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中國鐵合金網訊：
礦熱爐大型化是鐵合金行業發展的必然趨勢，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、銅保護屏、銅爐蓋等，在國外先進鐵合金企業已得到廣泛應用。我國目前新建或擴建鐵合金礦熱爐在業主、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和銅瓦結構取代傳統的組合把持器，壓力環使用壽命可達10年以上;針對電極三角區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和應用情況。
壓力環
電極把持器是大容量礦熱爐的關鍵設備，目前我國傳統的波紋管壓力式把持器結構采用鋼壓力環，如圖1、圖2所示。
鋼壓力環結構簡單，成本較低，但一般壽命短。鋼壓力環工作原理為：通過波紋管松開和抱緊銅瓦，鋼壓力環下面利用鋼或銅底部環保護，外面利用下保護屏保護。
為提高壓力環壽命，國內有些企業嘗試采用鑄造鋁青銅壓力環替代鋼壓力環，但這種結構同樣需要底部環和下保護屏的保護，使底部環和下保護屏處于最惡劣的工況中。
1.1 銅壓力環結構
國外鐵合金企業大多已采用一體式銅壓力環，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一體式銅壓力環，如圖3、圖4所示。選用銅材作為壓力環本體，此結構為底部帶凸臺的鍛造銅壓力環，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內表面。
不同結構壓力環的優缺點對比如表1所示。
表1不同結構壓力環的優缺點對比
1.2 銅壓力環材質
選用常規無氧銅材質的一體式鍛造銅壓力環，比鋼壓力環結構使用效果好和壽命長，但銅壓力環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(這種現象也稱為蠕變)，使其在高溫的工作環境下長時間工作(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鎖緊重要部位材料的要求。
1.3 銅壓力環使用效果
該結構的一體式銅壓力環自2017年開始在國內應用，得到廣大錳硅合金礦熱爐企業認可，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是確保礦熱爐正常運行的關鍵因素之一。傳統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，工作環境惡劣，尤其是保護屏下部受高溫輻射和煙氣侵蝕。
傳統的鋼保護屏，如圖10所示。
傳統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。
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。
(2)冷卻效果好，不容易發生變形。
(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
底部環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)的底部不受高溫火焰、煙氣的侵害。
傳統的礦熱爐底部環主要是鑄造的銅底部環，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，由于純銅基體與預埋水管未能完全熔合，內部容易出現不同程度的氣隙熱阻，導致整體組件的導熱能力降低。
(3)在高溫工作環境下，底部環不可避免出現受熱變形，這些鑄造缺陷隨著變形的出現而擴大，嚴重影響到底部環使用的可靠性。
針對以上缺點，開發一種鍛壓鉆孔工藝的銅底部環，該底部環具有以下優點：
(1)沒有鑄造銅底部環的材質疏松、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)常規結構組成為一個圓分成4瓣以上銅底部環，如空間限制或為了減少吊掛數量，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，不僅能夠取代傳統的鋼或鋁青銅鑄造銅壓力環+底部環+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，滿足高溫環境下的安全工作狀態，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可以避免傳統鑄銅底部環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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- [責任編輯：kangmingfei]
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