彌散強化型等。

高溫合金材質(zhì)的典型鑄件如圖2和圖3所示。圖4是美國普拉特-惠特尼公司PW4000系列渦扇發(fā)動機，其高溫合金使用量達50%以上。圖5是英國羅爾斯-羅伊斯公司航空發(fā)動機中各種材料的應(yīng)用分布情況。由圖5可見，鎳基高溫合金是航空發(fā)動機熱端部件的主要用材。

圖2 航空發(fā)動機用渦輪導(dǎo)向器

圖3 航空發(fā)動機用渦輪轉(zhuǎn)子

圖4 PW4000系列渦扇發(fā)動機

圖5 羅- 羅公司發(fā)動機材料使用情況分布

可見，高溫合金及其零部件用在高精密、工作環(huán)境嚴苛的場所，對于冶煉行業(yè)，高溫合金鮮有應(yīng)用。下面簡要對比分析高溫合金服役的工況，并從材料選擇三原則角度出發(fā)分析其是否適合應(yīng)用在底吹冶煉氧槍上。

2.2 高溫合金和06Cr25Ni20耐熱鋼服役工況區(qū)別

06Cr25Ni20耐熱鋼服役工況和高溫合金服役工況如表1所示。

表1服役工況

可以看到，底吹熔煉/吹煉的工況和航空發(fā)動機的工況都很嚴苛，高溫合金服役的航空發(fā)動機工況是高溫、高壓、熱空氣腐蝕的環(huán)境，06Cr25Ni20耐熱鋼服役的氧氣底吹熔煉/吹煉工況是高溫、高壓、高速氣流沖刷、熔體沖蝕的環(huán)境。

2.3 高溫合金和06Cr25Ni20耐熱鋼性能比較

幾種典型的高溫合金與06Cr25Ni20耐熱鋼性能比較。

K4169合金：該合金是一種被大量應(yīng)用的高溫合金，對應(yīng)的美國牌號為Inconel718，其優(yōu)點是易加工，在700 ℃時具有高抗拉強度、疲勞強度、抗蠕變強度和斷裂強度，在1 000 ℃時具有高抗氧化性，具有良好的焊接性能。

K418合金：該合金是一種典型的高溫工況下應(yīng)用的高溫合金，對應(yīng)的美國牌號為Inconel713c，適用于900 ℃下工作的航空、地面和海上燃氣輪機渦輪工作葉片、導(dǎo)向葉片、整鑄渦輪。

K424合金：該合金是一種典型的熱強合金，仿制于俄羅斯，適用于950℃下工作的渦輪轉(zhuǎn)子葉片、整鑄渦輪及發(fā)動機尾噴調(diào)節(jié)片底板。2.3.1 高溫合金和06Cr25Ni20耐熱鋼物理性能比較

06Cr25Ni20耐熱鋼和3種典型高溫合金物理性能比較如表2所示。熱傳導(dǎo)方面，K4169合金的熱導(dǎo)率比06Cr25Ni20耐熱鋼的略高，達12.7%；K418、K424合金的熱導(dǎo)率明顯低于06Cr25Ni20耐熱鋼，分別達28.5%和23.6%。線膨脹系數(shù)方面，無論是室溫還是高溫條件下，3種典型高溫合金都比06Cr25Ni20耐熱鋼有一定的優(yōu)勢，分別低了20.8%、25.2%、17.0%和20.5%、23.1%、13.8%。

表206Cr25Ni20耐熱鋼與典型高溫合金物理性能比較[6]

材料牌號密度/g·cm-3熔點/℃熱導(dǎo)率/W·(m·℃)-1線膨脹系數(shù)/10-6·℃-106Cr25Ni207.981400～145014.215.9(19.5)K4188.01295～134510.1512.6(15.5)K4247.871271～131010.8511.9(15.0)K41698.241243～13591613.2(16.8)

注：括號內(nèi)為1 000 ℃時數(shù)據(jù)，其中K424、K4169為800 ℃時數(shù)據(jù)

2.3.2 高溫合金和06Cr25Ni20耐熱鋼機械性能比較

06Cr25Ni20耐熱鋼和3種典型高溫合金機械性能比較如表3所示。

表306Cr25Ni20耐熱鋼與典型高溫合金機械性能比較

牌號抗拉強度σb/MPa屈服強度σ0.2/MPa伸長率δ/%硬度06Cr25Ni20590(210)295(180)35(5)187HBK418935(670)780(455)9.5(9.5)33～37HRCK4241010(715)755(610)12(9.5)32HRCK41691100(790)935(680)16(12)34～42HRC

注：括號內(nèi)為900 ℃時數(shù)據(jù)，其中K4169為700 ℃時數(shù)據(jù)。

在室溫和高溫條件下，3種典型高溫合金的抗拉強度和屈服強度都明顯優(yōu)于06Cr25Ni20耐熱鋼，有著數(shù)百兆帕的優(yōu)勢；硬度方面，對布氏硬度和洛氏硬度進行換算后(1 HRC≈10 HB)可以看出，3種典型高溫合金相對于06Cr25Ni20耐熱鋼，也都有明顯的優(yōu)勢。2.3.3 高溫合金和06Cr25Ni20耐熱鋼經(jīng)濟性能比較

06Cr25Ni20耐熱鋼和3種典型高溫合金經(jīng)濟性能比較如表4所示。

三種典型高溫合金與06Cr25Ni20耐熱鋼的加工費基本持平，但在材料本身價格方面，高溫合金的價格是06Cr25Ni20耐熱鋼價格的3～5倍。

3 分析和討論

選取的3種典型高溫合金相對于06Cr25Ni20耐熱鋼，在物理性能和機械性能方面有著比較明顯

表406Cr25Ni20耐熱鋼與典型高溫合金經(jīng)濟性能比較

牌號價格/萬元·t-1加工費/萬元·t-106Cr25Ni202～50.6K41810～15K42412～150.5～1K416910～13

的優(yōu)勢，而經(jīng)濟性能方面略差。材料的使用性能(其中最主要因素——機械性能)是材料選擇的基本出發(fā)點也是最重要的一點，3種典型高溫合金都具有比06Cr25Ni20耐熱鋼更優(yōu)異的機械性能則是需要關(guān)注并思考和分析的。

通常來說，一種材料所具有的機械性能由材料本身的成分和組織結(jié)構(gòu)決定。06Cr25Ni20耐熱鋼和3種典型高溫合金成分如表5所示，

表5 06Cr25Ni20耐熱鋼與典型高溫合金的化學成分 %

由表5可見，06Cr25Ni20耐熱鋼是以Fe為基體，另加入25%Cr、20%Ni構(gòu)成的，加入大量的Ni、Cr元素后該材料具有了良好的抗氧化、耐腐蝕、耐酸堿、耐高溫等性能，其原理是加入的Ni、Cr元素是鋼中形成奧氏體的重要元素，而形成的γ奧氏體相耐高溫和抗氧化，這也是不銹鋼、耐熱鋼的形成機理。在高溫條件下，如氧槍工況溫度在1 000 ℃以上時，基體元素Fe易與氧氣發(fā)生反應(yīng)，甚至發(fā)生燃燒[2]，這也是不銹鋼、耐熱鋼都有其許用溫度的原因。觀察表5中3種典型高溫合金成分可以發(fā)現(xiàn)，3種材料均是以Ni為基體的，F(xiàn)e元素含量都較少，其中含Ni量最低的K4169合金Ni含量也超過了50%，這樣的成分組成使得合金的組織中形成了更多面心立方結(jié)構(gòu)的γ奧氏體相，同時3種合金中加入一定量的Cr、Co、W、Mo元素則起到了強化基體的作用，而Al、Ti元素的加入使得合金中同是面心立方結(jié)構(gòu)的γ＇相——Ni3(Al,Ti)強化相的量大大增加，形成的γ＇相與γ相基體獲得了共格強化作用[13]，所以表現(xiàn)為高溫合金材料的高溫機械性能比不銹鋼、耐熱鋼材料有較大優(yōu)勢。

下面從另一個角度分析高溫合金材料高溫機械性能比不銹鋼、耐熱鋼材料有較大優(yōu)勢的原因。從圖6氧化物埃林漢圖中可以看到，在1 000 ℃時，F(xiàn)eO比NiO的標準生成吉布斯自由能小很多，說明在此溫度下Fe的氧化物更穩(wěn)定，F(xiàn)e元素更易被氧化，F(xiàn)e元素的氧化改變了材料本身的組織結(jié)構(gòu)，從而影響了材料的力學性能，在機械性能(力學性能)上則表現(xiàn)為不含F(xiàn)e或含F(xiàn)e少的3種高溫合金材料比以Fe為基體的06Cr25Ni20耐熱鋼的高溫機械性能更有優(yōu)勢。同理，F(xiàn)eO在1 000 ℃時的標準生成吉布斯自由能比Cu2O的標準生成吉布斯自由能“更負”，即此溫度下Cu元素更穩(wěn)定，F(xiàn)e元素更易被氧化，這是鋼鐵行業(yè)中鐵水含銅不能氧化除去的原理，而這也合理的解釋了氧氣底吹煉銅中氧槍(06Cr25Ni20耐熱鋼材質(zhì))出口產(chǎn)生“蘑菇頭”的情況。對于氧氣底吹煉鉛，情況略有不同，從埃林漢圖可以看到，在高溫下FeO更穩(wěn)定，即Fe比Pb更容易氧化，理論上也應(yīng)該如底吹煉銅一樣產(chǎn)生“蘑菇頭”，而實際生產(chǎn)情況則是底吹煉鉛并不會產(chǎn)生“蘑菇頭”，有的學者以過熱度較大作為理由來解釋“蘑菇頭”不能穩(wěn)定存在[2]。

圖6 氧化物的埃林漢(Ellingham)圖

4 結(jié)論和展望

對高溫合金應(yīng)用于氧氣底吹冶煉氧槍的可行性進行對比并做機理分析，得出以下結(jié)論：

(1)3種高溫合金相對于06Cr25Ni20耐熱鋼有一定的物理性能優(yōu)勢；

(2)3種高溫合金相對于06Cr25Ni20耐熱鋼有比較明顯的機械性能方面的優(yōu)勢；

(3)3種高溫合金相對于06Cr25Ni20耐熱鋼經(jīng)濟性能略差；

(4)3種高溫合金均較適合應(yīng)用在底吹冶煉氧槍上。

筆者認為，從整個生產(chǎn)系統(tǒng)角度看，機械性能的明顯優(yōu)勢可以抵消經(jīng)濟性能上的劣勢，建議在底吹冶煉氧槍上應(yīng)用高溫合金材料探索延長底吹冶煉氧槍壽命的可能。本文僅從材料選擇角度分析用高溫合金材料替代現(xiàn)有氧槍材料的可行性，給底吹冶煉設(shè)計者和使用者提供一個思路。然而，影響氧槍壽命的因素不僅包括槍體材質(zhì)，還包括氧槍的結(jié)構(gòu)形式、出口壓力和速度、槍口磚性能等，氧槍的壽命問題是個系統(tǒng)工程。要解決好氧槍使用壽命的問題，后續(xù)工作應(yīng)重點著力于氧槍設(shè)計、氧槍材料選擇及隨后的試制和試驗，綜合提高氧槍的使用壽命。

[1] 蔣繼穆. 氧氣底吹爐連續(xù)煉銅新工藝及其裝置[J]. 中國有色建設(shè), 2009, (1), 20-22.

[2] 高長春, 袁培新, 陳漢榮. 氧氣底吹熔煉氧槍淺析[J]. 中國有色冶金, 2006, 35(6): 13-17.

[3] 于躍, 溫治, 劉訓(xùn)良, 等. 富氧底吹煉銅爐關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 有色金屬(冶煉部分), 2013, (4): 12-16, 41.

[4] 曲勝利, 李天剛, 董準勤, 等. 銅富氧底吹生產(chǎn)實踐及設(shè)計探討[J]. 有色金屬(冶煉部分), 2012, (3): 10-13.

[5] 崔志祥, 申殿邦, 王智, 等. 低碳經(jīng)濟與氧氣底吹工藝的無碳自熱熔煉[J]. 中國有色冶金, 2010, 39(4): 27-29.

[6] 中國航空材料手冊編輯委員會.中國航空材料手冊(第二卷)[M]. 北京: 中國標準出版社, 1988.

[7] 干勇, 田志凌, 董瀚, 等. 鋼鐵材料手冊[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2009.

[8] 楊照明. SUS310S的高溫持久性能實驗研究[J]. 一重技術(shù), 2009, (3): 42-45.

[9] Sims C T, Hagel W C. The superalloys[M]. New York: John Wiley & Sons, 1972.

[10] 郭建亭. 高溫合金材料學(上冊)[M]. 北京: 科學出版社, 2008.

[11] 冶軍. 美國鎳基高溫合金[M]. 北京: 科學出版社, 1978.

[12] 黃乾堯, 李漢康. 高溫合金[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2000.

[13] 郭可信. 高合金鋼與高溫合金中的相[J]. 金屬學報, 1978, 14(1): 73-95.

Brief analysis of materials selection for oxygen lance of oxygen bottom blowing in Non-ferrous smelting

PEI Zhong-ye, LI Bing, MA Ming-sheng, ZHANG Guan-xiang, GUO Ya-guang

In this paper, oxygen lance material in oxygen bottom blowing smelting was briefly summarized; from the perspect of material selection, the possible oxygen lance alternative metal materials were put forward, the detailed comparison and analysis were carried out between currently used materials and alternative materials for oxygen lance. The conclusion shows that the alternative material - superalloy is a kind of feasible oxygen lance material for bottom blowing smelting, which provides a reference for selection of oxygen lance material.

oxygen bottom blowing; oxygen lance; materials selection; superalloy

裴忠冶(1980—)，男，遼寧鞍山人，博士，高級工程師，主要從事有色金屬工程咨詢設(shè)計及有色金屬材料研發(fā)工作。

2016-05-18

TF81； TG132

B

1672-6103(2016)05-0014-05