高爐爐腹銅冷卻壁損壞原因分析

王志磊

摘 要：隨著高爐的利用系數(shù)和冶煉強(qiáng)度提高，高爐爐腹、爐腰和爐身下部的熱負(fù)荷上升，爐缸側(cè)壁溫度升高等現(xiàn)象頻繁發(fā)生。同時(shí)，國(guó)內(nèi)高爐原燃料質(zhì)量穩(wěn)定性較差，常引起爐況波動(dòng)，進(jìn)而造成軟熔帶位置頻繁上下移動(dòng)，加速爐腹到爐身下部區(qū)域耐材的侵蝕和冷卻壁的損壞。隨著寶鋼湛江等企業(yè)大型高爐采用全鑄鐵冷卻壁，煉鐵企業(yè)對(duì)于采用何種冷卻壁出現(xiàn)了較多分歧，因此，有必要對(duì)不同冷卻壁在使用過程中的問題進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：高爐爐腹；銅冷卻壁；損壞原因

1銅冷卻壁材質(zhì)的選擇

正因可能存在“氫脆”風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)內(nèi)主要設(shè)計(jì)單位和銅冷卻壁制造商均要求銅冷卻壁本體氧含量不超過0.003%，以盡量降低“氫脆”風(fēng)險(xiǎn)。最新GB/T31048-2014《銅冷卻壁》關(guān)于銅冷卻壁成分中氧含量亦是不超過0.003%，該氧含量與GB/T5231-2012《加工銅及銅合金化學(xué)成分和產(chǎn)品形狀規(guī)定》，中無氧銅TU2一致。銅冷卻壁材質(zhì)無氧銅TU2，一般認(rèn)為無氧銅中氧和雜質(zhì)的含量極低，無“氫脆”或極少“氫脆”，特別適合應(yīng)用于可能產(chǎn)生氫脆的領(lǐng)域。

當(dāng)氧含量低于0.001%時(shí)，認(rèn)為不會(huì)發(fā)生氫脆導(dǎo)致的晶界裂紋，因此，與無氧銅TU2相比，無氧銅TU00～TU1更不易產(chǎn)生“氫脆”，從理論上分析“氫脆”可能性來看，相對(duì)更為安全。但TU00～TU1因雜質(zhì)含量少，強(qiáng)度和硬度偏低，適合于做電線等導(dǎo)體，對(duì)需要兼顧傳熱和機(jī)械性能的銅冷卻壁并非最合適選擇，同時(shí)，投資較高也制約了大規(guī)模應(yīng)用到鋼鐵冶金領(lǐng)域。

2銅冷卻壁的熱態(tài)實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)過程

想要更好的對(duì)銅冷卻壁的熱工性能進(jìn)行分析，在高爐中的銅冷卻壁上選取了十一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了熱態(tài)實(shí)驗(yàn)，在進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)的過程中，保證高爐與正常工作狀態(tài)下的環(huán)境保持高度一致。針對(duì)高爐的幾個(gè)面，我們進(jìn)行定義一下，首選，銅冷卻壁鑲磚的面叫做熱面，水管一側(cè)的面叫做冷面，其余四個(gè)面為頂面、底面、兩個(gè)側(cè)面。在銅冷卻壁的熱面和冷面和高爐的內(nèi)部都進(jìn)行測(cè)溫設(shè)施的安裝，并保證測(cè)溫裝置的質(zhì)量和數(shù)量，進(jìn)而對(duì)銅冷卻壁的溫度變化進(jìn)行明顯的觀察。

2.2結(jié)果分析

通過熱態(tài)實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)果，在兩種約束實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，銅冷卻壁在高爐溫度為一千度和一千一百度的時(shí)候，都出現(xiàn)了向冷面部位凸起的情況，而且高爐內(nèi)部的溫度越大，凸起的程度就越大。在溫度不變的情況下，沒有固定銷的銅冷卻壁中心應(yīng)變力為最大，其它固定方法的變形量相對(duì)較小，所以說，固定銷能夠有效降低銅冷卻壁的熱變形量。

3高爐冷卻壁的損壞形式及原因

2000年以來銅冷卻壁以其良好的導(dǎo)熱能力和形成渣皮能力在我國(guó)高爐上得到廣泛的使用，目前全國(guó)約200座以上的高爐采用銅冷卻壁，尤其是在爐腹、爐腰和爐身下部等熱負(fù)荷較高的區(qū)域。高爐冷卻壁主要包括鑄鐵和純銅，另外還出現(xiàn)過鑄鋼冷卻壁。鑄鐵冷卻壁抗熱震性能差、導(dǎo)熱系數(shù)低。另外，其冷卻水管是鑄入鑄鐵本體內(nèi)的，由于材質(zhì)和膨脹系數(shù)的不同，形成氣隙層，而影響了傳熱。這些缺陷限制了鑄鐵冷卻壁的進(jìn)一步發(fā)展。因此，從上世紀(jì)70年代歐洲開發(fā)和使用了銅冷卻壁，得到較好的效果。

高爐銅冷卻壁熱面大面積損壞具有以下特征：（1）嚴(yán)重?fù)p壞部位集中在爐腰部位，具有明顯的區(qū)域性；（2）損壞期間，高爐出現(xiàn)冷卻強(qiáng)度不足、冷卻壁本體溫度升高的現(xiàn)象。

（1）化學(xué)侵蝕

氧元素在銅中的固溶量很小，但易與銅反應(yīng)生成Cu2O，生成的Cu2O分布在晶界或枝晶網(wǎng)絡(luò)中。一方面銅冷卻壁的純度有限，一般含有少量的氧，另一方面，高溫條件下，爐渣、煤氣中的氧元素可向銅基體擴(kuò)散，造成冷卻壁熱面壁體氧含量升高。李峰光等采用納克ON-3000氧氮分析儀測(cè)定冷卻壁熱面損壞嚴(yán)重的“溝槽處”和完整部位的氧含量，結(jié)果分別為19ppm和15ppm，該氧含量可造成銅冷卻壁產(chǎn)生晶界裂紋。

反應(yīng)產(chǎn)生高壓的CO2和H2O氣體，高壓氣體作用下銅冷卻壁基體產(chǎn)生微小裂紋，反應(yīng)（2）的靈敏度明顯較高，因此這種現(xiàn)象往往稱為“氫病”。“氫病”被認(rèn)為是銅冷卻壁破損的主要原因之一?！皻洳　钡陌l(fā)生主要受三個(gè)因素影響：氧含量、溫度和渣皮脫落。氧含量越高，溫度越高，越容易發(fā)生“氫病”，而渣皮脫落則是“氫病”產(chǎn)生的直接原因。

由于銅冷卻壁導(dǎo)熱能力強(qiáng)，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到380W/（m·K），正常爐況條件下，高爐渣粘附在冷卻壁熱面后，熱量迅速被冷卻水帶走，在冷卻壁熱面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(kuò)散，從而避免了“氫病”現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)發(fā)生邊緣煤氣流過剩等異常爐況時(shí)，渣皮不能穩(wěn)定存在于冷卻壁表面，造成冷卻壁熱面暴露于煤氣中，冷卻壁表面不僅要承受高溫高速煤氣的沖刷侵蝕和渣鐵的化學(xué)侵蝕，“氫病”發(fā)生的情況也大幅提高，造成冷卻壁壽命降低。

（2）磨損

與化學(xué)侵蝕相似，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(jī)械沖擊和高溫煤氣流的沖刷。采用金相顯微鏡觀察破損嚴(yán)重的銅冷卻壁不同位置的試樣，發(fā)現(xiàn)金相組織均為ɑ固溶體，且冷卻壁熱面未出現(xiàn)晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象，表明銅冷卻壁破損的主要原因是機(jī)械磨損，而不是熔損。

銅冷卻壁磨損一方面是由于銅的硬度較低，相對(duì)鑄鐵更容易被塊狀爐料磨損，另一方面，操作上長(zhǎng)期保持中心氣流過強(qiáng)，邊緣過重，軟熔帶根部過低，塊狀帶大塊物料，很容易磨損銅冷卻壁。

（3）撓曲變形

銅冷卻壁一般用于爐身下部、爐腰和爐腹等熱負(fù)荷高的區(qū)域，渣皮頻繁脫落時(shí)，冷卻壁熱面暴露在高溫煤氣中，受到煤氣、渣鐵等的熱輻射作用。同時(shí)，由于冷卻水的冷卻作用，造成冷卻壁冷熱面間出現(xiàn)一定的溫度梯度，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力作用。熱應(yīng)力作用是銅冷卻壁出現(xiàn)撓曲變形的主要原因，且熱負(fù)荷越大，撓曲變形越嚴(yán)重。一定熱負(fù)荷下，冷卻壁高度越高，撓度越大。

4結(jié)語

總之，高爐銅冷卻壁的熱變形量不但和其中的溫度系數(shù)有著非常緊密的聯(lián)系，還和其安裝的方式和位置有關(guān)。如果銅冷卻壁的邊界有著一定的空間的話，冷卻壁中的受熱集中部位可能會(huì)出現(xiàn)變形，如果沒有邊界空間的話，就有可能會(huì)在冷面出現(xiàn)變形。進(jìn)行處理的常用方法就是定位銷位置的改變，這種方法能夠降低高爐銅冷卻壁的變形程度。

參考文獻(xiàn)

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[2]李平.鑄鋼冷卻壁的鑄造工藝[J].鑄造，2011（11）.

（作者單位：河北鋼鐵集團(tuán)邯鋼公司生產(chǎn)制造部）