耐磨復合材料在煙化爐生產實踐上的應用

常海鋒,李艷利,牛國和

(河南豫光金鉛股份有限公司,河南濟源 454650)

·機械設備·

耐磨復合材料在煙化爐生產實踐上的應用

常海鋒,李艷利,牛國和

(河南豫光金鉛股份有限公司,河南濟源 454650)

利用新材料解決煙化爐粉煤噴咀出口段和中間段的使用壽命過短問題,提高煙化爐的作業率,降低生產成本。

煙化爐;出口段;中間段;復合材料;耐磨性能

河南豫光金鉛股份有限公司現有兩套煙化爐,主要是為了從有鉛鼓風爐(還原爐)還原爐渣中回收鉛鋅等成分。

煙化爐具有的優點是:可以直接處理熔渣、燃料消耗較少、金屬回收率高、操作簡單、機械化程度較高等。兩套煙化爐采用粉煤作還原劑與燃料,其缺點是粉煤制備和輸送過程比較復雜,風口管道磨損嚴重,特別是整個輸煤管道的末端粉煤噴咀的出口段和中間段的磨損。

1 粉煤噴咀結構

粉煤噴咀是煙化爐的重要部件,每座煙化爐配備24套,它安裝在爐子底部側水套上。粉煤噴咀由五部分組成:前部為出口段,伸進爐內60～120 mm;中部為中間段、混合段,在混合段上設計粉煤接口;后部為入口段,入口段有一鋼球重力密封入口,其上設計二次風接口。粉煤噴咀的結構如圖1所示。

圖1 粉煤噴咀總圖

2 粉煤噴咀存在的問題

一、二次空氣和粉煤在混合段相遇混合,經中間段、出口段送入爐內熔體中,風咀由于受粉煤高速顆粒流(80～100 m/s)的沖刷,磨損相當嚴重,一般鑄鐵噴咀只能使用7～10 d即被磨穿,嚴重的可能損壞風口水套。出口段雖由鑄鐵、鑄鋼甚至鎳鉻鋼制成,但出口段(入爐段)因磨損消耗較大,需定期更換。

2.1 噴咀對生產作業的影響

出口段磨損較快,為了防止出口段磨透損傷水套,造成嚴重的停爐事故,一般將出口段的檢查時間控制在5 d/次以內,每5 d天停機8 h進行檢查,更換嚴重磨損的出口段、中間段和混合段,一座煙化爐每月因更換出口段、中間段的累計停機時間為48 h (兩座煙化爐影響停機時間合計96 h);同時因出口段的磨損,相對擴大了噴咀的內孔,影響了煙化爐吹煉的風壓和風量分布。

2.2 噴咀對生產成本的影響

粉煤在噴咀的運行軌跡如圖1中的箭頭所示,每次粉煤噴咀的磨損首先從出口段頭部開始,出口段的磨損速度是中間段的3倍,出口段每次檢查后對磨損面采取旋轉90°后繼續使用,噴咀出口段一般情況下在使用3個檢查周期(即最多15 d)后因內孔磨損嚴重需進行更換,中間段使用壽命為20 d左右,一套煙化爐每月更換出口段48件、中間段36件。

2.3 對備件供應的影響

出口段、中間段一般采用鑄件,兩座煙化爐每月需出口段96件、中間段72件,一般鑄造需要7 d,機械加工需25 d左右,為了保證出口段、中間段的正常供應,供貨單位必須加班批量趕貨,若因鑄造耽擱時間,將出現噴咀供應斷貨現象,備件的供應跟不上生產的需求、生產成本偏高,噴咀改造迫在眉睫。

3 噴咀的改造過程

2004年起,球磨鑄鐵、內襯搪瓷、含油耐磨尼龍、耐磨焊條堆焊等材質試用方案因經不起粉煤高速顆粒流的沖刷,多次嘗試失敗;內襯陶瓷易碎不適應用爐渣較粘時,用圓鋼釬從入口段打風眼的外力沖擊而擱淺。

2006年用Φ57焊管制作成內襯δ6 mm復合管替代出口段,出口段與水套之間的空隙(與安裝出口段的水套風眼Φ76 mm內孔的縫隙)用耐火料填充進行試驗,出口段壽命提高到28 d,因外套δ3.5 mm厚的焊管被高溫氧化而被迫進行更換,此次驗證出口段壽命提高了4倍。

3.1 噴咀出口段的改進

經多次的試驗和跟蹤總結,對噴咀出口段進行了不斷地改進,如圖2所示。主要改造為:(1)出口段外套管由一般灰鐵改為耐高溫鑄鐵,延長出口段深入爐內部分的燒蝕時間;(2)內襯5～6 mm厚的耐磨復合材料。

圖2 改進后的出口段

3.2 噴咀中間段的改進

在出口段改造經驗的基礎上,推進中間段的改進,如圖3所示。主要改造為:(1)由于中間段在爐體外部工作,環境溫度相對較低(65℃),為節約成本,外套管仍沿用一般灰鐵;(2)原離心式復合技術僅能對平管段進行內襯復合加工;隨著離心自蔓延高溫合成技術成功應用后,可對喇叭口進行內襯復合加工。

圖3 改進后的中間段

3.3 噴咀混合段的改造

參照出口段、中間段內襯的方式,2008年對混合段也進行內襯耐磨復合材料的改造。

4 耐磨復合材料的性能對比

噴咀上使用的復合材料是通過金屬和新材料高溫離心法制造出來的一種新型復合功能耐磨產品,由于該材料是在2 000℃高溫下陶瓷和金屬的復合體,具有獨特的組織結構,在高溫下形成均勻致密、表面光滑,耐磨復合層與鋼管牢固結合,從而形成了具有陶瓷高硬度與鋼鐵高韌性高塑性的結合體,它不但具有陶瓷良好的耐磨型、耐高溫性,并具有鋼鐵的韌性、耐沖擊性,是其它耐磨鋼管及各種耐磨管道壽命的幾倍或幾十倍,特別是離心自蔓高溫合成技術的推廣,為耐磨復合材料在粉煤噴咀的成功應用提供了技術支持。噴咀內襯耐磨復合材料具有如下的獨特性能:

1.具有高耐磨性。噴咀內襯耐磨復合材料是Al2O3陶瓷、碳化硅陶瓷和金屬鋼鐵的復合體,Al2O3陶瓷、碳化硅陶瓷的莫氏硬度達到了9,僅次于鉆石,在所有物質中,它的硬度除鉆石外最高,耐磨性和硬度成正比也是最好,具有其它材料無可比擬的耐磨性,耐磨試驗性能對比見表1。噴咀抗磨損主要靠內襯幾毫米厚的剛玉層,耐磨性比碳鋼管高20倍以上。

表1 耐磨機噴砂試驗對比表

2.具有高強的機械性能和耐沖擊沖刷性。噴咀是金屬鋼材和陶瓷的復合體,具有鋼材的韌性、高塑性、耐沖擊性、有陶瓷無可比擬的物理機械性能,消除了因鋼釬打風眼對噴咀內襯的損傷。其特性見表2。

表2 耐磨復合材料管和碳鋼管的性能對比表

3.耐溫性能高。耐磨復合內襯適用溫度-50～1 450℃范圍內長期使用。耐磨材料中剛玉熔點為2 045℃,在常溫下耐磨層受到壓應力,鋼層受到拉應力。只有溫度升高到400℃以上,由于二者熱膨脹系數不一樣,熱膨脹產生的新應力場才使耐磨管道中原來存在的應力場相互抵消,使耐磨層與鋼鐵層兩者處于應力平衡狀態。說明粉煤噴咀選用耐磨復合材料相對較為合適。

4.重量輕、造價低。耐磨復合管道價格與耐磨合金鑄鋼管相比,因其重量輕,單位長度理論價格低于耐磨合金鑄鋼20%～30%,工程造價與鑄石相當,比耐磨合金鑄管價格低,因此出口段、中間段、混合段的采購價格在改造前后基本沒有發生變化。

5 改造后的經濟效益

該公司兩套煙化爐粉煤噴咀改造后,不但節約了大量的備件消耗購置資金,而且減少了部分更換噴咀備件影響的停機時間,參數的變化見表3。

6 結 論

通過新材料技術產品的引進使用,2007年成功解決了公司兩座煙化爐噴咀壽命過短、作業率過低的問題,將煙化爐的作業率提高了近7個百分點,次氧化鋅年增產1 810 t,年增產值1 167.45萬元,耐磨復合材料在煙化爐上的成功應用使噴咀壽命得到質的提高,在整個有色冶煉行業具有較強的借鑒意義。

表3 改造前后噴咀耐磨件消耗量和停機時間的變化

[1] 《有色冶金爐設計手冊》編委會.有色冶金爐設計手冊[M].北京:冶金工業出版社,2004.

[2] 《機械工程師手冊》編委會.機械工程手冊[M].北京:機械工業出版社,1989.

Abstract:The use of new materials has solved the short service life problem of the fuming furnace coal powder nozzle exit section and the middle section,improved the fuming furnace operation efficiency and reduced the production cost.

Key words:fuming furnace;the outlet section;the middle section;composite;wear resistance

Application of Wear Resistant Composite Material in Fuming Furnace Production Practice

CHANG Hai-feng,LI Yan-li,NIU Guo-he
(Henan Yuguang Gold and Lead Co.,Ltd,Jiyuan454650,China)

TH137.53+2

A

1003-5540(2012)02-0058-03

2012-01-27

常海鋒(1977-),男,助理工程師,主要從事設備管理工作。