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中國鐵合金網訊：
礦熱爐大型化是鐵合金行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，對其主體設備及關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鍵設備，包括銅壓力環(huán)、銅保護屏、銅爐蓋等，在國外先進鐵合金企業(yè)已得到廣泛應用。我國目前新建或擴建鐵合金礦熱爐在業(yè)主、工程公司、設計單位及制作廠家共同努力下，電極柱大多采用壓力環(huán)和銅瓦結構取代傳統(tǒng)的組合把持器，壓力環(huán)使用壽命可達10年以上;針對電極三角區(qū)不銹鋼板組焊爐蓋易漏水問題，借鑒國外先進經驗，采用銅板鉆孔焊接結構的銅爐蓋，確保爐蓋使用壽命。
本文詳細探討大容量鐵合金礦熱爐關鍵銅冷卻部件的最新開發(fā)和應用情況。
壓力環(huán)
電極把持器是大容量礦熱爐的關鍵設備，目前我國傳統(tǒng)的波紋管壓力式把持器結構采用鋼壓力環(huán)，如圖1、圖2所示。
鋼壓力環(huán)結構簡單，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，外面利用下保護屏保護。
為提高壓力環(huán)壽命，國內有些企業(yè)嘗試采用鑄造鋁青銅壓力環(huán)替代鋼壓力環(huán)，但這種結構同樣需要底部環(huán)和下保護屏的保護，使底部環(huán)和下保護屏處于最惡劣的工況中。
1.1 銅壓力環(huán)結構
國外鐵合金企業(yè)大多已采用一體式銅壓力環(huán)，有的工作時間長達10年，汕頭華興冶金設備股份有限公司(簡稱華興公司)近年來根據國內用戶特點自主設計開發(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，此結構為底部帶凸臺的鍛造銅壓力環(huán)，內部以及底部凸臺設有鉆孔冷卻水道孔，波紋箱鎖在銅壓力環(huán)內表面。
不同結構壓力環(huán)的優(yōu)缺點對比如表1所示。
表1不同結構壓力環(huán)的優(yōu)缺點對比
1.2 銅壓力環(huán)材質
選用常規(guī)無氧銅材質的一體式鍛造銅壓力環(huán)，比鋼壓力環(huán)結構使用效果好和壽命長，但銅壓力環(huán)鎖緊位置需要一定的受力，在長期高溫條件下需要考慮蠕變性能。無氧銅壓力環(huán)鎖緊位置的力學仿真圖如圖5所示。
由圖5得知，應力為20MPa，盡管所受的應力低于其屈服強度，但由于其應力松弛特性(這種現(xiàn)象也稱為蠕變)，使其在高溫的工作環(huán)境下長時間工作(比如3年之后)時強度達不到要求，以致使用壽命縮短，提高了生產成本。
為了進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，并針對不同銅材做了對比試驗，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
該結構的一體式銅壓力環(huán)自2017年開始在國內應用，得到廣大錳硅合金礦熱爐企業(yè)認可，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行的關鍵因素之一。傳統(tǒng)的水冷爐蓋基本上都是鋼結構形式，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構，外沿部分可采用銅板結構，亦可采用鋼結構。
2.1 鋼爐蓋特點
(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)渦流磁場較大，電耗升高。
(3)不銹鋼在高溫條件下容易產生晶間腐蝕導致出現(xiàn)裂紋，很難補焊。
(4)鋼爐蓋冷卻效果差，對耐材的保護作用較小，因此底部耐材的厚度較厚，耐材成本增加。
2.2 銅爐蓋特點
(1)使用壽命長，正常爐況下使用壽命可達10年以上。
(2)銅材渦流磁場小，減少電損耗。
(3)銅板爐蓋底部設有燕尾槽結構，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有絕緣板，進一步減少銅爐蓋之間的連電。
(7)銅材回收價值高，可達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銅板爐蓋在設定工況條件下進行熱模擬分析。假定銅板爐蓋下端外部的耐火材料已經完全被燒蝕，爐內氣體溫度為1200℃，流量為25t/h，進水溫度為35℃，爐蓋熱面與高溫氣體進行對流換熱和輻射換熱，在250W/(m2·K)熱流強度的沖擊下，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，這是由于銅板良好的導熱性，能將爐內傳遞的熱量及時通過冷卻水帶走，其表面溫度較低;即使在耐材被完全侵蝕的情況下，局部最高溫度達到183℃，也低于銅材抗軟化溫度250℃，可靠性強。
上述銅板鉆孔焊接爐蓋，已應用在南非、馬來西亞、挪威、云南和內蒙古等大容量礦熱爐上，最長使用時間超過12年，目前有16座正在運行。云南某項目銅板爐蓋如圖8所示，挪威銅板爐蓋如圖9所示。
保護屏
保護屏是用在礦熱爐里的通水冷卻設備，可以保護電極系統(tǒng)避免高溫和煙氣的侵害。保護屏部分或全部安裝在礦熱爐煙罩(或爐蓋)下的爐膛內，工作環(huán)境惡劣，尤其是保護屏下部受高溫輻射和煙氣侵蝕。
傳統(tǒng)的鋼保護屏，如圖10所示。
傳統(tǒng)的保護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構，此鋼保護屏使用效果不理想;針對鋼保護屏存在的不足，華興公司提供一種新型鍛壓鉆孔銅保護屏，如圖11所示。
鋼保護屏特點：
(1)焊縫較多，容易漏水。
(2)不銹鋼開裂很難補焊。
(3)水腔局部容易產生氣堵，導致局部水溫過高，保護屏容易發(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)。
銅保護屏特點：
(1)使用壽命長，正常爐況下使用壽命可達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)銅材渦流磁場小，減少電能損耗。
(5)設計保護壁偏薄，減少銅材成本，降低采購成本。
底部環(huán)
底部環(huán)是電極把持器的關鍵部件之一，用于保護電極把持器的其他部件，使保護屏、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埋銅管鑄造成型工藝制成，其缺點如下：
(1)銅底部環(huán)在鑄造過程中無法根本消除材料缺陷，如內部有鑄造組織疏松、氣孔、夾渣和裂紋等。
(2)預埋銅管鑄造成型的底部環(huán)，由于純銅基體與預埋水管未能完全熔合，內部容易出現(xiàn)不同程度的氣隙熱阻，導致整體組件的導熱能力降低。
(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)而擴大，嚴重影響到底部環(huán)使用的可靠性。
針對以上缺點，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：
(1)沒有鑄造銅底部環(huán)的材質疏松、氣孔、夾渣和裂紋等缺陷。
(2)材料組織均勻致密，機械性能優(yōu)良，強度高。
(3)冷卻水道為機械切削而成，不存在氣隙熱阻，較大程度提高冷卻效果。
(4)使用壽命長，正常爐況下使用壽命可達3年及以上。
(5)常規(guī)結構組成為一個圓分成4瓣以上銅底部環(huán)，如空間限制或為了減少吊掛數(shù)量，亦可提供一個圓2瓣的結構，如圖12所示。
結 語
(1)采用波紋管式把持器，解決了傳統(tǒng)結構把持器存在的關鍵問題;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)+下保護屏的結構，而且具有良好的冷卻效果，故障率低，使用壽命長，提高礦熱爐的持續(xù)運行周期;而選用銀銅合金，顯著提高再結晶溫度、抗蠕變性能和耐磨性能，可以顯著降低其應力松弛，滿足高溫環(huán)境下的安全工作狀態(tài)，進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，水冷爐蓋作為礦熱爐的重要部位，有必要對爐蓋進行同步設計，銅板爐蓋是一種優(yōu)良的技術方案。
(3)銅保護屏采用鍛壓銅板鉆孔焊接工藝，具有良好的導熱性能、不易漏水等特點，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埋水管未能完全熔合的情況，提高了冷卻強度及底部環(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，但這些成本對于保障電爐長時間的持續(xù)運行、設備全生命周期分析，其經濟性顯而易見。而且銅材在期貨市場上具有金融屬性，銅材本身仍然具有很高的回收價值，可達80~85%。
作者：李立鴻、佘京鵬、周兵其、鮑仁周、沈大偉
來源：《鐵合金》
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