1 前 言
高炉铜风口的寿命一直是炼铁企业关心的一个大问题。 在使用过程中,由于工作环境恶劣等原因,铜风口极容易损坏。 一般铜风口损坏的形式主要有三种,即熔损、 磨损和龟裂[ 1], 所以,高炉铜风口工作时间的长短将直接影响到高炉能否稳产和高产,影响到企业的经济效益。为此,国内外的许多专业工作者一直在努力寻求提高风口寿命的新途径。
日本学者通过大量实验研究后分析认为, 如果铜风口不与大量高温液态渣铁接触,铜风口表面温度是很低的,风口破坏的主要形式为磨损和热应力腐蚀开裂(龟裂)[ 2], 而发生熔损的机会很小。 因此,日本学者采用在铜风口表面喷涂隔热材料的方法使风口寿命达到1000 天,重复使用寿命可达到10 年[ 3],大大高于国内同类型铜风口的寿命;美国学者通过调查研究发现,在美国炼铁企业,很多风口的破坏是由于风口铜的熔损引起的;同时, 也有一些是由于铜的晶界氧化和热应力的作用,使风口壁开裂而引起的。 这两种现象均与温度有关。 他们通过实际测量发现,正常情况下风口前端外侧最高温度在427℃左右。这一温度足以使风口产生开裂。因此,他们认为,如果制造上允许,可以考虑采用经过特殊设计的高熔点材料制造风口[ 4]。 目前,国内的研究工作者也在进行各种尝试, 但对在铜风口表面喷涂隔热材料的合理性仍缺乏统一的认识。
2 水冷风口导热特征分析
风口工作时的通水冷却是保证风口正常工作的最重要措施,即使在这种条件下,风口的导热仍是一个动态的、 十分复杂的过程,风口表面的温度也是变化万千。 迄今为止,尚无统一的方式能对其进行较精确的描述。 一方面,炉内的高温气流和液态渣铁等通过对流和辐射不断把热量传入风口壁;另一方面,风口内快速流动的冷却水通过对流换热又不断把热量带出风口,二者基本处于动态
平衡状态。
2. 1 风口热平衡方程分析
设由炉内高温介质传到风口壁的热通量为q热,冷却水带出风口的热通量为q冷,通过风口壁传导的热通量为 q导。当风口处于稳定工作状态时,有q热= q冷= q导。如图1 所示,设风口壁内、 外侧温度分别为Ts, 1, T s, 2, 流出风口的冷却水的温度为T水,风口壁厚 0= 30mm。
然而,水的冷却能力是有限的, 不能无限增大。这是因为,当风口壁内侧温度Ts, 1 超过某一数值时,冷却水就会从核态沸腾变为膜态沸腾, 从而在风口壁与冷却水之间形成汽膜。此汽膜导热能力很差( = 0. 02w / mk[ 6]) , 它使传入风口的热量不能很快被带走,从而会导致风口壁外侧温度Ts, 2 急剧升高。 当Ts, 2 达到风口铜的熔点( T熔)时,风口就会发生熔损; 有时尽管T s, 1< T熔, 但数值较大时, 风口表面的硬度将大大降低。那么,风口因磨损而导致破坏的机会也就会大大增加( 700℃时,紫铜的硬度仅为HV13.6。
从( 3)式可以看出,通过风口壁传导的热通量q导 不仅与风口壁外侧温度有关,很明显Ts, 2 越高, q导 就越大,而且与风口壁内侧温度T s, 1 和风口壁本身的热阻Rt 有关。刚投入使用时, 风口的导热能力最好。但是, 经过一段时间的使用,在风口壁内侧会沉淀一薄层水垢,从而会降低风口的导热能力。
2. 2 风口壁热阻分析
如图2所示, 设风口壁内侧水垢厚度1= 0. 5mm,水垢的导热系数 1= 0. 48w / m. k, 取风口铜的导热系数 0= 345. 8w / m. k[ 8]。那么,有水垢时风口的总热阻:
由公式( 3) 可得, Ts, 2= q导×Rt+ T s, 1, 当q导、 Ts, 1 一定时, Ts, 2 与热阻Rt 成直线关系。Rt
的增大会导致风口壁外侧温度T s, 2 升高。T s, 2的升高会带来两方面的不良后果: 铜风口表面硬度降低,从而导致风口抗磨损能力下降;风口本身的热应力增大, 在氧化性气氛中容易引起风口的开裂[ 9]。
3 隔热涂层对风口壁导热的影响
与铜风口材料相比, 隔热材料的导热系数要低得多,熔点又高,高温抗氧化能力强。当我们把隔热材料喷涂( 或堆焊) 到风口表面后,从 2. 2 的计算中可知,风口壁的总热阻会增大,铜风口的导热能力会下降。因此, 国内有资料分析认为,在铜风口表面喷涂隔热材料会使风口的导热性能恶化,因而是不妥的。
然而,许多事实证明,在风口表面喷涂隔热材料,的确能提高风口的寿命。 这是因为隔热材料至少可以起到以下三个作用: ( 1)降低热输入; ( 2) 提高风口表面的高温耐磨性; ( 3)提高风口表面的熔点和抗氧化能力。
由公式( 3)可以看出,通过风口壁传导的热量不仅与风口壁的导热能力有关,而且与风口壁外侧的温度有关。我们首选的在风口表面用等离子的方法制造了一表面强化处理层。
4 风口壁温的理论计算
4. 1 理想状态下风口壁温的计算
假设风口壁内侧无水垢,壁外侧无隔热材料,且风口不与液态渣铁接触。这一计算结果表明,在风口初期状态下,风口壁外侧的温度很低, 仅为154℃, 远远低于紫铜的熔点1083℃。 整个工作效果是很好的。
4. 2 风口壁内侧有水垢时壁温的计算
目前, 由于国内各炼铁企业使用的冷却水主要是工业用水,经过一段时间的使用,风口壁内侧会结上一层水垢。 随着时间的推移,这层水垢会越来越厚,会使风口壁温度升得过高,最终导致风口的熔损和磨损。 从2. 1的分析中可知, 当长时间服役以后,风口壁内侧所沉淀的水垢对风口壁外侧温度的高低有很大影响。
这一结果表明, 在风口壁内侧即使只沉淀很薄一层水垢, 也会引起风口壁外侧温度的大幅升高。 图4表示表面处理前风口壁外侧温度与水垢厚度的关系。
同理, 令风口壁外侧温度Ts, 2= 1083℃, 可以算出水垢的最大允许厚度1max= 1. 2mm。 这表明,当风口表面不进行任何处理时,只要风口壁内侧水垢达到1. 2mm 厚, 风口壁就会因为其温度超过紫铜熔点而发生熔损。
5 结果分析
( 1)从4. 2和4. 3的计算结果中可以看到,当风口表面喷涂了0. 6mm 厚的 ZrO2等隔热材料后,风口壁外侧的温度由喷涂前的715. 7℃下降到581℃, 下降幅度为18. 8%。 这说明,在风口表面喷涂ZrO2等隔热材料能有效降低风口的壁温,从而可以提高风口抗熔损和抗磨损的能力,延长风口的工作时间。
( 2)从4. 3和4. 5的计算结果中可以看出,当风口表面喷涂了0. 6mm 厚的 ZrO2等隔热材料后,风口壁内侧水垢的理论允许厚度高达1. 97mm,比不经表面处理时风口壁内侧水垢的最大允许厚度( = 1. 2mm)提高了64%。 这表明, 在同等工作条件下,在风口表面喷涂ZrO2等隔热材料可以延长风口的寿命。
( 3)从4. 3和4. 6的计算结果中可以看到,在风口内水垢和风口壁厚相同的条件下, 虽然在风口表面堆焊的镍基合金厚达3mm,风口壁外侧的温度仍比喷涂厚度仅为0. 6mm 的ZrO2等隔热材料时风口壁外侧温度高764- 581= 183℃。 这说明,在降低风口壁外侧温度, 提高风口抗熔损和抗高温磨损能力方面, ZrO2等隔热材料的作用比镍基合金更明显。
( 4) 从4. 4的计算结果中可以看出, 即使风口壁涂层与紫铜界面的温度高达紫铜的熔点1083℃,涂层表面的温度也仅有1112. 6℃, 大大低于ZrO2的稳定工作温度1400℃。 这表明, 在风口表面喷涂ZrO2等隔热材料可以提高风口的耐热程度,即也可以延长风口的使用寿命。
6 结 论
( 1)当各种条件相同时,在风口表面喷涂一层和堆焊一层相比较,显然喷涂层能保持风口壁外侧的温度要低得多,则采取喷涂层的表面处理方法为优。
( 2) 风口壁内侧有水垢生成时,计算结果表明,在相同水垢厚度时,有喷涂层的风口壁外侧温度也较大低于无喷涂层的温度,这样就直接延长了风口的工作时间。
( 3)在风口表面增加喷涂层后,风口表面工作温度可达1112℃。 比直接使用紫铜风口时的工作温度大幅度提高, 即提高了风口的耐热温度,也延长了风口的工作时间。
( 4) 经上述计算分析,铜风口的表面处理, 选用等离子喷涂隔热层的方法是合理的。 从理论上看, ZrO2涂层能使风口表面的耐磨性大大提高,从而能最有效地延长风口的使用寿命。
参考文献略
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