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铁合金矿热炉工艺实践

发表时间:2021-03-23 23:56

      1、炭电极在铁合金生产中的应用

  电极是电炉的重要部件,依靠电极把经过炉用变压器输送来低压大电流送到炉内,通过电极端部的电弧、炉料电阻以及熔体,把电能转化成热能而进行高温冶炼。因此,要保持电极完好稳定的运行状态,尽可能地减少电极事故的发生,电极需要满足以下要求:(1)具有良好的导电效果:电阻率大小适中,与电气参数相匹配,以减少电流通过电极时的损失,减少短网压降,达到极心圆佳功率密度,同时满足冶炼成本低;(2)抗热震性好,热膨胀系数低:当送电条件波动,温度急剧变化时,不易使电极产生裂纹导致断裂掉炉,同时具有良好的热导性;(3)要有足够的机械强度:在工业硅炉冶炼生产过程中,电极会受到拉、压、弯以及应力的交变作用,因此应具有足够的强度;(4)杂质含量低:电极中含的有害杂质要控制在一定的含量以下。

  炭电极应用在铁合金生产的技术优势,具体有如下几点:

  1)消除铁合金炉运转干扰源

  自焙电极尽管具有成本低的优势,但也给铁合金企业的电炉操作带来了许多负面因素,限制了铁合金生产效率的提高。采用炭电极消除了铁合金炉上的一个控制因素,使自焙电极焙烧对炉况的干扰得以消除。生产操作人员可以不必考虑电极焙烧的要求,可以随时根据生产的需要调整炉况,这就大大提高铁合金电炉的效率,从而显著改善铁合金企业的经济效益。采用炭电极可以提高电极电流密度,从而提高入炉功率。在满足了铁合金电炉超负荷运行需要的同时,还可以缩短冶炼时间、提高热效率及产量、降低电耗。

  2)降低电极断裂的可能

  与自焙电极的焙烧过程相比,炭电极的焙烧所受到的限制较少,不像自焙电极那样在焙烧过程中受到铁合金电炉生产状况的干扰。因此炭电极质量比自焙电极更有保障,抵抗热应力、防止电极断裂也优于自焙电极,同时能够杜绝软断事故的发生。

  3)降低电耗及电极消耗

  与电极糊相比,炭电极没有自焙的过程,节省了自焙电极焙烧过程的热量消耗,另外,由于炭电极电阻率低,电极自耗小。同时,炭电极可以提高入炉功率和电炉热效率,缩短冶炼时间,故有较大的节电潜力。此外,由于炭电极不存在沥青挥发分、体密高、灰分低、抗氧化性好,在一定程度上也可以抵消炭电极成本较高的劣势。

  2、电炉矮烟罩骨架的腐蚀破裂原因及防护措施

  2.1电炉矮烟罩骨架的破裂是一种环境破裂,也称腐蚀破裂,其形式大致有以下几种。

  1)应力腐蚀破裂

  它是一种腐蚀和拉应力同时作用相互促进下的材料破裂,单独的腐蚀和单纯的应力是不会产生这类破裂的。骨架中心圆环的奥氏体不锈钢材料尽管具有耐晶间腐蚀和隔磁性的特征,但其耐应力腐蚀性很差,根据骨架结构的应力形态,中心圆环及其顶部不锈钢板材料均受较大非均匀性的压应力和拉应力,在合适的温度和腐蚀环境下,骨架便产生应力腐蚀变形。

  2)腐蚀疲劳破裂

  它是骨架材料在腐蚀和变形应力作用下发生的疲劳破裂。由于炉温的变化及骨架方盒内冷却水量流速的非定值因素,产生骨架材料的疲劳极限大大降低,过早地出现疲劳破裂,且骨架当中的不锈钢材料对腐蚀疲劳的耐力明显高于碳钢部位,而骨架当中大多数材料都采用低碳钢。

  3)应力合金化破裂

  矮烟罩骨架在炉内高温环境中特别是敞火、刺火和喷料时,腐蚀产物在应力作用下沿骨架金属晶界扩散到内部,使之生成熔态的液相,导致金属不能承受载荷而破裂。

  4)晶间腐蚀破裂

  这是金属晶间腐蚀。在无外载荷时,单纯的晶间腐蚀不会引起破裂,只是将结构强度大为削弱,一旦遇外加载荷就会引起机械性破裂,它和应力与腐蚀同时作用及相互促进引起的应力腐蚀破裂不

  同。实际上,晶间腐蚀可能受应力作用而加速,应力腐蚀也可能发生晶间型破裂,但不易区别。矮烟罩骨架的腐蚀现象可分为均匀腐蚀和局部腐蚀两类。局部腐蚀是骨架腐蚀损伤事故中发生多的一种,腐蚀形态包括应力腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀和孔腐蚀。均匀腐蚀的形态主要是炉气冲刷腐蚀和骨架与其相连有冷却循环水的骨架方盒之间的温差变大,拉应力增大,超过其强度极限而使骨架方盒无冷却水循环时的干蚀,而其中干蚀为严重,主要是由方盒内积垢太多堵水造成的,极易使该部位变形且沿强度薄弱处的焊缝破裂。骨架内联通方盒之间通水的直型钢管由于通水口径较小,易结垢堵水造成骨架干蚀,但均匀腐蚀的扩展速度比局部腐蚀的扩展速度快得多。

  2.2引起矮烟罩骨架腐蚀破裂的原因

  1)环境温度和有害气体的影响

  矮烟罩骨架受到有害气体和炉内高温的侵蚀,电炉产生的炉气主要成分有:CO2、02、H2、CO、N2和CmHm等气体。炉内产生烟气温度一般为100~35℃,有时高达500~800℃。根据有关研究资料证明,一定量的氢和CO可以导致碳钢的应力腐蚀破坏,在200℃左右的高温环境中,氢易进入隔磁钢骨架金属与其内部相关物质起化学反应。氢与碳化物或氧化物反应,生成烷(CH4)或水汽,水汽使矮烟罩骨架金属产生小裂缝和空穴,使钢变脆产生氢蚀。由于电炉水冷系统中所用冷却水大多采用经氯化物处理后的自来水作补充冷却水,则矮烟罩骨架内的冷却水沉淀物有可能为可溶性的氯化物,促使骨架内部一些高温区的金属产生腐蚀。因为冷却水流出的平均温度不一定代表裂缝(或裂源)的真实局部温度。此外,还有水的酸碱度对奥氏体不锈钢的应力腐蚀也有很大

  影响,pH值下降,则裂缝的破裂速度增大,可见矮烟罩骨架的内外介质环境有可能造成骨架的腐蚀破裂。电炉炉气温度也是造成矮烟罩骨架受侵害的一个重要因素,骨架所用材料产生应力腐蚀的温度为70~250℃,而炉气温度一般符合这一条件。此外,矮烟罩骨架结构的复杂性导致骨架受热的非均匀性,局部的高温加速了该范围内细微裂缝的扩展速率,降低了骨架的寿命值。

  2)焊接骨架的焊缝影响

  矮烟罩骨架在制作焊接或因破裂修复焊补时,其焊接是局部加热的过程,其非均匀的温度将导致骨架产生不均匀的膨胀,在焊接加热受到压缩塑性变形的部位,因不能自由收缩而受到拉伸,这样就在骨架中出现了一个与焊接加热时方向相反的应力场,使之产生内应力和残余变形。焊接应力的大小,一方面取决于骨架材料的线膨胀系数、弹性模数、屈服极限、导热系数、比热、密度等,另一方面还取决于骨架的结构形状、尺寸和焊接工艺参数。焊接生成的拉应力对骨架的应力腐蚀有很大影响。拉应力越大,引起的应力腐蚀裂缝的时间就越短。另外,应力集中处存在着拉伸内应力,也会使骨架金属的疲劳强度降低,产生疲劳性腐蚀。其中奥氏体不锈钢骨架部分,其焊接接头处的晶间腐蚀是由焊接引起的另一种主要破裂形式。焊接时,焊缝金属及受焊接热的影响的近缝区,加热到一定的温度后再缓慢冷却,在奥氏体晶粒边界上生成大量的碳化铬,从奥氏体固体中析出,在碳化铬的晶界上形成贫铬现象,而碳化铬本身不耐腐蚀,这样在腐蚀介质环境中工作的焊缝,在贫铬的晶界上就易被腐蚀,并迅速向纵深发展。晶粒间的联系和结合被破坏,致使晶粒脱落,使矮烟罩骨架破裂泄漏,其中以低碳铁素体钢与奥氏体不锈钢焊接时的焊缝处尤为突出。

  3)应力的影响

  它是矮烟罩骨架腐蚀产生裂纹的又一重要原因。拉应力是应力腐蚀的一个重要条件,拉应力越大,腐蚀越严重,拉应力可以使作用部位的内能增加,产生金属相变。金属内部组织和表面组织的电化学变得不均匀,降低了金属电位,破坏了表面的钝化膜,使之产生很多小裂纹,又在这一缺陷和裂纹尖角上造成应力集中,加速了腐蚀。电炉炉内的温度变化,使得骨架的应力也呈交变状态,在腐蚀介质作用下,此现象又转变成腐蚀疲劳,从而降低了矮烟罩骨架的强度,使骨架易腐蚀变形破裂。

  4)矮烟罩骨架材料内化学元素的影响

  矮烟罩骨架当中,有的材料采用隔磁不锈钢,而加速奥氏体不锈钢应力腐蚀破坏的元素主要有氮、磷、钼、铌、钛等。减低应力腐蚀倾向的元素有碳、硅、镍等,奥氏体不锈钢对应力腐蚀敏感较小,铁素体钢则不敏感,而超低碳铁素体钢对腐蚀破坏有很好的韧性和耐性。

  5)矮烟罩骨架冷却水结垢的影响

  大多数铁合金电炉,其冷却系统中均采用未经软化处理的硬水作冷却介质,硬水中的Ca2+、M等金属离子在高温状态下极易生成CaCO,、MgC0,等,并附着在冷却水路的金属壁上形成水垢,随着时间的推移,狭窄的管道先被堵塞,无法通水冷却,此段管路就形成干蚀,其温度较高,该段管路与其它未被堵塞管路之间的温差就越大,这就造成了它们之间的拉应力越大,其应力腐蚀破坏就越严重,且矮烟罩骨架方盒内底部水垢沉积物较顶部多,它又是直接高温区,这样骨架方盒底部材料温度高于顶部材料温度,这种温差也导致方盒顶、底部的拉应力增高,且随结垢的增加而加大,这也是引起矮烟罩骨架腐蚀破裂的又一重要原因。

  2.3电炉矮烟罩骨架抗腐蚀防护措施

  矮烟罩骨架腐蚀破裂是一个综合的复杂的多学科问题,其机理还未完全清楚,故其防范措施尚有局限性,到现在为止尚未有一彻底消除腐蚀的好办法。但可以从以下几个防护措施人手达到减少和减缓骨架的腐蚀程度和速度,达到延长矮烟罩骨架的使用寿命的目的。

  1)矮烟罩骨架尽可能采用有型管材(圆形管、方型管)制造,目的是减少焊接缝,以减少焊接时所产生的内应力,且尽可能将焊接缝位置置于骨架的低应力区或压应力区。

  2)在条件许可的情况下,可采用软水作为骨架内冷却介质,以减少或杜绝骨架方盒内壁水

  垢积聚,或定期对电炉水冷系统所有管道进行不停炉的酸洗,以消除或减少管道内壁的水垢和沉积物,保证水质,防止骨架内部水线的产生,应使管道充满水,消除干湿交替区,避免因此而产生的强大拉应力而腐蚀破坏矮烟罩骨架。

  3)在矮烟罩骨架外表面可涂上有机硅材料,将骨架与炉气这一强腐蚀介质的环境隔离开来,降低炉气对骨架的腐蚀破坏。

  4)矮烟罩骨架温度控制,使骨架外表面温度控制在70℃以下,在循环水冷却清水池中补充一定量的冷水。确保电炉水冷系统中水的进、出水温度,同时也可在矮烟罩骨架外表面涂上隔热材料,起到良好的隔温效果。

  5)在制作矮烟罩骨架时,在焊接缝区域内表面导入压应力,以消除部分或完全消除因焊接产生的拉应力,提高其耐腐蚀效果,在其焊缝区域内用机械法敲击表面处导入压应力,在热处理方便的地方,对其焊缝进行退火处理,其效果较好。

  6)在确保矮烟罩骨架强度和解决骨架磁感问题的前提下,尽可能采用超低碳铁素体钢,此种材料对应力腐蚀、孔蚀和缝隙腐蚀都有良好的耐受性。

  7)将骨架冷却水路中方盒之间接通水路埋设的直接钢管,改为外连接U型钢管导通水路。这样可避免因内联接钢管,被堵塞不易改换的弱点,有效提高热检修效率。

  2.4结论

  1)在电炉高温和有害气体的特定环境下,矮烟罩骨架的各种应力腐蚀是造成骨架变形破裂泄漏的主要原因。

  2)控制和防止矮烟罩骨架腐蚀破裂是延长骨架使用寿命的有效途径。

  3)在考虑有效性、可行性、经济性等综合指数的前提下,应根据具体情况找出或选择适合自身特点的矮烟罩骨架腐蚀变形破裂的防护措施,才能达到较为理想的效果。