不同氧槍噴口結構形式對氧槍壽命的影響

王瑞良 孔艷麗 牛辰

黃河科技學院 河南省濟源市 459000

1 氧槍噴頭損傷失效問題

煉鉛爐工作過程中，氧槍噴頭作為重要的供氧設備，能夠為煉鉛爐提供充足的氧氣支持，因此，氧槍噴頭在煉鉛爐工作環節具有舉足輕重的地位。目前常用的氧槍噴頭多為無氧銅結構，含銅量超過99.5%。氧槍噴頭材料結構的綜合性能一定程度上影響煉鉛爐生產效率，進而影響煉鉛爐的經濟指標。由此可見，強化氧槍噴頭的服務壽命是提高煉鉛爐工作效率的關鍵。在煉鉛爐實際工作過程中，受外部環境、零部件損傷等的影響，氧槍噴頭或多或少存在失效行為，如：噴頭粘鉛、粘渣，噴頭端部漏水，噴頭出現形變等，這些都是影響氧槍工作的重要因素，導致氧氣射流不穩定，影響吹煉效果。

1.1 氧槍噴頭粘鉛、粘渣

近年來，隨著工業發展速度加快，鉛使用頻率增加，一定程度上刺激了煉鉛行業的發展，頂吹轉爐煉鉛是目前常用的煉鉛方法，是指氧槍吹煉過程中，需要將氧槍伸進煉鉛爐中持續、高強度吹氧，保證氧氣的供應，氧槍噴頭在煉鉛爐內部與鉛液面近距離接觸，很容易粘鉛、粘渣，大量鉛屑與渣滓粘結在氧槍噴頭表面，在氧槍表面形成了“結瘤”（圖1），極大程度上影響了氧槍散熱性能，導致氧槍在高度運轉的基礎上無法及時散熱，使其面臨被燒毀的風險。此外，氧槍表面的“結瘤”還會影響氧槍的正常上升和下降，使其在進行上升或下降操作時破壞氮氣封口。更嚴重者還會導致氧槍無法正常移動，迫使煉鉛爐停止工作，影響生產，降低工作效率。

圖1 氧槍粘鉛、粘渣導致氧槍出現的“結瘤”

結合前人的研究經驗，總結得出氧槍粘鉛、粘渣的主要原因有以下幾個方面：

（1）噴頭結構設計存在弊端，主要表現在噴頭導水板設計存在不合理現象，導致冷卻水噴出效果降低，當氧槍噴頭工作過熱時，無法及時進行冷卻，冷卻效果大大降低；噴空夾角設計不合理，通常表現為夾角設計偏小，降低轉換路的有效高度，難以把控煉鉛過程，加劇噴濺現象。

（2）氧槍噴頭制作原材料質量不過關，在高溫、高壓、高熱應力、強腐蝕和熔體流動強摩擦的熔池內，導致氧槍噴頭粘鉛、粘渣問題加劇。

（3）煉鉛過程中，氧槍操作人員操作不當，主要表現為操作人員無法有效控制氧槍槍位，作業時出現濺渣問題無法及時處理和反應，導致鉛水無法盡數排出，使得剩余鉛水和爐渣在高壓氮氣的作用下飛濺到氧槍噴頭表面，從而出現粘鉛、粘渣問題，影響煉鉛效果和煉鉛質量。

1.2 氧槍噴頭端部漏水

氧槍噴頭端部漏水問題是氧槍噴頭損傷失效的重要問題之一，由于氧槍噴頭處于較為惡劣的工作環境下，即便氧槍噴頭本身設有導水板，有冷卻水作用于氧槍噴頭，一定程度上起到散熱作用，但氧槍噴頭在工作中依舊會收到飛濺的鉛渣及鉛液的沖擊，使得氧槍噴頭表面溫度居高不下，導致噴頭表面晶粒受熱膨脹，一定程度上影響了氧槍噴頭的工作效率。有氧槍外表面高溫沖擊，又承受自身內部冷卻降溫的作用，冷熱交替易使氧槍表面出現裂縫，再隨著氧槍工作時間的增長，表面裂縫越來越多，再加上煉鉛作業中鉛液等殘渣的沖刷，導致氧槍表面越來越薄，最終引起噴頭端部漏水問題（圖2）。

圖2 氧槍噴頭端部漏水

通過梳理前人研究成果，氧槍端部漏水是損壞氧槍，導致氧槍無法正常工作的重要原因之一，在煉鉛作業中，一旦出現氧槍端部漏水問題，應立即將氧槍移出煉鉛爐，并停止對煉鉛爐內的氧氣供應，注意這一過程中不可傾轉轉爐，防治出現爆炸現象，需注意觀察爐中水的情況，當不再有水蒸氣冒出，方可轉動轉爐，并繼續觀察爐中情況，這時可以向爐中拋擲可燃物，如報紙、碎布料等，如果可燃物進入爐中后燃燒，可以判斷爐內水已盡數蒸發，可以進行換槍操作，重新吹煉。

1.3 氧槍噴頭形變

氧槍工作過程中極易出現氧槍變形等問題，一定程度上影響氧槍的使用壽命，前文所述，氧槍在操作過程中會出現粘鉛、粘渣以及氧槍端部漏水等問題，歸根結底還是因為氧槍變形所致。氧槍噴頭變形會影響氧氣噴射的穩定性和均勻度，降低氧氣氣流的沖擊能力，沖擊深度變淺，導致煉鉛爐內部爐渣泡沫化嚴重，加劇了爐內鉛渣、鉛液的噴射，使氧槍噴頭粘附性更強。

總體來看，氧槍噴頭之所以會出現形變，主要原因在于煉鉛爐內部溫度過高，內部鉛液、鉛渣噴濺，附著在氧槍噴頭表面，高溫加速氧槍噴頭表面附著物的膨脹，導致氧槍噴頭變形。

2 氧槍噴頭壽命預測

氧槍噴頭作為煉鉛過程中的重要設備之一，是一種高溫受熱構建，氧槍噴頭受熱會使氧槍長期處于高溫工作狀態，不利于氧槍使用壽命的延長，基于此，以下將結合有限元模型，分別對鍛造氧槍噴頭和鑄造氧槍噴頭結構形式疲勞壽命進行仿真實驗，最終得出鍛造氧槍和鑄造氧槍結構的熱疲勞損傷云圖和各個節點的疲勞壽命。

本部分對于氧槍噴頭進行熱疲勞分析主要采用Thermo-mecnanical Fatigue（TMF）模塊，結合疲勞分析五框圖進行詳細的疲勞分析。從圖中可以看出，在對實驗構件進行疲勞分析時，首先需要獲取三項信息，意識構件工作過程中所受的循環荷載；二是構件的有限元分析結構模型；三是構件疲勞性能參數。依據以上三項信息可以搭建分析模型，設置相應疲勞度參數，便于后續計算和處理。

2.1 熱疲勞仿真分析參數設置過程

2.1.1 材料Δε-N曲線的建立

材料應變與壽命之間的關系可以通過Δε-N曲線描述，可采用Manson-Coffin公式預測氧槍噴頭疲勞壽命。

本文所研究的氧槍噴頭材料主要以無氧銅材料為主，但由于噴頭結構構成形式不同，分別以鍛造形式和鑄造形式為例展開研究，結合不同結構形式的氧槍噴頭材料性能參數（表1），展開仿真實驗，借助nCode Designlife軟件中關于材料E-N曲線關鍵節點數值計算的關系式，得到鍛造氧槍噴頭和鑄造氧槍噴頭兩種不同結構形式的E-N曲線圖，如圖3、圖4所示。

圖3 鍛造無氧銅材料的E-N曲線

圖4 鑄造無氧銅材料的E-N曲線

式（2）～式（7）是生成材料E-N曲線的關系式：

其中，UTS表示抗拉強度極限；S為疲勞強度因子的表示；E為疲勞延展性系數表示；n′主要表示氧槍噴頭工作狀態中循環應變的加強系數；b、c主要是指疲勞強度指數和疲勞延性指數。

將表1的數據代入上述公式中，可得出相應結果，并生成E-N曲線。

表1 材料性能

2.1.2 氧槍噴頭熱疲勞分析結果

2.1.2 .1 鍛造氧槍噴頭熱疲勞壽命分析

結合鍛造氧槍噴頭熱疲勞損傷云圖（圖5）可以看出，在29355節點位置，氧槍噴頭首次發生疲勞反應，出現疲勞損傷，第一次出現疲勞時，繼續讓氧槍處于工作狀態，繼續觀察，這時發現，鍛造結構氧槍經過持續性的工作后，其疲勞損傷程度有所提高，甚至氧槍噴頭開始出現不可逆的損壞。

圖5 鍛造氧槍噴頭熱疲勞損傷云圖

從圖中，我們還能得出鍛造氧槍噴頭最小壽命出現的位置節點，為29355節點位置，最小壽命為338.8次，該位置與最早發生疲勞損傷的位置相同，由此可見，氧槍在實際作業中，在該位置也容易發生疲勞損壞，研究中還發現，疲勞壽命與疲勞損傷之間存在一定的關系式。

氧槍噴頭的最小壽命與經過不斷循環作業的荷載作用有關，煉鉛過程整個循環時間為1800s，因此，可以將疲勞壽命的換算時間看做：Timee=Life×單次循環所用時長=338.8×1800s=764100s=169.4h。最終得出鍛造氧槍噴頭的破壞點信息。

2.1.2 .2 鑄造氧槍噴頭熱疲勞壽命分析

結合鑄造氧槍噴頭熱疲勞損傷云圖（圖6）可以看出，在29355節點位置，氧槍噴頭首次發生疲勞反應，出現疲勞損傷，但該結構形式的損傷程度高于鍛造氧槍噴頭的熱疲勞損傷程度，第一次出現疲勞時，繼續讓氧槍處于工作狀態，繼續觀察，這時發現，鍛造結構氧槍經過持續性的工作后，其疲勞損傷程度有所提高，甚至氧槍噴頭開始出現不可逆的損壞。

圖6 鑄造氧槍噴頭疲勞損傷云圖

與鍛造氧槍噴頭熱疲勞損傷形式相仿，在29355節點位置處也出現了最小壽命值，為177.6次，按照氧槍噴頭疲勞壽命時間換算公式得出：Time=Life×單次循環所用時長=177.6×1800s=319680s=88.8h。最終得出節點鑄造氧槍噴頭的破壞點信息。

通過對比鍛造結構的氧槍噴頭和鑄造結構的氧槍噴頭，發現二者最早出現熱疲勞損傷的位置相同，最小壽命出現的位置點也相同，但受結構形式的影響，二者壽命損傷程度不同，由圖10（a）可以看出，鍛造氧槍噴頭與鑄造氧槍噴頭疲勞損傷變化趨勢基本一致，但從損傷量角度來看，鑄造氧槍噴頭損傷量更高，壽命更短。由圖7（b）可以看出，在1號節點位置，鍛造氧槍噴頭與鑄造氧槍噴頭壽命損傷差值不大，但在2號節點之后，二者開始拉開差距，疲勞壽命損傷程度開始攀升，總體來看，鍛造氧槍噴頭壽命整體高于鑄造氧槍噴頭壽命。

圖7 鍛/鑄氧槍噴頭熱疲勞結果對比

3 結語

本文以煉鉛爐為背景，以鑄造氧槍噴頭和鍛造氧槍噴頭為主要研究對象，進行了仿真實驗，最終得出如下結論：相同金屬材料，不同結構形式的氧槍噴頭壽命存在差異，從整體壽命來看，鍛造氧槍噴頭結構形式較鑄造氧槍噴頭抗熱疲勞能力更強，壽命更長。