新型铸铜冷却壁的制造和在高炉上的应用外文翻译资料

 2023-02-09 02:02

新型铸铜冷却壁的制造和在高炉上的应用

XU Liang-you, CHEN Xian-liang, RUAN Jun-da, CHEN Xue-bing

(绍兴曙光机械有限公司.浙江省绍兴市, 321065)

摘要 本文介绍了一种新型铸铜冷却壁的制造及其在高炉上的应用，其冷却通道由预埋扁铜管制成，燕尾槽采用一次铸造成型。由于其良好的质量和较低的价格，这种铸铜冷却壁被认为是安全、可靠的且具有广泛的应用前景。由于冷却壁预埋铜管的外表面在铸造加工过程中可与浇注铜液熔为一体，使得该冷却壁具有高导热、耐高压、无渗漏、水阻小、使用安全可靠等特点。铜冷却壁的截面形状可根据高炉形状进行调整，可以是圆弧或不完全弧，并可以在不同区域使用，如炉腹、炉腰以及炉身下部，当它在高炉特定区域使用时，其独特的优势可以完全展现出来。

关键词 铸铜冷却壁 扁铜管 铸造燕尾槽 安全性和可靠性

1 埋管式铸铜冷却壁的特点

铜冷却壁可以分为三种类型：轧制铜材钻孔冷却壁、连铸成型铜冷却壁[1]和埋管式铜冷却壁。三者各有优点，且在国内外都得到广泛应用。对于轧制材钻孔壁和连铸成型铜冷却壁，在进、出水管道处都要焊接堵头，而这些地方有时会发生漏水现象，因此带来许多问题和潜在隐患。我公司研发的埋管式铜冷却壁进、出水导管和壁体内的冷却水通道为同一根导管，故无需焊接堵头，所以埋管式铸铜冷却壁最大的优点就是冷却水不会发生泄漏情况，此外，埋管式铸铜冷却壁还具有以下特点：

（1）与轧制铜材钻孔冷却壁相比，因为埋管式铸铜冷却壁的冷却水通道和热面燕尾槽可以一次铸造成型，大大简化了制作工序并且降低了生产成本。这种冷却壁无需经过轧制、初加工成型、钻冷却水通道、热面燕尾槽机加工、焊接进、出水导管和堵头等工序，使得总制造成本仅为轧制铜材钻孔冷却壁的1/3。此外，埋管式铸铜冷却壁更为节能、生产制造周期更短、更适合工厂大批量生产。

（2）我公司生产的埋管式铸铜冷却壁与国外产品存在不同之处。国外采用预埋Monel合金管，它的价格是纯铜管的7倍[2]，但是导热性能却比纯铜管差。预埋纯铜管铸铜冷却壁铸造工艺较难（纯铜管浇注过程中容易变形、弯曲甚至熔穿），因此需要有可靠的护管技术以防止因预埋纯铜管在浇注过程中发生熔穿情况，导致生产产品报废。Monel合金管熔点高达1250℃，因此在浇注过程中不容易发生熔穿现象，这也许是国外同类产品采用Monel合金管的主要原因。

（3）埋管式铸铜冷却壁的横截面可以根据用户需要进行修改和调整，可以铸造成圆弧面或者其他形状的截面。但若使用轧制铜材钻孔，则很难制造出各种不同截面的冷却壁。

（4）埋管式铸铜冷却壁冷却水通道内管壁十分光滑，进、出水端弯曲半径大，因而冷却水运行的阻损小，冷却水循环过程耗能较小。

2 埋管式铸铜冷却壁的研发及其使用

(l)埋管式铸铜冷却壁的高温试验

我公司从2003年开始研发埋管式铸铜冷却壁并取得成功，开始研发的埋管式铸铜冷却壁主要供高温试验、钴-射线拍片检验和样品解剖观察等用。试验样品尺寸为1852 mmtimes;820 mmtimes;130 mm，冷却水通道数量共计四根，预埋冷却水管原始尺寸约为phi;64 mmtimes;8 mm，为了提高其导热效果，铜管被压成扁圆形，横截面尺寸为76.5 mmx50 mm。该高温试验与北京科技大学（USTB）合作，在常熟市喷嘴厂进行。在试验过程中，试验炉最高温度可达1350℃，冷却壁的热面气体温度达1275℃。根据北京科技大学的试验计算结果，试验铸铜冷却壁的壁体与冷却水管道之间的传热热阻为2.0142times;104m2·℃/kW，在同样条件下，铸铁冷却壁的传热热阻是铸铜冷却壁传热热阻的20倍[3]。以上结果表明所埋冷却水管与浇铸铜壁体之间无气隙存在。为了证实预埋冷却水管与浇注铜壁体间是否存在气隙，我们又将实验壁送至杭州锅炉厂用钴-射线拍片检验，此后又对试验壁做了纵向、横向多处解剖观察。钴-射线拍片结果和宏观解剖观察都证明了埋管与壁体间无气隙存在，同时也验证了北京科技大学高温试验的结果分析是正确的。铜管与浇铸铜壁体间完全熔合，无气隙存在，故铸铜冷却壁具有良好的冷却能力。

(2)装炉使用

由我公司生产的四块预埋铜管铸铜冷却壁应用于杭州钢铁集团公司2号高炉，其中两块安装于高炉炉腰，另外两块则安装于炉身下部。在热面附近安装有热电偶以监测铸铜冷却壁的温度，从2004年10月21日开炉以来铸铜冷却壁热电偶温度一直维持在50℃左右，经过使用了14个月后，此时铸铜冷却壁热面耐火砖已经被完全侵蚀，完全靠渣皮保护冷却壁，而热面温度仍维持在50℃左右，但当渣皮脱落后温度从52℃迅速上升至103℃．30 min后可以回到正常值。以上数据表明铸铜冷却壁挂渣能力强，能在30 min内形成稳定的渣皮，保证了铸铜冷却壁的正常运行。北京科技大学所做的高温试验结果表明：铸铜冷却壁能够长时间承受的最高热负荷为180 kW/m2，短时间内所能够承受的最高热负荷可达250 kW/m2[4]。研究[5]表明在高炉炉身下部和炉腰处的热流强度峰值约为80 kW/m2，远小于铸铜冷却壁能够承受的热负荷。高温试验结果和杭州钢铁集团公司2号高炉5年来的使用实践都表明铸铜冷却壁在高炉高热负荷区域使用没有问题。

国外也进行过类似的铸铜冷却壁实验。日本长野工业株式会社公司在5号高炉的炉身下部第一次安装了铸铜冷却壁[6]，投入使用了2年后仍具有良好的表现。紧接着在福山2号高炉炉身下部安装了铸铜冷却壁，使2号高炉的使用寿命高达11年。在拆下这些铸铜冷却壁后，经检测未发现裂纹存在，并且物理性能和导热性能还和当初安装的时候一样好，腐蚀速度仅为约0.17mm/年。基于这一实验结果，日本长野工业株式会社公司从1997年开始在下属各高炉上推广使用铸铜冷却壁。所有这些使用实践也表明了铸铜冷却壁具有优良的性能，可以与轧制铜材钻孔冷却壁一样胜任在高炉高热负荷区域的使用，并且能够降低其使用成本。

图1显示了安装在日本长野工业株式会社公司1号高炉上的冷却壁的温度随时间的变化情况。结果表明铸铜冷却壁和轧制铜板材钻孔冷却壁性能差不多，而随着时间变化，铸铁冷却壁的温度出现明显上升并发生较大波动。

图1 冷却壁温度随时间的变化情况

3 埋管式铸铜冷却壁的制造技术

（1）国外生产铸铜冷却壁的制造方法主要有3种：

（a）采用PW专利技术，冷却壁冷却水通道和铜冷却壁壁体采用连铸成型技术。这种方法涉及专利技术转让，并导致制造成本高昂。此外，该法还需要进行焊接工艺操作（焊接进、出水导管及堵头）。

（b）在铸造过程中采用型芯的方法来形成冷却水通道。这种方法导致废品率高，且冷却壁耐水压性能差。

（c）在铸型内下弯制成型的Monel合金管来形成壁体内的冷却水通道。这种方法使用较多，但制造成本高，导热性能与预埋纯铜管相比较差。Monel合金管的熔点高，它与冷却壁壁体之间的熔合性能不如纯铜管优越，这可能导致冷却壁壁体和冷却水通道之间出现气隙，局部气隙的存在会其使导热性能下降。

我公司（绍兴曙光机械有限公司）生产的预埋式铸铜冷却壁冷却水通道由纯铜管制成，在浇注过程中冷却壁壁体与预埋纯铜管熔合性良好，因此导热性能很好。

(2)浇筑过程中应注意的事项

埋纯铜管铸铜冷却壁虽然有许多优点，但是铸造难度大，特别是铜管极易在浇注过程中熔穿而报废。要获得优质铸件，必须妥善解决以下主要技术问题：

（a）保护铜管在浇注过程中不被高温铜水熔穿是获得合格铸件的关键。要保护铜管在浇注过程中不被熔穿，首先要有可靠的护管技术。我公司引入了一种流态粒子管道保护技术，它可以保护管道不被熔穿，并且可以改善冷却水管道和冷却壁壁体之间的熔合性。

（b）提高浇注铜液纯度以及防止熔炼过程中二次污染是提高铜冷却壁导热性能的基础。众所周知，浇注铜液的纯度愈高，冷却壁导热性能愈好。除了加银外，在原材料中加入其它任何元素都会降低铜冷却壁的导电性能和导热性能，所以在铜冷却壁的铸造过程中，最好采用专用熔炉，并用石墨棒搅拌熔液。

(3)埋纯铜管铸铜冷却壁在高炉上的应用

自2004年以来，我公司已经生产了600吨以上高炉用铸铜冷却壁，它们主要用于高炉炉腹、炉腰、炉身下部和铁口等区域。对于具有特殊热表面尺寸的一些铜冷却壁，热表面上的耐火材料采用高压喷涂技术制造。

（a）冷却壁热面呈平面的铸铜冷却壁。应用于杭钢2号高炉和马钢2 500m3高炉，其中杭钢2号高炉的铸铜冷却壁从2004年10月投产使用至今已有近5年时间，马钢2 500 m3

高炉铸铜冷却壁用于高炉的炉腰和炉身下部这两个区域，其外形尺寸约为3 279 mmtimes;1 010 mmtimes;120mm，冷却壁质量约为3472千克（原著中单位为吨，疑为作者笔误），热面燕尾槽采用铸造成型，这些冷却壁自2006年8月投产，示意图如图2所示。

（b）热面呈圆弧形的铸铜冷却壁。其热面无需再铺设耐火砖，而是通过高压喷涂技术喷涂薄炉衬。如南京钢铁有限公司所用高炉，该炉2007年8月投产，其铸铜冷却壁示意图如图3所示。

（c）铁口区用特殊形状铸铜冷却壁。福建钢铁有限公司铁口区用铸铜冷却壁于2006年投入使用，沙钢超大型高炉的铁口区用铸铜冷却壁重量达6031kg，预埋铜管尺寸为phi;80 mmtimes;10 mm，如图4所示。

图2 马钢高炉铸铜冷却壁

图3 南京钢铁有限公司高炉铸铜冷却壁

图4 沙钢超大型高炉铸铜冷却壁

4 结语

(1)高温试验结果表明，埋纯铜管铸铜冷却壁长时间内能够承受的最大热负荷为180 kW/m2，短时间内能够承受的最大热负荷为250 kW/m2，完全能够满足高炉高温负荷区的使用要求。

(2)预埋纯铜管铸铜冷却壁具有高的耐压性且不发生漏水情况，使用安全性和可靠性得到保证，且无需焊接进、出水管和堵头。

(3) 为了使高炉炉衬变薄，采用高压喷涂技术在铸铜冷却壁的热面喷涂耐火材料。在某些情况下，冷却壁需要设计成特殊形状，采用预埋铜管铸铜冷却壁是不错的选择，该冷却壁可实现一次成型。对于高炉铁口区用特殊形状的冷却壁，采用预埋铜管铸铜冷却壁工艺比采用轧制铜板材钻孔冷却壁更加方便合理。

(4)埋纯铜管铸铜冷却壁的生产技术日益成熟，如果采用合适的铸造工艺和有效地管道保护技术，完全可以生产出不含气隙的铸铜冷却壁。自2004以来，我公司已生产铸铜冷却壁600多吨，以及1600多吨铸造类产品，其中最大件重量达6300 千克。实际操作表明，预埋管式铸铜冷却壁不仅价格便宜，而且安全可靠，完全能够满足高炉高温负荷区域的使用要求。

参考文献

略

低压汽轮机叶片失效调查

摘要——本文介绍了210兆瓦火电厂的低压涡轮叶片失效分析。叶片的材料是12％铬钢，回火马氏体组织。微观结构分析以及硬度和拉伸试验没有显示任何的组织和力学性能方面的退化。在钎焊操作不当而形成的钎焊接头中，可观察到物理不连续性。低压汽轮机叶片在服役期间，由于不正确的钎焊操作和腐蚀的影响，会在叶片和拉筋之间的钎焊接头处产生断裂失效。断口的证据表明，裂缝是从叶片上表面，与拉筋界面上各点开始的。在叶片上观察到辉纹和沙点痕迹，表明其上面有高循环荷载作用。从工厂获得的高频数据表明，在操作过程中由于电网频率波动有可能产生过度的振动。因此，共振条件下的振动 ，会促进较早产生的裂纹扩展，这使得过度振动进一步恶化。

关键词：火电厂，涡轮叶片失效，振动，疲劳。

1.简介

汽轮机叶片是电厂的关键组件，它将从压力梯度流下来的高温和高压流体的直线运动

转换成涡轮轴的旋转运动。蒸汽从锅炉进入涡轮，穿过如高压（HP），中压（IP）和低压（LP）区域等不同阶段。统计表明，与高压和中压区涡轮叶片相比，低压涡轮叶片通常更容易断裂失效。许多种机器的损坏都是由低压涡轮叶片失效而引起的。几乎50％的断裂失效是和疲劳、应力腐蚀开裂及腐蚀疲劳相关的。蒸汽的非对称流产生的弯曲应力的波动 引起涡轮叶片振动，结果产生疲劳失效。一旦裂缝开始了，组件就被视为失效，因为裂缝的增长速度很快。即使是疲劳失效也能因腐蚀而积累。蠕变损伤对LP叶片并不重要。据报道，失效是从叶片的许多部位开始的，这些失效26％在护罩，20％在拉筋孔，40％在冀型区域，14％在叶片附件上。因此，在叶片的不同长度上失效的机制也各不相同。

一般，蒸汽轮机的低压涡轮叶片的设计寿命为30年，但是在使用过程中会遇到许多叶片过早失效的情况。一项最近的调查表明，约40%的失效的原因还不能确定。为减少失效的发生，有必要考虑所有的对叶片使用性能有重要作用的因素。因此，有必要了解叶片材料的冶炼过程、叶片的工作应力及工作环境。由于叶片的设计很复杂，所以实际的应力状态也十分复杂。然而，如果在服役期间没有偏离设计的条件，叶片上的应力状态应该不会引起任何关注。作用在叶片上的应力主要来源于叶片离心载荷和振动响应。 通过（a）确保叶片的频率在一个狭窄的范围内从而避免共振（b）限制蒸汽弯曲应力，振动应力通常保持在低的水平。在特定阶段叶片总数被分成一些组。穿过内外拉筋孔的拉筋将每一组的叶片系在一起。在拉筋孔处把叶片和拉筋焊接在一起，每组的刚度能得到维持。在材料方面，将夹杂物和表面缺陷最小化，以减少疲劳破坏的趋势。关于环境方面，注意蒸汽干度，使腐蚀疲劳不发生。

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