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)和冶煉強度提高，高爐爐腹、爐腰和爐身下部的熱負荷上升，爐缸側(cè)壁溫度升高等現(xiàn)象頻繁發(fā)生。同時，國內(nèi)高爐原燃料質(zhì)量穩(wěn)定性較差，常引起爐況波動，進而造成軟熔帶位置頻繁上下移動，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)對于采用何種冷卻壁出現(xiàn)了較多分歧，因此，有必要對不同冷卻壁在使用過程中的問題進行探討。

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”風險，國內(nèi)主要設計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”風險。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”，特別適合應用于可能產(chǎn)生氫脆的領域。

當氧含量低于0.001%時，認為不會發(fā)生氫脆導致的晶界裂紋，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，相對更為安全。但TU00～TU1因雜質(zhì)含量少，強度和硬度偏低，適合于做電線等導體，對需要兼顧傳熱和機械性能的銅冷卻壁并非最合適選擇，同時，投資較高也制約了大規(guī)模應用到鋼鐵冶金領域。

2銅冷卻壁的熱態(tài)實驗

2.1實驗過程

想要更好的對銅冷卻壁的熱工性能進行分析，在高爐中的銅冷卻壁上選取了十一個點進行了熱態(tài)實驗，在進行實際實驗的過程中，保證高爐與正常工作狀態(tài)下的環(huán)境保持高度一致。針對高爐的幾個面，我們進行定義一下，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，其余四個面為頂面、底面、兩個側(cè)面。在銅冷卻壁的熱面和冷面和高爐的內(nèi)部都進行測溫設施的安裝，并保證測溫裝置的質(zhì)量和數(shù)量，進而對銅冷卻壁的溫度變化進行明顯的觀察。

2.2結(jié)果分析

通過熱態(tài)實驗，得到以下結(jié)果，在兩種約束實驗的基礎上，銅冷卻壁在高爐溫度為一千度和一千一百度的時候，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變力為最大，其它固定方法的變形量相對較小，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熱能力和形成渣皮能力在我國高爐上得到廣泛的使用，目前全國約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一步發(fā)展。因此，從上世紀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）嚴重損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)冷卻強度不足、冷卻壁本體溫度升高的現(xiàn)象。

（1）化學侵蝕

氧元素在銅中的固溶量很小，但易與銅反應生成Cu2O，生成的Cu2O分布在晶界或枝晶網(wǎng)絡中。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氧氮分析儀測定冷卻壁熱面損壞嚴重的“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（2）的靈敏度明顯較高，因此這種現(xiàn)象往往稱為“氫病”。“氫病”被認為是銅冷卻壁破損的主要原因之一。“氫病”的發(fā)生主要受三個因素影響：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。

由于銅冷卻壁導熱能力強，導熱系數(shù)達到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向冷卻壁壁體的擴散，從而避免了“氫病”現(xiàn)象的發(fā)生。當發(fā)生邊緣煤氣流過剩等異常爐況時，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械沖擊和高溫煤氣流的沖刷。采用金相顯微鏡觀察破損嚴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)晶粒長大現(xiàn)象，表明銅冷卻壁破損的主要原因是機械磨損，而不是熔損。

銅冷卻壁磨損一方面是由于銅的硬度較低，相對鑄鐵更容易被塊狀爐料磨損，另一方面，操作上長期保持中心氣流過強，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、爐腰和爐腹等熱負荷高的區(qū)域，渣皮頻繁脫落時，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，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)生熱應力作用。熱應力作用是銅冷卻壁出現(xiàn)撓曲變形的主要原因，且熱負荷越大，撓曲變形越嚴重。一定熱負荷下，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出現(xiàn)變形，如果沒有邊界空間的話，就有可能會在冷面出現(xiàn)變形。進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

[1]張文明.鐵基材質(zhì)高爐冷卻壁的解剖研究與破損機理[J].鋼鐵，2011（9）.

[2]李平.鑄鋼冷卻壁的鑄造工藝[J].鑄造，2011（11）.

（作者單位：河北鋼鐵集團邯鋼公司生產(chǎn)制造部）