于海林,王言偉

(煙臺國冶冶金水冷設(shè)備有限公司,山東 煙臺 265500)

氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼是目前世界上主流煉鋼方式,基本方法是搭建一個高溫冶金爐,把鐵水注入其中,根據(jù)具體煉鋼目標(biāo),添加其他的輔助料,在熔池上方(和爐底部)供氧吹煉[1-3],通過氧化等一系列反應(yīng),負(fù)能煉鋼,最終得到鋼鐵制品的過程。2019年,我國粗鋼產(chǎn)量達(dá)9.96億t, 其中90%是采用此法生產(chǎn)[4]。

位于冶金爐上方的轉(zhuǎn)爐煙道,上面開設(shè)各種工藝孔。其中轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口又叫氧槍口水套、氧槍口插入孔或氧槍插入器等,是氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中必備的頂吹氧槍升降進(jìn)出爐體的保護(hù)裝置[5-11],安裝在轉(zhuǎn)爐爐口段煙道正上方(見圖1),一般利用低壓循環(huán)系統(tǒng)供水冷卻,是水冷結(jié)構(gòu)件。其服役期短主要體現(xiàn)在過早的出現(xiàn)裂紋漏水,擾亂正常的生產(chǎn)節(jié)奏,也容易引發(fā)次生事故。研究探討影響轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口使用壽命的各種因素,研發(fā)新式結(jié)構(gòu)的氧槍口,延長轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口的使用壽命有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 氧槍口模型及實(shí)物示意圖

1 氧槍口的使用工況

由于氧槍口距離轉(zhuǎn)爐爐口較近,氧槍口在使用過程中不僅受到冶煉中高溫?zé)煔獾臎_刷和渣液等噴濺物的堆積,還可能受到氧槍附帶冷凝鋼渣的撞擊與摩擦,因此氧槍口的使用工況十分惡劣。

(1)安裝位置離爐口近,轉(zhuǎn)爐冶煉時爐內(nèi)溫度最高達(dá)1 600 ℃以上,高溫火焰和煙氣直接沖刷到氧槍口內(nèi)表面,造成受熱面溫度過高;

(2)受冶煉爐料影響,高溫?zé)煔庵锌赡芎蠸O2等酸性腐蝕性物質(zhì)和水蒸氣等,使氧槍口受到酸性氣體的高溫腐蝕和水蒸氣的氧化;

(3)為了保護(hù)爐體,轉(zhuǎn)爐在煉鋼過程中會生成大量的泡沫渣,泡沫渣在高壓氧的吹射下會四處噴濺,易在氧槍口內(nèi)表面堆積附著;

(4)轉(zhuǎn)爐冶煉過程中一般吹氧周期在15 min左右,吹氧結(jié)束后,氧槍提起時,氧槍本身可能附著鋼水、渣料等未及時脫落[12-14],這些鋼渣料冷凝態(tài)有一定的硬度,且在通過氧槍口時具有一定的速度,使得氧槍口受熱面易受到周期性的撞擊和磨損。

總之,在煙氣沖刷、高溫腐蝕、渣料附著和氧槍摩擦的多重作用下,氧槍口容易變形損壞發(fā)生漏水情況,進(jìn)而影響了安全生產(chǎn)。

2 影響氧槍口使用壽命的因素

2.1 設(shè)計方面的影響

在正常生產(chǎn)及足夠冷卻水的條件下,設(shè)計方面的影響主要與設(shè)備結(jié)構(gòu)相關(guān)。密排管式和隔板水冷箱式兩種結(jié)構(gòu)形式目前應(yīng)用比較廣泛。

2.1.1 密排管式

密排管式氧槍口(見圖2) 是將直徑相等的無縫鋼管沿圓周方向均布,管管之間縫隙用扁鋼或圓鋼填補(bǔ),形成由管圍成的圓筒形結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在冷卻方面基本不存在問題。主要是因從換熱角度需要受熱管管壁壁厚一般在4～6 mm,管壁太厚傳熱不夠好,由此導(dǎo)致此結(jié)構(gòu)易在沖刷、摩擦等作用下,管壁被磨薄而漏水。

圖2 密排管式氧槍口

2.1.2 隔板水冷箱式

隔板水冷箱式氧槍口(見圖3) 是內(nèi)外鋼板筒體間焊接水路隔板而成,內(nèi)套是整板卷制的筒體,水路隔板在其表面與之全部連續(xù)焊。外筒體是由數(shù)塊折彎弧形板拼接而成,單塊折彎板與隔板在拼縫處連續(xù)焊。由此利用隔板形成的水流通道是冷卻水流動的唯一路徑。此結(jié)構(gòu)還有一種變異結(jié)構(gòu),可以把隔板換成較細(xì)的受熱管,立于內(nèi)外兩層筒體之間來建立水路循環(huán)。

圖3 隔板水冷箱式氧槍口

這樣的隔板水冷箱式因內(nèi)壁采用了鋼板,板厚一般比密排管式受熱管壁厚厚5 mm以上,達(dá)8～12 mm,可以解決管壁迅速被磨薄而漏水的問題,但其下端形成尖角,形成了死水區(qū),循環(huán)水在這里容易循環(huán)停滯,水垢沉積物在此長期沉積,最終導(dǎo)致這里缺乏足夠冷卻,出現(xiàn)大面積裂紋式漏水點(diǎn)。

2.2 制造過程的影響

設(shè)備制造過程中主要應(yīng)注意對設(shè)備內(nèi)部清潔度的監(jiān)控。受熱管機(jī)械坡口后應(yīng)一管一清,不要后期統(tǒng)一清理鐵屑,預(yù)防鐵屑意外進(jìn)入管道內(nèi)部,受熱管在組裝前要對所有管路進(jìn)行高壓空氣徹底吹掃,確保殘渣吹凈后停止。產(chǎn)品制造過程中,對暴露的開孔采取封閉措施,防止異物進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部,導(dǎo)致循環(huán)水路堵塞。

2.3 安裝方面的影響

2.3.1 安裝垂直度對氧槍口使用壽命的影響

氧槍口安裝不正,氧槍升降進(jìn)出時,會發(fā)生剮蹭,加大對氧槍口內(nèi)壁的磨損。

2.3.2 插入爐口段煙道內(nèi)長度對氧槍口使用壽命的影響

插入煙道長度過長,會使氧槍口的下部懸置在煙道內(nèi)部,該處將直接被高溫含塵煙氣沖蝕,特別是氧槍口下端尖角部位最為嚴(yán)重,導(dǎo)致此處迅速發(fā)生損壞情況。

插入煙道長度過短時,氧槍口不能完全遮蔽煙道密排管,該管和氧槍口之間間隙過大,氧槍口與煙道連接的鋼板法蘭暴露在高溫?zé)煔庵?缺少足夠冷卻,短時間就易被燒損,發(fā)生煙道冒火現(xiàn)象。

2.4 運(yùn)行維護(hù)的影響

轉(zhuǎn)爐煙道氧槍口的長期穩(wěn)定運(yùn)行是保證轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)計劃順利完成的重要因素之一,在鋼廠冶煉過程中,氧槍口意外漏水,導(dǎo)致出現(xiàn)熱停爐的情況頻發(fā),影響了鋼廠的生產(chǎn)效率。

2.4.1 水質(zhì)影響

當(dāng)氧槍口循環(huán)水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)時,設(shè)備內(nèi)部容易結(jié)垢,導(dǎo)致設(shè)備傳熱效率下降。日積月累之下,冷卻不好的部位在熱應(yīng)力等交變載荷作用下漏水。

2.4.2 清渣造成的機(jī)械撞擊

當(dāng)轉(zhuǎn)爐煙道停機(jī)維修時,從安全方面考慮,需對氧槍口內(nèi)壁粘渣進(jìn)行清理。若清理不當(dāng),可能對氧槍口造成損傷。

3 改進(jìn)型氧槍口結(jié)構(gòu)

我國稀土儲量豐富,而鑄鐵中添加0.3 %～ 0.5 %的稀土元素,可提高鑄鐵的冶金質(zhì)量指標(biāo)和力學(xué)性能,消除微量雜質(zhì)元素對鑄件的裂紋傾向危害,提高鑄件質(zhì)量[15]。

為了進(jìn)一步提高氧槍口的使用壽命,其結(jié)構(gòu)可采用了埋管式稀土合金鑄造氧槍口(見圖4),技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 埋管式稀土合金鑄造氧槍口技術(shù)參數(shù)

圖4 埋管式稀土合金鑄造氧槍口實(shí)物及結(jié)構(gòu)示意

本件原理是將彎制成形后的水管鑄埋在鑄件內(nèi)進(jìn)行通水冷卻。冷卻水量根據(jù)受熱面積及輻射換熱數(shù)據(jù)按熱力計算給出,氧槍口內(nèi)壁周圈設(shè)置環(huán)形加強(qiáng)肋,鑄造一體成型。冷卻水管澆鑄后不得有堵塞現(xiàn)象,必須進(jìn)行通球試驗(yàn)。

利用此種稀土合金鑄造而成的氧槍口,其兼具密排管式和隔板水冷箱式兩種氧槍口結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn),且筒體壁厚(70 mm)比箱式結(jié)構(gòu)更厚,足以抵抗一般的摩擦與沖蝕。內(nèi)部埋設(shè)的循環(huán)水管,利用冷卻水帶走熱量,保證了氧槍口更長時間的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié) 論

經(jīng)過長期的現(xiàn)場使用情況反饋和跟蹤觀察,對氧槍口傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn),取得了較好的效果。從氧槍口的實(shí)際使用壽命來看,由改造前最短約6個月左右提高至2年左右,使用壽命提高3倍以上,明顯提高了轉(zhuǎn)爐設(shè)備的作業(yè)率。