1. 概述

　　風口小套是保證高爐正常生產的關健設備之一,由于它處于高溫工作區又易受到物料的磨損和冶煉產物-渣、鐵的侵蝕,導致風口小套壽命縮短。風口小套破損除使高爐休風率上升造成損失極大外,還給高爐操作帶來很多困難。目前國內風口套平均壽命不到2000h,國外風口小套使用壽命超過6000h，超過國內3倍以上。提高風口小套壽命是煉鐵廠和風口小套生產廠家十分關注的問題。

　　我國目前有500座以上生產用高爐,因風口的頻繁更換和休風,導致每年鋼鐵產量減少上百萬噸,損失生產產值數億元。因此,延長風口小套的使用壽命,有利于高爐的穩定生產，降低休風帶來的產能損失，提高爐況穩定能力，同時能夠降低維護成本，提高鋼鐵企業的競爭能力。

　　2. 風口小套種類

　　目前市場常見的風口型式為:空腔式、雙室式、貫流式(及衍化成的偏心旋流式)、整體鑄造盲孔螺旋式、焊管螺旋式。

　　前兩種為適合低壓水源的風口型式,而空腔式由于水速太低((0.5 m/s),抗燒損能力太差而逐漸被淘汰,雙室風口雖然有所提高,在0.3MPa水壓下,風口前端水流速只能達到2.2 m/s,因而其抗燒損能力仍然不能令人十分滿意。

　　貫流式和后幾種風口型式全部為適合高壓水源的風口型式,一般水壓要求大于0.8MPa,并且其加工工藝復雜,技術裝備投資高,因而生產成本很高,盡管在1MPa水壓下,水流速可達12 m/s,抗燒損能力很強,幾乎不再發生熔洞性破壞,而以磨損和水垢造成的熱振疲勞裂紋為主要損壞形式。

　　3. 風口小套破損原因

　　在高爐生產中，風口小套是高爐進風系統中的重要設備，并且兼有保護爐墻的作用。風口小套的工作環境極其惡劣，內壁承受1000以上的風溫與高速煤粉的沖刷;前端伸入爐內，承受近2000的高溫與高溫鐵流的沖刷和爐料、爐渣的磨損;壁內外側溫度差大和壓力差大(風壓與冷卻水壓差)，而且這種溫差和壓力差經常變化，它們給風口造成熱疲勞和機械疲勞。所以，風口損壞的現象很常見。

　　(1)熔損：

　　空腔式風口小套，冷卻水進入小套后,流股截面積突然增大,流速突然降低,冷卻水中的一些雜質容易沉積在風口壁上,也容易產生結垢,冷卻強度隨之降低;另外這種結構在小套內容易形成死區,造成局部過熱。這樣風口壁熱量容易積累導致溫度升高,當高于銅開始強烈氧化的溫度甚至達到銅的熔點時,風口便被燒壞。因此,空腔式風口小套結構不合理,冷卻效果不好是造成風口小套熔損的主要原因。

　　(2)裂紋：

　　風口結構設計不合理，如縱、橫面的壁厚尺寸相差較大,圓角曲率過小,鑄造時在局部容易產生應力集中導致裂紋;風口材質及鑄造加工有問題，風口材質不純,晶粒粗大,組織疏松,或在鑄造過程中存在氣孔夾渣等鑄造缺陷,使風口產生裂紋。

　　(3)磨損：

　　主要是由于噴吹煤粉時,第一噴煤槍插入深度沒有標準,過深或過淺;第二是由于噴煤槍與直吹管的角度過大,大量煤流吹磨風口小套前沿,使風口小套磨損而損壞。

　　風口破損現象：

　　(1)風口損壞較小。風口損壞較小時，風口僅有少量水痕，減水時排水口出水無“喘氣”現象，出水正常，風口工作狀況無明顯異樣，這種情況下難于發現風口損壞，但反復觀察分析能夠發現風口損壞。

　　(2)風口損壞較大。風口損壞較大時，經減水控制，出水帶“白話”甚至有激流的“喘氣”現象，主要是由于風口的前高爐煤氣間斷地從破損處混入冷卻水中，達到排水口時產生的一種現象。

　　(3)風口破損嚴重。風口破損嚴重時常常出現排水口出水很少或斷水現象。

　　(4)風口燒穿。風口突然燒穿、爆炸，常常是由于風口損壞后沒有及時發現，風口損壞惡化所致。事故發生時，有熾熱的碎焦炭從燒穿處伴隨著高爐煤氣噴射而出，聲音尖銳刺耳。

　　從上邊可以看出，風口剛損壞時破損范圍不大，風口冷卻水漏入爐內不多。若高爐配管工及時發現風口損壞，并采取適當的處理措施，可減少風口冷卻水漏入爐內的量，控制破損范圍不再擴大，不會給高爐生產帶來太大的影響，休風后更換風口也比較容易。反之，風口損壞后如發現較晚，漏水較多，破損擴大，嚴重時爐缸溫度降低，導致渣鐵凝結堵塞風口，甚至會使爐缸凍結，給高爐生產帶來直接影響，造成嚴重后果。

　　4. 風口小套熔損的微觀結構

　　風口小套的縱向組織呈現出流線型組織形貌,表現出典型的變形態組織結構,這說明該部位的結構在服役過程中受到了強烈的變形作用。在銅基體與鐵渣的界面處進行了細致的能譜掃描分析發現，在鐵渣與基體的界面處產生了元素的擴散。同時,結果顯示元素的含量達到了6.13%和6.66%。

　　5.風口小套生產

　　5.1. 傳統風口小套生產工藝

　　傳統生產工藝為:電解銅→熔化→加磷銅初脫氧→加錫合金化→加磷銅終脫氧→澆注→成形。形成的銅合金是ZCuSn2。現有生產工藝采用加磷銅終脫氧,熔煉過程中很難控制磷的殘留量不超過0.03%,一般在0.05%-0.10%范圍內。磷含量超標,大大降低了紫銅的導電性,故其導熱性也大大降低。此外,熔煉工藝中加錫是為了改善銅液的流動性,以提高風口小套的鑄造性能,消除鑄造缺陷,但因此也降低了紫銅的導熱性。

　　5.2. 以鉻鋯銅為材質的高爐風口小套生產工藝

　　(1)選用中頻或工頻感應電爐熔煉電解銅;

　　(2)待電解銅全部熔化后,加磷銅攪拌預脫氧;

　　(3)加鉻銅合金攪拌均勻合金化;

　　(4)用鐘罩壓LO-GAS50除氣塊至爐底2min,分解產生氣流除氫;

　　(5)加鈹銅攪拌終脫氧;

　　(6)加鋯攪拌調整成分或在澆包內加入鋯,在銅液沖入時攪拌均勻;

　　(7)將合金液澆入備好的本體、端頭鑄型內;

　　(8)取出本體、端頭清理后放入箱式爐內升溫至960℃保溫1h、或升溫至940℃保溫2h、或升溫至920℃保溫3h后取出,迅速水淬固溶處理;

　　(9)再放井式爐內升溫至460℃保溫6h、或升溫至470℃保溫5h、或升溫至480℃保溫4h后取出,空冷時效處理;

　　(10)清理檢驗。

　　6. 風口小套發展進化史

　　6.1. 2002年萊鋼120m³高爐設計和使用的風口小套

　　6.1.1. 特點

　　原單腔式風口小套為一個通道,空腔較大,冷卻水在空腔內滯留時間長,帶走的熱量少。并且冷卻水易走近路,造成冷卻死角區,降低了冷卻效果。特別是對風口小套前端的高溫區冷卻效果更差,是造成風口小套壽命低的直接原因。設計改為雙腔貫流式,這種結構冷卻水從風口小套進口直接進入小套前端的空腔,循環一周后進入外循環空腔反向繞一周后從出口流出。這樣,冷卻水在小套內流速快、滯留時間短,帶走的熱量多,對小套前端的高溫沖刷部位冷卻效果好。原單腔式風口小套為一個通道,空腔較大,冷卻水在空腔內滯留時間長,帶走的熱量少。并且冷卻水易走近路,造成冷卻死角區,降低了冷卻效果。特別是對風口小套前端的高溫區冷卻效果更差,是造成風口小套壽命低的直接原因。設計改為雙腔貫流式,這種結構冷卻水從風口小套進口直接進入小套前端的空腔,循環一周后進入外循環空腔反向繞一周后從出口流出。這樣,冷卻水在小套內流速快、滯留時間短,帶走的熱量多,對小套前端的高溫沖刷部位冷卻效果好。

　　6.1.2. 制作工藝

　　(1)采用腹膜砂(酚醛樹脂)鑄造成型。腹膜砂工藝可提高風口小套鑄造型腔表面光潔度,減少水流阻力,增強冷卻效果。

　　(2)為保證風口小套的導熱性和鑄造成品率,材料選用較高純度電解銅。采用快速融化、低溫澆注的原則(澆注溫度1120～ 1200℃ ),磷銅脫氧,另加入少量的鋅和錫以改善鑄造性能并增加鑄件的強度。

　　(3)風口小套鑄造、加工完成后,進行耐水壓試驗,用1.0MPa的壓力保壓30min無滲漏及冒汗現象,并且流速恒定。

　　6.2. 1982年南鋼貫流式風口小套制作

　　早期中國國內主要采用的是空腔式風口，在80年代寶鋼從日本引進貫流式風口以后，貫流式風口在國內開始使用。

　　風口設計要考慮以下幾個要素：

　　(1)端部水速的選擇：

　　(2)風口壁厚的選擇;

　　(3)材料的選擇：

　　(4)前部環道截面積選擇：

　　(5)風口傾角：

　　(6)風口冷卻水流量選擇：

　　風口制造包括三個部分：

　　(1)端頭鍛壓：端頭為一環槽形空心盒,形狀較為復雜。大批量生產時擠壓、旋壓鍛較簡單,但小批量生產可用胎模鍛工藝。即用制芯、拉伸、成型套模及1.5噸汽錘即可。且成材率高、準確度大。銅高溫機械性能差些,應采取冷加工工藝。但應先予熱到500”C一l000OC間再冷

　　卻,以提高其塑性。

　　(2)本體鑄造：因鑄件較為復雜,表面需加工,用吠喃樹脂砂芯和金屬外模鑄造,能適用螺旋芯及表面光滑撇密的特點。銅熔化最好用電爐,如在焦炭沖天爐中冶煉要嚴禁夾雜及氧化,需用木炭粉保護及磷銅脫氧。

　　(3)整體焊接：因銅導熱性高、熱容量大,故在焊接過程中會產生裂紋、氣孔夾雜。在較高溫度區間焊接,可減少內應力、延長冷卻時間,減少結晶引起的裂紋。氣孔是由于高溫下氧化銅與氫、一氧化碳反應生成的擴散孔。夾雜是由于焊接角度及焊絲、焊劑不適應引起,采取保護性氫弧焊最好。采用高溫手工電弧焊,只要加熱、冷卻速度、焊絲或焊劑適宜是可以達到滿意效果的。要避開銅的高溫脆性區焊接較好。可采用硼基焊劑,多層次焊接。但要掌握好焊槍的位置、角度及冷卻速度。制成的風口要在試壓情況下無滲水現象。

　　6.3. 1985年風口前端等離子噴涂耐熱陶瓷粉末等材料

　　風口小套表面采用等離子噴涂二氧化鋁陶瓷粉末,其涂層結構為:底層—NiCrBSi自熔性合金粉末;中間層—Ni/Al2O3金屬陶瓷粉末,表層(工作層)α-Al2O3陶瓷粉末。

　　工件在未噴涂之前必須進行預處理以清除表面的氧化物(采用金屬切削、噴涂拉毛、丙酮清洗和200~250“C孤焰預熱工件)。然后進行噴涂、操作。待風口涂層冷卻后必須進行仔細檢查,如發現表面起殼或隔層,需要鏟除重新施工。噴涂層表面應呈灰白色,涂層表面光滑、均勻。

　　三氧化二鋁陶瓷粉末和銅基材之間的結合強度很差,二種材質的膨脹系數差異太大(Al2O3為8.0x10-6/度,鑄銅為16~20x10-8/度),在冷熱交變載荷情況下,容易從基材上剝落下來。為克服這一缺點,要選用一種與基材結合得牢,膨脹系數介于銅與三氧化二鋁之間的材料,一般在銅底材上,粉用的合金粉末NiCrBSi自熔性合金粉末或NiCr合金粉末。另外考慮到合金到陶瓷粉末涂層的逐步過渡,在二層之間還需加一層金屬陶瓷粉末涂層,一般選用的粉末成分為既有底層粉末的金屬,又有表層粉末的金屬成分。Ni/AI2O3金屬陶瓷粉末為NiCrBSi和AI203的中間層是適宜。這樣既可使整個涂層結構各層膨脹系數接近,又可增加各涂層之間的結合力。

　　7. 提高風口小套壽命的措施

　　7.1. 設計角度

　　從設計角度改進風口小套使用壽命的手段有三個：

　　(1)改進風口結構,提高冷卻水的速度、以改善風口的冷卻效率(如:貫流式風口、螺旋風口、整鑄多環式風口等)。環流風口與空腔風口比較,最顯著的優越性在于,流體在沿著環流水道流動的過程中,受離心力的作用,截面中心的流體被甩到外側,然后沿著壁面折回,形成二次環流,加強了流體微團的攪動與混合,促使熱交換過程強化,又由于冷卻水在沿著內壁面光滑的環流水道高速流動,流股均勻,每當風口銅壁受到爐缸內鐵水熱負荷的瞬間沖擊時,不易產生汽泡,難以形成惡化冷卻的汽膜層,從而能夠抵抗鐵水熱負荷的瞬間沖擊。

　　(2)改革風口材質,采用高純度鋼材壓制成結構件等、以提高風口導熱效率(如液鍛風口等)。

　　(3)風口表面噴涂耐熱陶瓷粉末層或保護層,以提高風口抵御鐵水、熔渣的侵蝕,減輕風口的熱負荷(如在空腔型風口表面采用等離子焰噴涂耐熱陶瓷粉末)。

　　7.2.操作角度

　　(1)提高供水壓力：提高風口的供水壓力,則飽和水溫度值相應提高,供水壓力為8kg/cm2時,水的沸點為174.53℃,水壓提高至12kg/cm2時,水的沸點提高到190.71℃,即沸點提高了16.18℃,也就是說水在高壓下不易汽化,難以產生惡化傳熱條件的汽膜層,因而采用高壓水強化冷卻風口,是提高風口工作壽命的有效措施之一;

　　(2)當風口的供水壓力和冷卻水流量確定之后,風口的水流通道過流斷面上的流

　　速愈高和材質銅的導熱性能愈好,則抵抗鐵水熱負荷熔損的熱流相應增高，為提高抵抗燒損能力,易熔損的尖端部選擇銅板材質和高水速冷卻的結構是合理的。

　　(3)及時出凈渣鐵，減少風口下部熔損的幾率;

　　(4)適當放開中心，控制邊緣煤氣溫度，較小對風口的影響;

　　(5)控制合適的風口動能，過小或者過大的風口動能都會對風口造成不利影響，應摸索高爐高水平穩定順行前提下的合適的風口鼓風動能。

　　(6)根據爐況確定風口小套最佳長度以維護合理氣流;

　　(7)確安裝和操作噴煤槍,盡可能避免煤粉氣流磨擦風口小套內壁。

　　8. 風口小套供水系統改進

　　目前高爐風口小套冷卻水系統設計有兩種形式：一是采用高壓凈環水開路循環冷卻;二是采用聯合軟水密閉系統冷卻。采用高壓凈環水開路循環冷卻方式，系統簡單，便于檢漏;但由于水量蒸發和工藝高壓供水造成了系統補水量大且電耗較高。若是采用聯合軟水密閉系統冷卻方式，由于系統是密閉循環，不存在蒸發問題，而又能充分利用余壓，同時由于采用了串接水技術，總冷卻水量變小，節省管材造價，缺點是不便于集中控制，維護管理復雜，系統安全性差。

　　優點：

　　1 系統設計簡單可靠，便于維護管理，避免軟水聯合密閉冷卻設計多級串聯造成的系統安全性差，管理復雜，一個系統出故障，另一個系統也受影響;

　　2 水泵便于采用集中布置，避免聯合密閉系統管路來回往復，系統容積增大，造成泄露幾率升高，系統補充水量大，同時便于集中控制和管理;

　　3 不用在高爐平臺上考慮水泵布置和電氣控制設置。

　　缺點：

　　1 多1套脫氣膨脹罐系統;

　　2 供回水主管水量大，造成管道管徑大;

　　3 由于水泵集中布置，供回水管道長，系統阻損增多。

　　4 由以上幾點原因造成一次性投資和運行費用稍微偏高。

　　9. 風口小套安全監測

　　風口小套在線檢漏和預警系統是一套為崗位操作人員及時、高效地發現風口小套損壞，同時也方便看水工人及時針對漏水小套采取控水等處理措施，并為風口異常工作狀態提供有效數據依據的監測系統。能夠利用數字測溫結合無線通訊的方式，實時采集通訊風口冷卻水的進出水水管的冷卻水溫度以及流量，在線計算監測每個風口的水溫差、流量差及熱負荷，并進行自動顯示及預警，具體包含的功能模塊如下：

　　(1)溫度流量數據采集模塊;

　　(2)在線計算水溫差、流量差及熱負荷模塊;

　　(3)圖表形式實時顯示每點的進出水溫度、進出水流量、水溫差、流量差及熱負荷模塊;

　　(4)進出水溫度、進出水流量、水溫差、流量差及熱負荷變化趨勢模塊;

　　(5)支持人工設定熱流預警值和安全值，并實時顯示每點的工作狀態模塊;

　　(6)以紅、黃、綠三種顏色對應安全、預警及超限工作狀態;

　　(7)雷達圖形式實時顯示圓周方向上進出水溫度、進出水流量、水溫差、流量差及熱負荷變化趨勢;

　　(8)建立冷卻水流量、溫度、流量差、水溫差及熱負荷的存儲數據庫模塊;

　　(9)提供對每個風口水溫差、流量差及熱負荷的歷史查詢及趨勢曲線繪制模塊。

　　風口小套在線檢漏和預警系統主要實現的是對風口小套安全工作狀態的檢測和報警，包括風口小套冷卻水管的進出水溫差、進出水流量實時采集通訊模塊和熱負荷在線診斷報警模塊兩部分。其中進出水溫度、進出水流量實時采集模塊實現對溫度和流量的自動采集、濾波、存儲及展示;風口小套冷卻水水溫差、流量差診斷報警軟件系統可依據實時采集的水溫差、流量差，按照正態分布函數統計自動對水溫差、流量差進行計算、更新、顯示及報警，實現對風口小套工作狀態的在線監測及漏水預警。

　　10.總結

　　現國內風口小套煉鐵高爐用量6000個/年以上,其產值達3000多萬元。高爐因更換風口小套,休風率約2%。對一個750m3高爐,降低1%休風率可多出鐵上千噸。如能在風口小套熔煉工藝和材質上作改進,進一步提高風口小套壽命,其經濟效益和社會效益非常可觀。