耐磨復(fù)合材料在煙化爐生產(chǎn)實(shí)踐上的應(yīng)用

常海鋒,李艷利,牛國(guó)和

(河南豫光金鉛股份有限公司,河南濟(jì)源 454650)

·機(jī)械設(shè)備·

耐磨復(fù)合材料在煙化爐生產(chǎn)實(shí)踐上的應(yīng)用

常海鋒,李艷利,牛國(guó)和

(河南豫光金鉛股份有限公司,河南濟(jì)源 454650)

利用新材料解決煙化爐粉煤噴咀出口段和中間段的使用壽命過(guò)短問(wèn)題,提高煙化爐的作業(yè)率,降低生產(chǎn)成本。

煙化爐;出口段;中間段;復(fù)合材料;耐磨性能

河南豫光金鉛股份有限公司現(xiàn)有兩套煙化爐,主要是為了從有鉛鼓風(fēng)爐(還原爐)還原爐渣中回收鉛鋅等成分。

煙化爐具有的優(yōu)點(diǎn)是:可以直接處理熔渣、燃料消耗較少、金屬回收率高、操作簡(jiǎn)單、機(jī)械化程度較高等。兩套煙化爐采用粉煤作還原劑與燃料,其缺點(diǎn)是粉煤制備和輸送過(guò)程比較復(fù)雜,風(fēng)口管道磨損嚴(yán)重,特別是整個(gè)輸煤管道的末端粉煤噴咀的出口段和中間段的磨損。

1 粉煤噴咀結(jié)構(gòu)

粉煤噴咀是煙化爐的重要部件,每座煙化爐配備24套,它安裝在爐子底部側(cè)水套上。粉煤噴咀由五部分組成:前部為出口段,伸進(jìn)爐內(nèi)60～120 mm;中部為中間段、混合段,在混合段上設(shè)計(jì)粉煤接口;后部為入口段,入口段有一鋼球重力密封入口,其上設(shè)計(jì)二次風(fēng)接口。粉煤噴咀的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 粉煤噴咀總圖

2 粉煤噴咀存在的問(wèn)題

一、二次空氣和粉煤在混合段相遇混合,經(jīng)中間段、出口段送入爐內(nèi)熔體中,風(fēng)咀由于受粉煤高速顆粒流(80～100 m/s)的沖刷,磨損相當(dāng)嚴(yán)重,一般鑄鐵噴咀只能使用7～10 d即被磨穿,嚴(yán)重的可能損壞風(fēng)口水套。出口段雖由鑄鐵、鑄鋼甚至鎳鉻鋼制成,但出口段(入爐段)因磨損消耗較大,需定期更換。

2.1 噴咀對(duì)生產(chǎn)作業(yè)的影響

出口段磨損較快,為了防止出口段磨透損傷水套,造成嚴(yán)重的停爐事故,一般將出口段的檢查時(shí)間控制在5 d/次以內(nèi),每5 d天停機(jī)8 h進(jìn)行檢查,更換嚴(yán)重磨損的出口段、中間段和混合段,一座煙化爐每月因更換出口段、中間段的累計(jì)停機(jī)時(shí)間為48 h (兩座煙化爐影響停機(jī)時(shí)間合計(jì)96 h);同時(shí)因出口段的磨損,相對(duì)擴(kuò)大了噴咀的內(nèi)孔,影響了煙化爐吹煉的風(fēng)壓和風(fēng)量分布。

2.2 噴咀對(duì)生產(chǎn)成本的影響

粉煤在噴咀的運(yùn)行軌跡如圖1中的箭頭所示,每次粉煤噴咀的磨損首先從出口段頭部開(kāi)始,出口段的磨損速度是中間段的3倍,出口段每次檢查后對(duì)磨損面采取旋轉(zhuǎn)90°后繼續(xù)使用,噴咀出口段一般情況下在使用3個(gè)檢查周期(即最多15 d)后因內(nèi)孔磨損嚴(yán)重需進(jìn)行更換,中間段使用壽命為20 d左右,一套煙化爐每月更換出口段48件、中間段36件。

2.3 對(duì)備件供應(yīng)的影響

出口段、中間段一般采用鑄件,兩座煙化爐每月需出口段96件、中間段72件,一般鑄造需要7 d,機(jī)械加工需25 d左右,為了保證出口段、中間段的正常供應(yīng),供貨單位必須加班批量趕貨,若因鑄造耽擱時(shí)間,將出現(xiàn)噴咀供應(yīng)斷貨現(xiàn)象,備件的供應(yīng)跟不上生產(chǎn)的需求、生產(chǎn)成本偏高,噴咀改造迫在眉睫。

3 噴咀的改造過(guò)程

2004年起,球磨鑄鐵、內(nèi)襯搪瓷、含油耐磨尼龍、耐磨焊條堆焊等材質(zhì)試用方案因經(jīng)不起粉煤高速顆粒流的沖刷,多次嘗試失敗;內(nèi)襯陶瓷易碎不適應(yīng)用爐渣較粘時(shí),用圓鋼釬從入口段打風(fēng)眼的外力沖擊而擱淺。

2006年用Φ57焊管制作成內(nèi)襯δ6 mm復(fù)合管替代出口段,出口段與水套之間的空隙(與安裝出口段的水套風(fēng)眼Φ76 mm內(nèi)孔的縫隙)用耐火料填充進(jìn)行試驗(yàn),出口段壽命提高到28 d,因外套δ3.5 mm厚的焊管被高溫氧化而被迫進(jìn)行更換,此次驗(yàn)證出口段壽命提高了4倍。

3.1 噴咀出口段的改進(jìn)

經(jīng)多次的試驗(yàn)和跟蹤總結(jié),對(duì)噴咀出口段進(jìn)行了不斷地改進(jìn),如圖2所示。主要改造為:(1)出口段外套管由一般灰鐵改為耐高溫鑄鐵,延長(zhǎng)出口段深入爐內(nèi)部分的燒蝕時(shí)間;(2)內(nèi)襯5～6 mm厚的耐磨復(fù)合材料。

圖2 改進(jìn)后的出口段

3.2 噴咀中間段的改進(jìn)

在出口段改造經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,推進(jìn)中間段的改進(jìn),如圖3所示。主要改造為:(1)由于中間段在爐體外部工作,環(huán)境溫度相對(duì)較低(65℃),為節(jié)約成本,外套管仍沿用一般灰鐵;(2)原離心式復(fù)合技術(shù)僅能對(duì)平管段進(jìn)行內(nèi)襯復(fù)合加工;隨著離心自蔓延高溫合成技術(shù)成功應(yīng)用后,可對(duì)喇叭口進(jìn)行內(nèi)襯復(fù)合加工。

圖3 改進(jìn)后的中間段

3.3 噴咀混合段的改造

參照出口段、中間段內(nèi)襯的方式,2008年對(duì)混合段也進(jìn)行內(nèi)襯耐磨復(fù)合材料的改造。

4 耐磨復(fù)合材料的性能對(duì)比

噴咀上使用的復(fù)合材料是通過(guò)金屬和新材料高溫離心法制造出來(lái)的一種新型復(fù)合功能耐磨產(chǎn)品,由于該材料是在2 000℃高溫下陶瓷和金屬的復(fù)合體,具有獨(dú)特的組織結(jié)構(gòu),在高溫下形成均勻致密、表面光滑,耐磨復(fù)合層與鋼管牢固結(jié)合,從而形成了具有陶瓷高硬度與鋼鐵高韌性高塑性的結(jié)合體,它不但具有陶瓷良好的耐磨型、耐高溫性,并具有鋼鐵的韌性、耐沖擊性,是其它耐磨鋼管及各種耐磨管道壽命的幾倍或幾十倍,特別是離心自蔓高溫合成技術(shù)的推廣,為耐磨復(fù)合材料在粉煤噴咀的成功應(yīng)用提供了技術(shù)支持。噴咀內(nèi)襯耐磨復(fù)合材料具有如下的獨(dú)特性能:

1.具有高耐磨性。噴咀內(nèi)襯耐磨復(fù)合材料是Al2O3陶瓷、碳化硅陶瓷和金屬鋼鐵的復(fù)合體,Al2O3陶瓷、碳化硅陶瓷的莫氏硬度達(dá)到了9,僅次于鉆石,在所有物質(zhì)中,它的硬度除鉆石外最高,耐磨性和硬度成正比也是最好,具有其它材料無(wú)可比擬的耐磨性,耐磨試驗(yàn)性能對(duì)比見(jiàn)表1。噴咀抗磨損主要靠?jī)?nèi)襯幾毫米厚的剛玉層,耐磨性比碳鋼管高20倍以上。

表1 耐磨機(jī)噴砂試驗(yàn)對(duì)比表

2.具有高強(qiáng)的機(jī)械性能和耐沖擊沖刷性。噴咀是金屬鋼材和陶瓷的復(fù)合體,具有鋼材的韌性、高塑性、耐沖擊性、有陶瓷無(wú)可比擬的物理機(jī)械性能,消除了因鋼釬打風(fēng)眼對(duì)噴咀內(nèi)襯的損傷。其特性見(jiàn)表2。

表2 耐磨復(fù)合材料管和碳鋼管的性能對(duì)比表

3.耐溫性能高。耐磨復(fù)合內(nèi)襯適用溫度-50～1 450℃范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用。耐磨材料中剛玉熔點(diǎn)為2 045℃,在常溫下耐磨層受到壓應(yīng)力,鋼層受到拉應(yīng)力。只有溫度升高到400℃以上,由于二者熱膨脹系數(shù)不一樣,熱膨脹產(chǎn)生的新應(yīng)力場(chǎng)才使耐磨管道中原來(lái)存在的應(yīng)力場(chǎng)相互抵消,使耐磨層與鋼鐵層兩者處于應(yīng)力平衡狀態(tài)。說(shuō)明粉煤噴咀選用耐磨復(fù)合材料相對(duì)較為合適。

4.重量輕、造價(jià)低。耐磨復(fù)合管道價(jià)格與耐磨合金鑄鋼管相比,因其重量輕,單位長(zhǎng)度理論價(jià)格低于耐磨合金鑄鋼20%～30%,工程造價(jià)與鑄石相當(dāng),比耐磨合金鑄管價(jià)格低,因此出口段、中間段、混合段的采購(gòu)價(jià)格在改造前后基本沒(méi)有發(fā)生變化。

5 改造后的經(jīng)濟(jì)效益

該公司兩套煙化爐粉煤噴咀改造后,不但節(jié)約了大量的備件消耗購(gòu)置資金,而且減少了部分更換噴咀備件影響的停機(jī)時(shí)間,參數(shù)的變化見(jiàn)表3。

6 結(jié) 論

通過(guò)新材料技術(shù)產(chǎn)品的引進(jìn)使用,2007年成功解決了公司兩座煙化爐噴咀壽命過(guò)短、作業(yè)率過(guò)低的問(wèn)題,將煙化爐的作業(yè)率提高了近7個(gè)百分點(diǎn),次氧化鋅年增產(chǎn)1 810 t,年增產(chǎn)值1 167.45萬(wàn)元,耐磨復(fù)合材料在煙化爐上的成功應(yīng)用使噴咀壽命得到質(zhì)的提高,在整個(gè)有色冶煉行業(yè)具有較強(qiáng)的借鑒意義。

表3 改造前后噴咀耐磨件消耗量和停機(jī)時(shí)間的變化

[1] 《有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì).有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2004.

[2] 《機(jī)械工程師手冊(cè)》編委會(huì).機(jī)械工程手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1989.

Abstract:The use of new materials has solved the short service life problem of the fuming furnace coal powder nozzle exit section and the middle section,improved the fuming furnace operation efficiency and reduced the production cost.

Key words:fuming furnace;the outlet section;the middle section;composite;wear resistance

Application of Wear Resistant Composite Material in Fuming Furnace Production Practice

CHANG Hai-feng,LI Yan-li,NIU Guo-he
(Henan Yuguang Gold and Lead Co.,Ltd,Jiyuan454650,China)

TH137.53+2

A

1003-5540(2012)02-0058-03

2012-01-27

常海鋒(1977-),男,助理工程師,主要從事設(shè)備管理工作。