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中國(guó)鐵合金網(wǎng)訊：

礦熱爐大型化是鐵合金行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，對(duì)其主體設(shè)備及關(guān)鍵部件的可靠性和使用壽命提出更高的要求。銅冷卻部件作為大容量礦熱爐的關(guān)鍵設(shè)備，包括銅壓力環(huán)、銅保護(hù)屏、銅爐蓋等，在國(guó)外先進(jìn)鐵合金企業(yè)已得到廣泛應(yīng)用。我國(guó)目前新建或擴(kuò)建鐵合金礦熱爐在業(yè)主、工程公司、設(shè)計(jì)單位及制作廠家共同努力下，電極柱大多采用壓力環(huán)和銅瓦結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的組合把持器，壓力環(huán)使用壽命可達(dá)10年以上;針對(duì)電極三角區(qū)不銹鋼板組焊爐蓋易漏水問題，借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，采用銅板鉆孔焊接結(jié)構(gòu)的銅爐蓋，確保爐蓋使用壽命。

 

本文詳細(xì)探討大容量鐵合金礦熱爐關(guān)鍵銅冷卻部件的最新開發(fā)和應(yīng)用情況。

 

壓力環(huán)

 

電極把持器是大容量礦熱爐的關(guān)鍵設(shè)備，目前我國(guó)傳統(tǒng)的波紋管壓力式把持器結(jié)構(gòu)采用鋼壓力環(huán)，如圖1、圖2所示。

鋼壓力環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但一般壽命短。鋼壓力環(huán)工作原理為：通過波紋管松開和抱緊銅瓦，鋼壓力環(huán)下面利用鋼或銅底部環(huán)保護(hù)，外面利用下保護(hù)屏保護(hù)。

 

為提高壓力環(huán)壽命，國(guó)內(nèi)有些企業(yè)嘗試采用鑄造鋁青銅壓力環(huán)替代鋼壓力環(huán)，但這種結(jié)構(gòu)同樣需要底部環(huán)和下保護(hù)屏的保護(hù)，使底部環(huán)和下保護(hù)屏處于最惡劣的工況中。

 

1.1 銅壓力環(huán)結(jié)構(gòu)

國(guó)外鐵合金企業(yè)大多已采用一體式銅壓力環(huán)，有的工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10年，汕頭華興冶金設(shè)備股份有限公司(簡(jiǎn)稱華興公司)近年來根據(jù)國(guó)內(nèi)用戶特點(diǎn)自主設(shè)計(jì)開發(fā)一體式銅壓力環(huán)，如圖3、圖4所示。選用銅材作為壓力環(huán)本體，此結(jié)構(gòu)為底部帶凸臺(tái)的鍛造銅壓力環(huán)，內(nèi)部以及底部凸臺(tái)設(shè)有鉆孔冷卻水道孔，波紋箱鎖在銅壓力環(huán)內(nèi)表面。

 

 

不同結(jié)構(gòu)壓力環(huán)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

 

表1不同結(jié)構(gòu)壓力環(huán)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

 

1.2 銅壓力環(huán)材質(zhì)

選用常規(guī)無氧銅材質(zhì)的一體式鍛造銅壓力環(huán)，比鋼壓力環(huán)結(jié)構(gòu)使用效果好和壽命長(zhǎng)，但銅壓力環(huán)鎖緊位置需要一定的受力，在長(zhǎng)期高溫條件下需要考慮蠕變性能。無氧銅壓力環(huán)鎖緊位置的力學(xué)仿真圖如圖5所示。

 

由圖5得知，應(yīng)力為20MPa，盡管所受的應(yīng)力低于其屈服強(qiáng)度，但由于其應(yīng)力松弛特性(這種現(xiàn)象也稱為蠕變)，使其在高溫的工作環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作(比如3年之后)時(shí)強(qiáng)度達(dá)不到要求，以致使用壽命縮短，提高了生產(chǎn)成本。

 

為了進(jìn)一步提高一體式銅壓力環(huán)的壽命，華興公司選用銀銅合金，并針對(duì)不同銅材做了對(duì)比試驗(yàn)，得到不同銅材的蠕變性能如表2所示。

 

表2  不同銅材的蠕變性能

 

從表2可以看出，銀銅合金的抗蠕變性能比無氧銅大大提高，完全滿足作為壓力環(huán)鎖緊重要部位材料的要求。

 

1.3 銅壓力環(huán)使用效果

該結(jié)構(gòu)的一體式銅壓力環(huán)自2017年開始在國(guó)內(nèi)應(yīng)用，得到廣大錳硅合金礦熱爐企業(yè)認(rèn)可，目前正在服役的礦熱爐有19座。

 

銅爐蓋

 

爐蓋是爐襯的一個(gè)重要組成部分，其工作條件十分惡劣，保證爐蓋的正常工作狀態(tài)是確保礦熱爐正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。傳統(tǒng)的水冷爐蓋基本上都是鋼結(jié)構(gòu)形式，框架式和管式水冷爐蓋常用于中小型礦熱爐，分塊空腔鋼板式水冷爐蓋開始用于較大型礦熱爐上，但還是不能滿足大容量礦熱爐的工藝要求。

 

為了保障水冷爐蓋的使用性能，提高爐蓋的使用壽命，筆者介紹一種新型銅板爐蓋，此爐蓋采用銅板鉆孔焊接工藝。新型銅板爐蓋電極三角區(qū)核心部分采用銅板爐蓋結(jié)構(gòu)，外沿部分可采用銅板結(jié)構(gòu)，亦可采用鋼結(jié)構(gòu)。

 

2.1 鋼爐蓋特點(diǎn)

(1)爐蓋中間三角區(qū)位置溫度較高，焊縫較多易開裂而造成漏水。

(2)渦流磁場(chǎng)較大，電耗升高。

(3)不銹鋼在高溫條件下容易產(chǎn)生晶間腐蝕導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋，很難補(bǔ)焊。

(4)鋼爐蓋冷卻效果差，對(duì)耐材的保護(hù)作用較小，因此底部耐材的厚度較厚，耐材成本增加。

 

2.2 銅爐蓋特點(diǎn)

(1)使用壽命長(zhǎng)，正常爐況下使用壽命可達(dá)10年以上。

(2)銅材渦流磁場(chǎng)小，減少電損耗。

(3)銅板爐蓋底部設(shè)有燕尾槽結(jié)構(gòu)，耐材不容易掉落。

(4)銅板爐蓋換熱效果好，一定程度上可保護(hù)耐材，延緩耐材的侵蝕，減少耐材厚度，降低耐材成本。

(5)三相銅板爐蓋之間設(shè)有鋁磚或黏土磚等，有效控制三相之間的絕緣。

(6)銅板爐蓋和銅電極套之間設(shè)有絕緣板，進(jìn)一步減少銅爐蓋之間的連電。

(7)銅材回收價(jià)值高，可達(dá)80%-85%。

 

為研究銅板爐蓋在礦熱爐上的使用效果，采用有限元分析軟件對(duì)銅板爐蓋在設(shè)定工況條件下進(jìn)行熱模擬分析。假定銅板爐蓋下端外部的耐火材料已經(jīng)完全被燒蝕，爐內(nèi)氣體溫度為1200℃，流量為25t/h，進(jìn)水溫度為35℃，爐蓋熱面與高溫氣體進(jìn)行對(duì)流換熱和輻射換熱，在250W/(m2·K)熱流強(qiáng)度的沖擊下，其中一塊銅板的爐蓋和溫度云圖如圖6、圖7所示。

 

從圖6、圖7可以看出，銅板爐蓋的工作溫度在59.9~122℃范圍內(nèi)，這是由于銅板良好的導(dǎo)熱性，能將爐內(nèi)傳遞的熱量及時(shí)通過冷卻水帶走，其表面溫度較低;即使在耐材被完全侵蝕的情況下，局部最高溫度達(dá)到183℃，也低于銅材抗軟化溫度250℃，可靠性強(qiáng)。

上述銅板鉆孔焊接爐蓋，已應(yīng)用在南非、馬來西亞、挪威、云南和內(nèi)蒙古等大容量礦熱爐上，最長(zhǎng)使用時(shí)間超過12年，目前有16座正在運(yùn)行。云南某項(xiàng)目銅板爐蓋如圖8所示，挪威銅板爐蓋如圖9所示。

 

 

 

 

保護(hù)屏

 

保護(hù)屏是用在礦熱爐里的通水冷卻設(shè)備，可以保護(hù)電極系統(tǒng)避免高溫和煙氣的侵害。保護(hù)屏部分或全部安裝在礦熱爐煙罩(或爐蓋)下的爐膛內(nèi)，工作環(huán)境惡劣，尤其是保護(hù)屏下部受高溫輻射和煙氣侵蝕。

 

傳統(tǒng)的鋼保護(hù)屏，如圖10所示。

 

傳統(tǒng)的保護(hù)屏是以多塊不銹鋼板(或其他鋼板)以及隔水板焊接而形成一層層水腔的結(jié)構(gòu)，此鋼保護(hù)屏使用效果不理想;針對(duì)鋼保護(hù)屏存在的不足，華興公司提供一種新型鍛壓鉆孔銅保護(hù)屏，如圖11所示。

 

鋼保護(hù)屏特點(diǎn)：

(1)焊縫較多，容易漏水。

(2)不銹鋼開裂很難補(bǔ)焊。

(3)水腔局部容易產(chǎn)生氣堵，導(dǎo)致局部水溫過高，保護(hù)屏容易發(fā)生燈籠狀的鼓包式變形。

(4)使用壽命較短，增加停爐檢修的次數(shù)。

 

銅保護(hù)屏特點(diǎn)：

(1)使用壽命長(zhǎng)，正常爐況下使用壽命可達(dá)5年及以上，減少停爐檢修次數(shù)。

(2)冷卻效果好，不容易發(fā)生變形。

(3)焊縫較少，減少因焊縫漏水的情況。

(4)銅材渦流磁場(chǎng)小，減少電能損耗。

(5)設(shè)計(jì)保護(hù)壁偏薄，減少銅材成本，降低采購(gòu)成本。

 

底部環(huán)

 

底部環(huán)是電極把持器的關(guān)鍵部件之一，用于保護(hù)電極把持器的其他部件，使保護(hù)屏、接觸元件(或者銅瓦和壓力環(huán))的底部不受高溫火焰、煙氣的侵害。

 

傳統(tǒng)的礦熱爐底部環(huán)主要是鑄造的銅底部環(huán)，采用直接鑄造成型或預(yù)埋銅管鑄造成型工藝制成，其缺點(diǎn)如下：

(1)銅底部環(huán)在鑄造過程中無法根本消除材料缺陷，如內(nèi)部有鑄造組織疏松、氣孔、夾渣和裂紋等。

(2)預(yù)埋銅管鑄造成型的底部環(huán)，由于純銅基體與預(yù)埋水管未能完全熔合，內(nèi)部容易出現(xiàn)不同程度的氣隙熱阻，導(dǎo)致整體組件的導(dǎo)熱能力降低。

(3)在高溫工作環(huán)境下，底部環(huán)不可避免出現(xiàn)受熱變形，這些鑄造缺陷隨著變形的出現(xiàn)而擴(kuò)大，嚴(yán)重影響到底部環(huán)使用的可靠性。

 

針對(duì)以上缺點(diǎn)，開發(fā)一種鍛壓鉆孔工藝的銅底部環(huán)，該底部環(huán)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)沒有鑄造銅底部環(huán)的材質(zhì)疏松、氣孔、夾渣和裂紋等缺陷。

(2)材料組織均勻致密，機(jī)械性能優(yōu)良，強(qiáng)度高。

(3)冷卻水道為機(jī)械切削而成，不存在氣隙熱阻，較大程度提高冷卻效果。

(4)使用壽命長(zhǎng)，正常爐況下使用壽命可達(dá)3年及以上。

(5)常規(guī)結(jié)構(gòu)組成為一個(gè)圓分成4瓣以上銅底部環(huán)，如空間限制或?yàn)榱藴p少吊掛數(shù)量，亦可提供一個(gè)圓2瓣的結(jié)構(gòu)，如圖12所示。

 

 

結(jié)  語(yǔ)

 

(1)采用波紋管式把持器，解決了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)把持器存在的關(guān)鍵問題;選用一體式鍛壓鉆孔銅壓力環(huán)，不僅能夠取代傳統(tǒng)的鋼或鋁青銅鑄造銅壓力環(huán)+底部環(huán)+下保護(hù)屏的結(jié)構(gòu)，而且具有良好的冷卻效果，故障率低，使用壽命長(zhǎng)，提高礦熱爐的持續(xù)運(yùn)行周期;而選用銀銅合金，顯著提高再結(jié)晶溫度、抗蠕變性能和耐磨性能，可以顯著降低其應(yīng)力松弛，滿足高溫環(huán)境下的安全工作狀態(tài)，進(jìn)一步提高了使用壽命和安全性能。

(2)隨著大容量礦熱爐的發(fā)展趨勢(shì)，水冷爐蓋作為礦熱爐的重要部位，有必要對(duì)爐蓋進(jìn)行同步設(shè)計(jì)，銅板爐蓋是一種優(yōu)良的技術(shù)方案。

(3)銅保護(hù)屏采用鍛壓銅板鉆孔焊接工藝，具有良好的導(dǎo)熱性能、不易漏水等特點(diǎn)，顯著地提高使用壽命。

(4)鍛壓鉆孔工藝銅底部環(huán)可以避免傳統(tǒng)鑄銅底部環(huán)存在的鑄造組織疏松、氣孔、夾渣和裂紋等缺陷以及純銅基體與預(yù)埋水管未能完全熔合的情況，提高了冷卻強(qiáng)度及底部環(huán)的可靠性和使用壽命。

(5)雖然選用以上銅冷卻部件一次性投資很大，但這些成本對(duì)于保障電爐長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)運(yùn)行、設(shè)備全生命周期分析，其經(jīng)濟(jì)性顯而易見。而且銅材在期貨市場(chǎng)上具有金融屬性，銅材本身仍然具有很高的回收價(jià)值，可達(dá)80~85%。

 

作者：李立鴻、佘京鵬、周兵其、鮑仁周、沈大偉

來源：《鐵合金》