裴忠冶， 李 兵， 馬明生， 張官祥， 郭亞光

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

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簡(jiǎn)析有色冶煉氧氣底吹氧槍的材料選擇

裴忠冶， 李 兵， 馬明生， 張官祥， 郭亞光

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

對(duì)有色冶煉氧氣底吹氧槍的材料進(jìn)行簡(jiǎn)要總結(jié)，從材料選擇角度出發(fā)提出了可能的氧槍備選金屬材料，并對(duì)氧槍現(xiàn)使用材料和備選材料進(jìn)行比較分析，認(rèn)為備選材料——高溫合金作為底吹冶煉氧槍用材可行，為氧槍材料的選擇提供參考。

氧氣底吹； 氧槍； 材料選擇； 高溫合金

氧氣底吹冶煉技術(shù)是我國(guó)自主研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型有色冶金熔池強(qiáng)化熔煉技術(shù)，先后應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外鉛冶煉行業(yè)40余家工廠、銅冶煉行業(yè)10余家工廠，該工藝的推廣改變了我國(guó)鉛冶煉、銅冶煉行業(yè)能耗高、污染嚴(yán)重的狀況，同時(shí)也引領(lǐng)了世界鉛、銅冶煉行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，氧氣底吹冶煉技術(shù)在有色冶金領(lǐng)域的研發(fā)和工業(yè)化應(yīng)用已有30余年的歷史，數(shù)十家工廠的生產(chǎn)實(shí)踐證明，采用氧氣底吹冶煉技術(shù)煉銅、煉鉛，具有投資省、環(huán)保好、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。

氧槍是氧氣底吹冶煉技術(shù)的核心裝置，氧槍的壽命直接影響氧氣底吹冶煉系統(tǒng)的操作控制、作業(yè)率，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的處理能力、能耗、爐壽等關(guān)鍵指標(biāo)，一直以來(lái)氧槍的使用指標(biāo)都是設(shè)計(jì)者和使用者共同關(guān)注的問(wèn)題，影響氧槍指標(biāo)的因素主要有氧槍的布置形式、結(jié)構(gòu)形式、出口壓力和速度、槍體材質(zhì)、槍口磚性能等。有關(guān)氧氣底吹系統(tǒng)氧槍的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水模擬及數(shù)值模擬已有很多研究[1-5]，但關(guān)于槍體材質(zhì)選擇對(duì)氧槍壽命影響的研究卻鮮有報(bào)道。有色冶煉用底吹氧槍壽命雖已達(dá)到數(shù)月，但仍有延長(zhǎng)的空間。影響氧槍壽命的有多重因素，但高溫?zé)龘p是其中主要原因之一(圖1為氧槍燒損的照片)，因此對(duì)氧槍材質(zhì)的高溫性能進(jìn)行研究十分必要。本文從材料選擇角度出發(fā)分析幾種備選材料延長(zhǎng)氧槍使用壽命的可能性，為氧氣底吹冶煉設(shè)計(jì)者和使用者提供參考。

圖1 氧槍燒損照片

1 金屬材料的選擇原則

氧槍材料的選擇屬于金屬材料的選擇范疇。眾所周知，在機(jī)械制造行業(yè)里，無(wú)論設(shè)計(jì)和制造什么樣的機(jī)器、設(shè)備和零部件，首先要面對(duì)的就是金屬材料的選擇。由于任何材料都不可能同時(shí)具備各方面的優(yōu)良性能，因此，金屬材料的選擇實(shí)質(zhì)上就是用其所長(zhǎng)、避其所短的思考過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，金屬材料的選擇遵循三個(gè)原則，即材料的使用性能、材料的工藝性能、材料的經(jīng)濟(jì)性能。

1.1 材料的使用性能

材料的使用性能是指零部件在使用時(shí)所應(yīng)具備的材料性能，包括機(jī)械性能、物理性能和化學(xué)性能等。對(duì)大多數(shù)零部件而言，機(jī)械性能是主要的性能指標(biāo)。常用的機(jī)械性能包括：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性、多次沖擊抗力和疲勞極限等，這些參數(shù)中強(qiáng)度是機(jī)械性能的主要指標(biāo)，只有在強(qiáng)度滿足要求的情況下，才能保證零部件正常工作，且經(jīng)久耐用。在設(shè)計(jì)零部件和選材時(shí)，應(yīng)根據(jù)工作條件、損壞形式，找出對(duì)材料機(jī)械性能的要求，這是材料選擇的基本出發(fā)點(diǎn)也是最重要的一點(diǎn)。

1.2 材料的工藝性能

材料的工藝性能是指材料的加工工藝性能，主要有：鑄造、壓力加工、切削加工、熱處理和焊接等性能。材料加工工藝性能的優(yōu)劣直影響零部件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本。良好的加工工藝性可以大大減少加工過(guò)程的動(dòng)力、材料消耗，縮短加工周期，降低廢品率等。優(yōu)良的加工工藝性能是降低產(chǎn)品成本的重要途徑。所以，材料的工藝性能也是選材的重要依據(jù)之一。

1.3 材料的經(jīng)濟(jì)性能

材料的經(jīng)濟(jì)性能主要指所選用材料的成本。產(chǎn)品的成本主要包括：原料成本、加工費(fèi)用、成品率以及生產(chǎn)管理費(fèi)用等。材料的選擇也要著眼于經(jīng)濟(jì)效益，根據(jù)國(guó)家資源情況，結(jié)合國(guó)內(nèi)生產(chǎn)實(shí)際加以考慮。此外，還應(yīng)考慮零部件的壽命和維修費(fèi)，若選用新材料還要考慮研究試驗(yàn)費(fèi)用。

2 氧槍材料選擇的思考

相關(guān)文獻(xiàn)[6-7]檢索結(jié)果表明，適用于氧氣底吹冶煉這種高溫、高壓、強(qiáng)氧化性氣氛工況的金屬材料少之又少，其中耐熱不銹鋼材料是首選。目前，氧氣底吹冶煉系統(tǒng)氧槍多采用牌號(hào)為06Cr25Ni20(GB/T 20878—2007)的耐熱鋼，即俗稱310S的耐熱不銹鋼。該牌號(hào)不銹鋼具有良好的耐高溫性，因鎳(Ni)、鉻(Cr)含量高，具有良好耐氧化、耐腐蝕、耐酸堿、耐高溫性能，用于制造電熱爐管等部件，溫度超過(guò)800℃時(shí)開(kāi)始軟化，許用應(yīng)力開(kāi)始持續(xù)降低[8]。

2.1 高溫合金簡(jiǎn)介

高溫合金是20世紀(jì)20年代末，由Ni80-Cr20合金(鎳鉻電阻絲)發(fā)展而來(lái)的，其定義是以鐵、鎳、鈷為基，能在600 ℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作的一類金屬材料，具有較高的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，在英美素有超合金(Superalloy)的美譽(yù)[9-11]。高溫合金既是航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)高溫?zé)岫瞬考年P(guān)鍵材料，也是艦艇、能源動(dòng)力、石油化工、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域不可或缺的重要材料。高溫合金已成為國(guó)防工業(yè)最重要的材料之一，并在諸多民用工業(yè)部門得到推廣應(yīng)用，其研制和生產(chǎn)水平已成為一個(gè)國(guó)家金屬材料發(fā)展水平的重要標(biāo)志[12]。

高溫合金分類比較復(fù)雜，按基體元素主要可分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金；按制備工藝可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末冶金高溫合金；按強(qiáng)化方式可分為固溶強(qiáng)化型、沉淀強(qiáng)化型、氧化物彌散強(qiáng)化型等。

高溫合金材質(zhì)的典型鑄件如圖2和圖3所示。圖4是美國(guó)普拉特-惠特尼公司PW4000系列渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其高溫合金使用量達(dá)50%以上。圖5是英國(guó)羅爾斯-羅伊斯公司航空發(fā)動(dòng)機(jī)中各種材料的應(yīng)用分布情況。由圖5可見(jiàn)，鎳基高溫合金是航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的主要用材。

圖2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)用渦輪導(dǎo)向器

圖3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)用渦輪轉(zhuǎn)子

圖4 PW4000系列渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

圖5 羅- 羅公司發(fā)動(dòng)機(jī)材料使用情況分布

可見(jiàn)，高溫合金及其零部件用在高精密、工作環(huán)境嚴(yán)苛的場(chǎng)所，對(duì)于冶煉行業(yè)，高溫合金鮮有應(yīng)用。下面簡(jiǎn)要對(duì)比分析高溫合金服役的工況，并從材料選擇三原則角度出發(fā)分析其是否適合應(yīng)用在底吹冶煉氧槍上。

2.2 高溫合金和06Cr25Ni20耐熱鋼服役工況區(qū)別

06Cr25Ni20耐熱鋼服役工況和高溫合金服役工況如表1所示。

表1服役工況

可以看到，底吹熔煉/吹煉的工況和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工況都很嚴(yán)苛，高溫合金服役的航空發(fā)動(dòng)機(jī)工況是高溫、高壓、熱空氣腐蝕的環(huán)境，06Cr25Ni20耐熱鋼服役的氧氣底吹熔煉/吹煉工況是高溫、高壓、高速氣流沖刷、熔體沖蝕的環(huán)境。

2.3 高溫合金和06Cr25Ni20耐熱鋼性能比較

幾種典型的高溫合金與06Cr25Ni20耐熱鋼性能比較。

K4169合金：該合金是一種被大量應(yīng)用的高溫合金，對(duì)應(yīng)的美國(guó)牌號(hào)為Inconel718，其優(yōu)點(diǎn)是易加工，在700 ℃時(shí)具有高抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗蠕變強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度，在1 000 ℃時(shí)具有高抗氧化性，具有良好的焊接性能。

K418合金：該合金是一種典型的高溫工況下應(yīng)用的高溫合金，對(duì)應(yīng)的美國(guó)牌號(hào)為Inconel713c，適用于900 ℃下工作的航空、地面和海上燃?xì)廨啓C(jī)渦輪工作葉片、導(dǎo)向葉片、整鑄渦輪。

K424合金：該合金是一種典型的熱強(qiáng)合金，仿制于俄羅斯，適用于950℃下工作的渦輪轉(zhuǎn)子葉片、整鑄渦輪及發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴調(diào)節(jié)片底板。2.3.1 高溫合金和06Cr25Ni20耐熱鋼物理性能比較

06Cr25Ni20耐熱鋼和3種典型高溫合金物理性能比較如表2所示。熱傳導(dǎo)方面，K4169合金的熱導(dǎo)率比06Cr25Ni20耐熱鋼的略高，達(dá)12.7%；K418、K424合金的熱導(dǎo)率明顯低于06Cr25Ni20耐熱鋼，分別達(dá)28.5%和23.6%。線膨脹系數(shù)方面，無(wú)論是室溫還是高溫條件下，3種典型高溫合金都比06Cr25Ni20耐熱鋼有一定的優(yōu)勢(shì)，分別低了20.8%、25.2%、17.0%和20.5%、23.1%、13.8%。

表206Cr25Ni20耐熱鋼與典型高溫合金物理性能比較[6]

材料牌號(hào)密度/g·cm-3熔點(diǎn)/℃熱導(dǎo)率/W·(m·℃)-1線膨脹系數(shù)/10-6·℃-106Cr25Ni207.981400～145014.215.9(19.5)K4188.01295～134510.1512.6(15.5)K4247.871271～131010.8511.9(15.0)K41698.241243～13591613.2(16.8)

注：括號(hào)內(nèi)為1 000 ℃時(shí)數(shù)據(jù)，其中K424、K4169為800 ℃時(shí)數(shù)據(jù)

2.3.2 高溫合金和06Cr25Ni20耐熱鋼機(jī)械性能比較

06Cr25Ni20耐熱鋼和3種典型高溫合金機(jī)械性能比較如表3所示。

表306Cr25Ni20耐熱鋼與典型高溫合金機(jī)械性能比較

牌號(hào)抗拉強(qiáng)度σb/MPa屈服強(qiáng)度σ0.2/MPa伸長(zhǎng)率δ/%硬度06Cr25Ni20590(210)295(180)35(5)187HBK418935(670)780(455)9.5(9.5)33～37HRCK4241010(715)755(610)12(9.5)32HRCK41691100(790)935(680)16(12)34～42HRC

注：括號(hào)內(nèi)為900 ℃時(shí)數(shù)據(jù)，其中K4169為700 ℃時(shí)數(shù)據(jù)。

在室溫和高溫條件下，3種典型高溫合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都明顯優(yōu)于06Cr25Ni20耐熱鋼，有著數(shù)百兆帕的優(yōu)勢(shì)；硬度方面，對(duì)布氏硬度和洛氏硬度進(jìn)行換算后(1 HRC≈10 HB)可以看出，3種典型高溫合金相對(duì)于06Cr25Ni20耐熱鋼，也都有明顯的優(yōu)勢(shì)。2.3.3 高溫合金和06Cr25Ni20耐熱鋼經(jīng)濟(jì)性能比較

06Cr25Ni20耐熱鋼和3種典型高溫合金經(jīng)濟(jì)性能比較如表4所示。

三種典型高溫合金與06Cr25Ni20耐熱鋼的加工費(fèi)基本持平，但在材料本身價(jià)格方面，高溫合金的價(jià)格是06Cr25Ni20耐熱鋼價(jià)格的3～5倍。

3 分析和討論

選取的3種典型高溫合金相對(duì)于06Cr25Ni20耐熱鋼，在物理性能和機(jī)械性能方面有著比較明顯

表406Cr25Ni20耐熱鋼與典型高溫合金經(jīng)濟(jì)性能比較

牌號(hào)價(jià)格/萬(wàn)元·t-1加工費(fèi)/萬(wàn)元·t-106Cr25Ni202～50.6K41810～15K42412～150.5～1K416910～13

的優(yōu)勢(shì)，而經(jīng)濟(jì)性能方面略差。材料的使用性能(其中最主要因素——機(jī)械性能)是材料選擇的基本出發(fā)點(diǎn)也是最重要的一點(diǎn)，3種典型高溫合金都具有比06Cr25Ni20耐熱鋼更優(yōu)異的機(jī)械性能則是需要關(guān)注并思考和分析的。

通常來(lái)說(shuō)，一種材料所具有的機(jī)械性能由材料本身的成分和組織結(jié)構(gòu)決定。06Cr25Ni20耐熱鋼和3種典型高溫合金成分如表5所示，

表5 06Cr25Ni20耐熱鋼與典型高溫合金的化學(xué)成分 %

由表5可見(jiàn)，06Cr25Ni20耐熱鋼是以Fe為基體，另加入25%Cr、20%Ni構(gòu)成的，加入大量的Ni、Cr元素后該材料具有了良好的抗氧化、耐腐蝕、耐酸堿、耐高溫等性能，其原理是加入的Ni、Cr元素是鋼中形成奧氏體的重要元素，而形成的γ奧氏體相耐高溫和抗氧化，這也是不銹鋼、耐熱鋼的形成機(jī)理。在高溫條件下，如氧槍工況溫度在1 000 ℃以上時(shí)，基體元素Fe易與氧氣發(fā)生反應(yīng)，甚至發(fā)生燃燒[2]，這也是不銹鋼、耐熱鋼都有其許用溫度的原因。觀察表5中3種典型高溫合金成分可以發(fā)現(xiàn)，3種材料均是以Ni為基體的，F(xiàn)e元素含量都較少，其中含Ni量最低的K4169合金Ni含量也超過(guò)了50%，這樣的成分組成使得合金的組織中形成了更多面心立方結(jié)構(gòu)的γ奧氏體相，同時(shí)3種合金中加入一定量的Cr、Co、W、Mo元素則起到了強(qiáng)化基體的作用，而Al、Ti元素的加入使得合金中同是面心立方結(jié)構(gòu)的γ＇相——Ni3(Al,Ti)強(qiáng)化相的量大大增加，形成的γ＇相與γ相基體獲得了共格強(qiáng)化作用[13]，所以表現(xiàn)為高溫合金材料的高溫機(jī)械性能比不銹鋼、耐熱鋼材料有較大優(yōu)勢(shì)。

下面從另一個(gè)角度分析高溫合金材料高溫機(jī)械性能比不銹鋼、耐熱鋼材料有較大優(yōu)勢(shì)的原因。從圖6氧化物埃林漢圖中可以看到，在1 000 ℃時(shí)，F(xiàn)eO比NiO的標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯自由能小很多，說(shuō)明在此溫度下Fe的氧化物更穩(wěn)定，F(xiàn)e元素更易被氧化，F(xiàn)e元素的氧化改變了材料本身的組織結(jié)構(gòu)，從而影響了材料的力學(xué)性能，在機(jī)械性能(力學(xué)性能)上則表現(xiàn)為不含F(xiàn)e或含F(xiàn)e少的3種高溫合金材料比以Fe為基體的06Cr25Ni20耐熱鋼的高溫機(jī)械性能更有優(yōu)勢(shì)。同理，F(xiàn)eO在1 000 ℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯自由能比Cu2O的標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯自由能“更負(fù)”，即此溫度下Cu元素更穩(wěn)定，F(xiàn)e元素更易被氧化，這是鋼鐵行業(yè)中鐵水含銅不能氧化除去的原理，而這也合理的解釋了氧氣底吹煉銅中氧槍(06Cr25Ni20耐熱鋼材質(zhì))出口產(chǎn)生“蘑菇頭”的情況。對(duì)于氧氣底吹煉鉛，情況略有不同，從埃林漢圖可以看到，在高溫下FeO更穩(wěn)定，即Fe比Pb更容易氧化，理論上也應(yīng)該如底吹煉銅一樣產(chǎn)生“蘑菇頭”，而實(shí)際生產(chǎn)情況則是底吹煉鉛并不會(huì)產(chǎn)生“蘑菇頭”，有的學(xué)者以過(guò)熱度較大作為理由來(lái)解釋“蘑菇頭”不能穩(wěn)定存在[2]。

圖6 氧化物的埃林漢(Ellingham)圖

4 結(jié)論和展望

對(duì)高溫合金應(yīng)用于氧氣底吹冶煉氧槍的可行性進(jìn)行對(duì)比并做機(jī)理分析，得出以下結(jié)論：

(1)3種高溫合金相對(duì)于06Cr25Ni20耐熱鋼有一定的物理性能優(yōu)勢(shì)；

(2)3種高溫合金相對(duì)于06Cr25Ni20耐熱鋼有比較明顯的機(jī)械性能方面的優(yōu)勢(shì)；

(3)3種高溫合金相對(duì)于06Cr25Ni20耐熱鋼經(jīng)濟(jì)性能略差；

(4)3種高溫合金均較適合應(yīng)用在底吹冶煉氧槍上。

筆者認(rèn)為，從整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)角度看，機(jī)械性能的明顯優(yōu)勢(shì)可以抵消經(jīng)濟(jì)性能上的劣勢(shì)，建議在底吹冶煉氧槍上應(yīng)用高溫合金材料探索延長(zhǎng)底吹冶煉氧槍壽命的可能。本文僅從材料選擇角度分析用高溫合金材料替代現(xiàn)有氧槍材料的可行性，給底吹冶煉設(shè)計(jì)者和使用者提供一個(gè)思路。然而，影響氧槍壽命的因素不僅包括槍體材質(zhì)，還包括氧槍的結(jié)構(gòu)形式、出口壓力和速度、槍口磚性能等，氧槍的壽命問(wèn)題是個(gè)系統(tǒng)工程。要解決好氧槍使用壽命的問(wèn)題，后續(xù)工作應(yīng)重點(diǎn)著力于氧槍設(shè)計(jì)、氧槍材料選擇及隨后的試制和試驗(yàn)，綜合提高氧槍的使用壽命。

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Brief analysis of materials selection for oxygen lance of oxygen bottom blowing in Non-ferrous smelting

PEI Zhong-ye, LI Bing, MA Ming-sheng, ZHANG Guan-xiang, GUO Ya-guang

In this paper, oxygen lance material in oxygen bottom blowing smelting was briefly summarized; from the perspect of material selection, the possible oxygen lance alternative metal materials were put forward, the detailed comparison and analysis were carried out between currently used materials and alternative materials for oxygen lance. The conclusion shows that the alternative material - superalloy is a kind of feasible oxygen lance material for bottom blowing smelting, which provides a reference for selection of oxygen lance material.

oxygen bottom blowing; oxygen lance; materials selection; superalloy

裴忠冶(1980—)，男，遼寧鞍山人，博士，高級(jí)工程師，主要從事有色金屬工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)及有色金屬材料研發(fā)工作。

2016-05-18

TF81； TG132

B

1672-6103(2016)05-0014-05