工具之家 > 工业技术 > 浅析高炉铜冷却壁磨损与氢脆关系

浅析高炉铜冷却壁磨损与氢脆关系

发布时间:2019-08-12 02:13:05 文章来源:工具之家    

 推荐工具:金融理财app工具实用工具

郭隆+胡显波

摘 yao:通guo分xiqingcui条件如wuyangtongTU2氧han量.3%反应wendu200℃)heqingnongdu(5%yi上)zai耐cai完好或zhapi稳固时不yifashengqingcui但耐材和渣皮tuo落hui导zhitonglengquebi温du急剧升gao达到qing脆”临jiewenduchangqi处于4%-8%qingqi氛zhong且2-5个da气压力gao温下wu氧tong强du和硬度急剧降di易zaocheng明显磨损qing脆hui恶化加剧该趋势对喷煤量da或喷吹天然气高lu要高度重视“qing脆”问题。除“氢脆”wai过度压制边缘,无液态渣tie形成,固态wu料也keneng造成tonglengque壁严重磨损。

guan键词:铜lengque壁;磨损;氢脆;无氧铜

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.260

tonglengquebi分为轧制铜lengque壁和铸铜leng却壁,本wen只tao论轧制铜冷却壁。1999年12月首gang2gaolulu腰(B2段)进行gong业性试验,安zhuang2块铜冷却壁,试验取得初bu成功[1]。2001年10月zhongye赛di设计的本钢5高炉投产,这shizaiguo内高炉设计中lv先正式采用铜冷却壁实现薄壁高炉,该铜冷却壁为芬lanOutokumpu Group供货,采用连铸铜坯铸孔后焊接铜管。铜冷却壁大mian积使用目前zai中国使用尚不足16年,本钢5高炉铜冷却壁zai使yong11年后的2012年已全bugeng换,但该高炉至今仍wei进xingguo大修,炉缸运行良好。因ci,目前铜冷却壁尚未达到yi代炉役,尚未实现采用铜冷却壁替换铸铁冷却壁的初衷。对铜冷却壁破损机理的认识zai逐渐深入中,zhexie认识将you助于今后铜冷却壁的设计、制造、安装和使用。

1 氢氧ding量分析和测定

近年lai不shao高炉出现铜冷却壁异常破损,尤qishi异常磨损,铜冷却壁的“氢脆”问题bei广大炼铁工作者提出,为此,有大量相关报道和分析文zhang。

鞍钢3gao炉破损调查bing于2014年fabiao数篇文章,liyongRH600氢分析仪测定氢元su含量从0.0001%增加到0.0042%,利yongTC600氮氧分析仪测定氧元素含量从不chao过0.003%增加到0.0038%,据此认为铜冷却壁在fu役过程中,za质元素尤其shi氢向铜冷却壁jiti渗透,并认为氢含量过高导zhiCu2O在晶界破裂产sheng氢脆,利用SEM扫描电镜中EDS能谱分析测定裂wen处杂质氧含量,渣铁相进入裂纹[2-4]。

2 铜冷却壁材质的选择

正因可能存在“氢脆”feng险,国内主要设计单位和铜冷却bizhi造商均要求铜冷却壁本体氧含量不chao过0.003%,以尽量降di“氢脆”风险。zui新GB/T31048-2014《铜冷却壁》关yutong冷却壁成分中氧含量亦是不超过0.003%,该氧含量与GB/T5231-2012《加工铜及铜hejin化学成分和产pin形状规定》,中无氧铜TU2一致。铜冷却壁材质无氧铜TU2,一般认为无氧铜中氧和杂质的含量极低,无“氢脆”或极少“氢脆”,特别适合应用于可能产生氢脆的领域[5]。

当氧含量低于0.001%时,认为不会fa生氢脆导致的晶界裂纹[10],因此,与无氧铜TU2相比,无氧铜TU00TU1更不易产生“氢脆”,从理论上分析“氢脆”可能性来看,相对更为安全。但TU00TU1因杂质含量少,强度和硬度偏低,适合于做电xiandeng导体,对需要兼顾传热和机械性能的铜冷却壁并非最合适选择,同时,投资较高也制约了大规模应用到钢铁冶金领域。

3 TU2无氧铜中氧含量和存在形式

tu1和图2为Cu-O相图,从Cu-O相图中不难发现,氧元素在铜ji体α相中固溶度极低,随着温度降低α相中氧固溶度进一步降低,几乎可以认为是不固溶的,氧元素在铜基体中主要以Cu2O和CuO等化合物形式存在。一般qingkuang下,固溶物主要在晶li内部er化合物主要集中在晶粒的晶界处富集。在氧元素含量不高,如yangyuan子百分比远低于0.03%情况下,氧元素在铜基体中主要以Cu2O化合物的形式存在,分布在晶粒晶界处。

4 Cu2O被氢还原温度

Cu2O(s)+H2(g)=2Cu(s)+H2O(g)

文献通常认为,在800℃以上高温,上述反应容易发生[2-4],有文献认为在370℃该反应即可发生[6]。其他文献表示,在400℃下,超过70h,可以发生氢脆,在200℃下,超过1.5年可以发生氢脆,在150℃下,超过10年不发生氢脆[13]。从反应温度角度来看,对于高炉炉况长达数年乃至十几niande使用,150℃以下是绝对安全的,而200℃可以作为一个临界安全的参考温度。

从图3和图4所示,在煤气温度1400℃,铜冷却壁水速2m/s,水温40℃前提下,铜冷却壁热面形cheng37mm厚渣皮后,铜冷却壁温度显著降低至150℃以下。铜冷却壁表面形成渣皮后,渣皮一方面减少qingyuCu2O接触,另一方面降低温度,使Cu2O和H2之jian应该不会明显发生化学反应。然而高炉不是静态的,而是随时在动态变化的,炉内煤气流随时在变化,铜冷却壁热面的渣皮也是生成、脱落然后再生chengzai脱luo周而复始。

从图5和图6所示,在煤气温度1400℃,铜冷却壁水速2m/s,水温40℃前提下,铜冷却壁热面无渣皮或渣皮脱落,铜冷却壁燕尾槽最高温度升至280℃。铜冷却壁表面无渣皮保护后,氢将与Cu2O接触,同时,温度也超过200℃,使Cu2O和H2之间可能发生化学反应。

5 Cu2O被还原氢浓度

无氧铜热加工温度一般为750~875℃,tui火温度一般为375~650℃[5],去应力tui火最低为250℃[7]。铜冷却壁采yongdeTU2无氧铜,对于其力学性能一般要求,抗拉强度σb≥200MPa,屈服强度σs≥40MPa,延shen率δ10≥40%,布氏硬度HB≥40[8]。对比GB/T2040-2008《铜及铜合金板材》,应该是TU2无氧铜热轧制或锻压后退火taiM态),再結晶退火温度应在500~650℃[7]。铜材加工企业生产铜冷却壁,应该是采用再结晶退火,整个过程是需要保护气氛以防止氢脆。一般是采用纯氮气氛或低氢气氛(N2+H2混合气氛,H2体积低于5%)作为保护性气体[8]。

低氢气氛(H2体积低于5%,其yu为N2)在纯铜热处理(数个xiaoshi或数十个小时)保护气氛是可以接受。众所周知,高炉炉顶煤气中氢含量在24%,炉内氢还原率约为45~50%。因此,炉腹炉腰至炉身下部氢含量在4~8%,基本上超过低氢中氢含量5%要求,而该区域恰好是铜冷却壁使用区域,见图7。

热处理低氢气氛除氢外,其他均为惰性的氮气,而高炉炉内除氢气外,还有CO等还yuanxing气体。从这个角度出发,高炉中的氢含量对发生Cu2O+H2反应而言,周围的还原性气氛是远高于热处理的惰性的氮气。

更进一步,铜冷却壁在炉腹至炉身下部约4~8%氢气氛中,不是简单的数个小时或数十个小时热处理,而是长达数年甚至十几年长期暴露,对于喷吹煤粉较多高炉尤其是喷吹天然气高炉氢浓度可能更高,更应该yin起重视。炉内压力远高于热处理的1个大气压,约为2~5倍,压力提高也会提高反应速率。

综合分析,铜冷却壁工作温度和氢气浓度,可能造成无氧铜TU2发生“氢脆”。在耐材被侵蚀、渣皮脱落出现280℃高温,超过200℃临界温度,可能满足“氢脆”温度条件。长期使用环境中存在4~8%氢浓度,基本上是高于热处理5%临界浓度,铜冷却壁使用温度长达数年甚至十几年,与热处lishu个小时或者数十个小时不可同日而语,再考虑炉内压力远高于1个大气压,完全是有可能发生氢脆。

6 无渣皮保护高温的危害

从图8来看,纯铜抗拉强度随温度升高而显著降低。在室温条件下,抗拉强度最高可超过300MPa,当温度超过200℃后,其抗拉强度σb降低至不足175MPa,当温度超过280℃抗拉强度σb不足130MPa,强度不足室温条件下一半。因纯铜的延伸率很高,因此,其屈服强度和硬度降低得更为明显。在铜冷却壁温度过高前提下,既因铜冷却壁自身强度和硬度急剧降低,又可能发生“氢脆”,进而进一步加剧破损程度。

7 边缘气流压制过si的危害

高温可能导致氢脆,导致铜冷却壁强度和硬度降低,增加破损风险。为降低上述风险,某钢铁厂2850m3高炉和4350m3高炉采取了发展中心、压制边缘的布料操作方式,希wang延长铜冷却壁和高炉寿命。然而,2014年和2015年先后发生B1段(炉腹)铜冷却板和B2段(炉腹)和B3段(炉腰)铜冷却壁表面大面积磨损的情况,如图9所示,该厂的铜冷却壁和冷却板成分也并无异样。

图7显示在B2段(炉腹)铜冷却壁壁筋(燕尾槽前端温度而非壁体温度)温度长期稳定(一年温度数据)在40℃~75℃之间,远低于一般认为铜冷却壁容易发生“氢脆”的临界温度,偶尔才会超过150℃,却发生了严重的磨损情况。

进一步分析该4350m3高炉,发现其边缘气流W值一般均低于0.4,低于正常区jiande下限,说明边缘气流压制偏重,铜冷却壁长期温度偏低,说明该高炉边缘很难有液态渣铁生成,进而造成铜冷却壁热面很难形成渣皮保护。铜冷却壁表面耐材脱落后,时刻被对固态矿石和焦炭等日积月累dimo损,最终呈现出被严重磨损的结果。

8 jie论

(1)铜冷却壁采用TU2无氧铜,含氧量0.003%,一般情况下不易发生“氢脆”。当然更为安全的是含氧量低于0.001%的无氧铜TU00~TU1,综合成本等各方面因素,现有TU2无氧铜是制造铜冷却壁比较合适的成分;

(2)铜冷却壁在实际使用中有耐材和渣皮保护,其温度不会达到200℃,乃至370℃、400℃或800℃,但高炉在耐材和渣皮脱落时,温度达到280℃达到“氢脆”反应温度,因此,稳定渣皮、稳定炉况是降低“氢脆”发生风险的有效措shi;

(3)耐材和渣皮脱落导致铜冷却壁热面处于高温状态(280℃),即便未发生“氢脆”,此时其强度和硬度急剧降低,不耐气流和渣、铁、矿石冲刷。因此,稳定炉况、形成稳固渣皮是减少铜冷却壁磨损的有效措施;

(4)炉腹至炉身下部氢含量为4%~8%,基本上高于铜材热处理氢含量5%要求,炉内除氢气外还有CO等还原性气氛,而热处理低氢是惰性的氮气。铜冷却壁在炉内是长达数年甚至十几年,显著区别于热处理数十小时时长。炉内压力也是2~5倍高于热处理的1个大气压力。因此,高炉日常操作应对炉内煤气中氢含量进行监控,特别是某些喷煤量较高或喷吹天然气高炉;

(5)过度发展边缘气流、冷却壁渣皮脱落导致高温,固然可能引发“氢脆”导致铜冷却壁被气流冲刷、物料磨损。然而过犹不及,过度压制边缘气流,使液态渣铁难以生成,同样会导致铜冷却壁被严重磨损。稳定炉况、形成稳固渣皮是减少铜冷却壁磨损的有效措施。

除“氢脆”以外,铜冷却壁大规模磨损可能还与下列因素有关:a、炉腹角度过大,铜冷却壁离风口回旋区过近,被严重冲刷[9];b、炉顶布料过分压制边缘,导致边缘气流过死,液态渣铁难以形成;c、软熔带根buguo低,导致大量的块状矿石和焦炭等进入铜冷却biqu域,磨损铜冷却壁;d、冷却强度不够,渣皮不稳固zao成铜冷却壁经常暴露在高温煤气流冲刷中;e、铜冷却壁本身存在一些结构上的设计缺陷。

参考文献:

[1]张福明,程树sen.现代高炉长寿技术[M].冶金工业出版社,330.

[2]康磊,车玉满,王宝海等.高炉铜冷却壁取样研究及破损原因分析[J].钢铁,2014,Vol.49,No.12,29-32.

[3]wang宝海.鞍钢3号高炉铜冷却壁破损调查[J].炼铁,2014,Vol.33,No.3,36-37.

[4]王宝海.鞍钢3号高炉铜冷却壁破损原因调查分析[J].2014年全国炼铁生产技术会暨炼铁学术年会文集(下),827-829.

[5]黄伯云,李成功,石力开,邱冠周,左铁镛.中国材料工程大典第4卷有se金属材料工程(上)[M].化学工业出版社,233-237.

[6]钟卫佳等.铜加工技术使用手册[M].冶金工业出版社,2008:83.

[7]金雷.纯铜零件的热处理工艺[J].金属加工热加工,2012(09):43.

[8]赖春林,孙长波,张琦等.保护气氛在铜材退火中的选择及应用[J].应用能源技术,2001,第1期,总第67期:6.

[9]wu启常,邓勇,焦克新等.高炉铜冷却壁损坏原因及jie决对ce[J].2017年全国炼铁生产技术会暨炼铁学术年会文集(上),384.

[10]张智强.紫铜焊接脆化原因分析[J].材liaokai发与应用,2005,20(05):37-39.

[11]王筱留.钢鐵冶金学(炼铁部分)[M].冶金工业出版社,136.

[12]郭青蔚,王桂生,郭庚辰.常用有色金属二元合金相图集[M].化学工业出版社,61.

[13]田荣璋,王祝堂等.铜合金及其加工手册[M].中南大学出版社,117.

山东工yeji术 2017年19期

山东工业技术的其它文章 基于微信公众号工程测量ke程数字课堂平台的搭建 对太阳nengdian池板的原理分析和应用展望 高职《数控机床原理与编程》课程教学过程设计 物流设备使用维护中的问题及对策思考 危险化学品安全评价指标体xi的研究 A320客舱空调xi统常见故障分析
转载请注明来源。原文地址:https://www.5420.com.cn/view/2019/0812/19195/
 与本篇相关的热门内容: