高炉炉顶无料钟加料设备溜槽衬板材料设计及热处理工艺探讨

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1　前言
高炉无钟炉顶装料设备因布料均匀、体积小、重量轻，并可以调整布料溜槽倾角，改变布料半径位置，维修方便，维修时间较短等优点已成为现代高炉的发展方向。这种设备上的一些关键备件大多数长期处在高温、冲击、磨料磨损条件工作，备件的耐用性、经济性已成为限制生产发展的重要因素，尤其是溜槽衬板使用条件最为恶劣，反映尤为突出。已经成为相关院校、科研院所、企业的研究课题。
6 L) V7 y: Y# P) U2　溜槽衬板的工况条件及力学性能要求
2.1炉料的组成：(表一)


- e0 e# L$ w: Q8 p+ j- V2.2工作过程
炉顶料罐中的炉料通过定期打开的下密封阀，直接冲落到溜槽衬板上，落料高度2.5米左右，整个溜槽在高炉中不停的旋转和改变倾角，炉料顺溜槽滑向炉内。
2.3工作温度及过料量
6 u+ b- K, }) ~# H: q: \& L+ K溜槽正常工作温度是200℃～320℃，异常热冲击时可以达到500℃～700℃。日过料量3000吨～5000吨。(380～500m3高炉)
) N% s2 E8 P2 F- S! I2.4衬板结构及失效形式
* w( g3 n2 g" E0 e3 P溜槽衬板由三段R340，长570，厚40-90，筋棱结构的圆弧槽组成。(见图1)工作时受料部位在中间一段。使用后在中间段的底部受冲击磨损形成一个“锅底”型凹坑，直至将“锅底”包括溜槽衬体在内一起磨穿，形成洞口而率先失效。
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综合以上工况，依据磨料磨损“是由于硬粒或突出物作用使材料迁移导致的磨损”和“凿削磨料磨损系指高应力和伴随着冲击作用下的严重磨损。溜槽衬板使用工况条件属于一定温度下的凿削式磨料磨损和磨料滑动磨损。要求材料具有抗中温冲击磨损的性能。
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硬度是影响磨损的重要因素。首先要求溜槽衬板具有较高的硬度。一般情况下抗磨件的硬度设计要高于磨料硬度的0.8倍以上。在所输送的矿料中硬度较高的是块矿石。依据资料数据铁矿石的硬度是766HV～1096HV推算，溜槽衬板的宏观硬度应该是58HRC以上。同时要求材料具有高的淬透性。由于衬板工作时会受到矿料的冲击，韧性不足，局部就会因脆性剥落而导致磨损异常。所以必须具有一定的冲击性和断裂韧性。ak值应该达8J/cm2以上，KIC值应该在25Mpa.m1/2以上。考虑衬板在一定的温度场下工作，要求材料还应该具有一定的抗氧化性及较好的抗中温回火软化能力。
6 {2 G5 ]0 K+ C5 w3　国内外溜槽衬板的使用情况
9 Y& R/ C& H# C4 C我国第一座无料钟炉顶设备的布料溜槽是在ZGCr9Si2的基体上堆焊8mm厚高铬硬质合金。用这种堆焊耐磨合金制做溜槽的方法至今仍有沿用，但此种方法的工艺、技术性要求较高，成本高。堆焊得不好就出现软硬不均，网状龟裂等缺陷，使用中出现早期剥落而提前失效。曾有厂家用耐高温的CrNi钢本体安装多层耐磨钢板的办法，此方法不耐用，而且检修更换相当麻烦。也有人试用过高Mn钢衬板和球墨铸铁衬板，寿命均在三个月左右，过料量约在30万吨左右，成本较低但是寿命较短。现在部分厂家采用国外技术，使用镶焊、镶铸硬质合金的方法，使用寿命约两年，但是因为制造工艺复杂，生产技术难度大，成本高达十几万元一吨，使使用受到了限制。有的厂家在溜槽衬板上采用过CrV白口铸铁，寿命4～6个月，过料能力35万吨左右，并未体现出昂贵的V铁合金所付出的高额代价。高铬铸铁有良好的高温强度和硬度，也能抗高温氧化，特别是在SO2气氛中的抗氧化能力，因此适用于各种炉件。也有厂家应用了高铬铸铁材质，成分配方和工艺各不相同，但是寿命超过半年的不多，过料能力最多只达到50万吨左右。因此需要在成分组成及工艺上进行优化设计。
4　溜槽衬板材质设计探讨
4.1设计原则与方法
/ g( C0 K) P- k4 c. l耐磨材料的选择方法：“技术分析+经验+失效分析”。选择抗磨铸铁材料不仅要依据其成分、组织、性能等特点，同时要考虑其价格因素，以真正达到节材降耗的目的。任何耐磨材料的最终定位是性能价格比，忽视这一规律，后果将十分严重。
4.2材质的选择

  N7 Y3 q; e* k8 }& J耐磨材料发展沿着提高金属基体硬度与提高碳化物硬度和增加碳化物体积分数方向不断探索。上世纪中期出现的高铬铸铁中，M7C3型碳化物硬度高(HV1300～1800)，呈杆状、块状分布在马氏体基体上，对于基体的割裂作用小(如图2)。使工件在具有优良耐磨性的同时，还具有足够的韧性，不至于在使用过程中断裂。(由图3)可以看出M7C3碳化物温度升高时硬度下降少。高温下的磨料磨损，只能选用M7C3型碳化物的高铬铸铁。Cr26高铬铸铁由于具有大量的M7C3碳化物而具有优异的抗磨性，又有良好的耐热耐蚀性，既用于磨料磨损的：工：况又用于高温磨损及湿态腐蚀工况磨损。因而选用Cr26型高铬铸铁。其成分、金相组织及应用特性见表二。
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. H3 v( p; O( x) h因国家标准成分范围较宽，针对溜槽衬板的工况条件，各成分要进行具体选择。
+ k- G: ^5 b! N: ?" W: v4.3溜槽衬板材料成分选择
# ~) X2 B# R) e1 h) J& h# t, C(1)Cr/C比及碳化物含量
高铬铸铁中Cr/C＞5时既能获得大部分M7C3碳化物。按溜槽衬板受冲击的情况，含碳量不应太高，但是考虑到其失效形式主要是冲击磨损，含碳量也不能太低，因为有实验资料表明碳化物含量在25～30％时耐磨性最好，所以含碳量应保证衬有25％以上的碳化物含量，以保证其耐磨性。当碳化物含量达到35％以上时，材料韧性显著下降，因而不能超过32％。碳化物含量可参照k％＝11.3×(C％)+0.5×(Cr％)－13.4来测算。
从韧性的角度来讲，在碳化物含量20～25％时Cr/C=7.5时，断裂韧性KIC值最高。(见图4)从生产实际情况分析，Cr/C=8左右时，冲击值较高，数值为9以上时稍低，到11时则冲击值反而偏低。另外过高的Cr/C比使M26C7型碳化物增多，由于该碳化物显微硬度低(1140HV)，反而使耐磨性下降。所以碳、铬含量按Cr/C=7～8选择。
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(2)淬透性和淬硬性。
因溜槽衬板属于厚大工件，所以要有很好的淬透性，以保证耐磨性。高铬铸铁件淬火大多采用空冷。实践表明，无其它合金元素时，空冷的淬透性有限，空淬最大直径约20mm。为提高淬透性，必须加其它合金元素Mo、Ni、Cu、Mn等。这些元素有扩大γ区的作用，降低临界冷却速度，大大提高了大型件的空淬特性。在促进淬透性的作用上1％Mo=11.6倍Mn，Cu只有Mn的30％。Mo增加淬透性的作用最为显著。还可形成高硬度的Mo碳化物和细化组织，二者都可使耐磨性提高。Mo也有利于提高抗回火软化能力。但是Mo铁合金价格较贵，各元素的联合加入可以降低Mo含量，从而降低成本，而且增加淬透性的效果显著。Mo+Cu提高淬透性的作用更大。有资料推荐 Mo、Cu  加入量的计算公式：Cu＝1.30logd－0.21(Cr/C)-0.42(％)；Mo＝2.591logd-0.41(Cr/C)-0.83(％)。(式中d为工件厚度)根据溜槽衬板厚度测算Mo量可在1.0％～2.0％，Cu量在0.5％～1.0％。Ni提高淬透性的效果和Mo相当，Ni、Mo联合使用效果更好，但是Ni降低Ms点的作用比Mo大，所以Ni量可以控制在0.5％～1.0％范围内。为控制铸件的残余奥氏体总量，Ni和Cu的总量不宜超过1.5％。
* H/ x, L& z& [. N, k8 N7 pMn虽提高淬透性，但是降低Ms点，增加残余奥氏体量，使淬硬性下降，所以应该控制在1.0％以下。由于si降低铸件的淬透性，含量高还会导致韧性下降和剥落现象，所以也控制在1.0％以下。
" w" A2 G, }* b, h. {- @为提高衬板的淬硬性和高温稳定性，除以上各元素外，还可以有选择的加入适量的W、V、Ti、Nb等元素。
* g: o4 @, l( C5　热处理工艺
5.1淬火温度的确定
衬板良好的耐磨性要经过淬火处理才能得到。而淬火处理加热温度的选择是至关重要的。参照，淬火温度和硬度的关系，淬火温度为1050℃左右较好。
5.2升温速度、保温时间和淬火方法
; b6 t6 f6 j, r& K/ s- W: q$ `4 P$ N由于高铬铸铁导热性能较差，升温速度应该适当控制。600℃以下时，以50℃/h升温，700℃以上时，升温速度≤50℃/h。为保证加热时组织转变均匀，保温时间确定为3～4小时。冷却采用轴流风机冲溜槽衬板凹槽吹风，以增加空淬效果。需要注意的是溜槽衬板为半圆弧形结构，为防止淬火变形，热处理过程中，两道铸造工艺筋不要切断，待处理完成后再切除。
8 e8 U" Z  d2 K2 l5.3回火
+ `; r5 `1 u# |, ~. y3 [/ k衬板空淬后要尽快回火。由图6可知，400℃以下回火硬度没有变化。由图7可知，从消除内应力提高韧性的角度考虑，回火温度应该不低于400℃。因此回火温度定在400℃，保温时间在3～4小时。

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4 @3 u/ V+ i) G8 z不论选择何种配方的材质，一个不容忽视的问题是铸造质量。有研究者断定，铸造质量的好坏将影响耐磨件耐磨寿命的30％。这里除铸造方面的具体工艺和技术外，有几个需要注意的具体问题。首先，要把好炉料质量关，严格控制其S、P等杂质元素不超标，否则会影响工件冲击值。浇注温度尽可能的低一些，一般在1345℃～1400℃，以便获得细晶粒组织。在铸件生产过程中一定要进行变质处理，而且要使用高效变质剂来细化组织，否则ak≥8 J/cm2的韧性指标很难达到。溜槽衬板防止铸造变形需要加两道工艺筋。浇注时要凹口朝上，浇冒口置侧沿部。不能凹口朝下，浇冒口在底部浇注，以防止底部缺陷造成的不耐磨。
6　材料及工艺研讨
( ?1 O$ F; M6 n“没有万能的耐磨材料，但可以研制出(或选用)符合不同工况需求的优质耐磨材料系列。”己成为耐磨材料界的共识。根据溜槽衬板使用工况所设计的成分组合及工艺选择，使其使用达到了比较理想的效果，过料量在50万吨以上到100万吨。高炉一个休风检修期一般为三个月，这样既保证了使用几个休风期又能达到同步检修的目的，使其保持了较高的性能价格比。以后将根据用户反馈的信息，不断调整成分配比和工艺，使其寿命进一步提高。同时也会不断学习新技术新经验，采用更好的、寿命长、成本低的材料和工艺生产溜槽衬板。
6 v1 `' \6 [8 P; Q! k从生产检测的结果分析，在冲击韧性较高区域Cr/C=7.2～8.2的占80％，Cr/C=9的占20％；在冲击韧性值较低的区域，Cr/C=8.5的占20％，Cr/C=9～10的占40％，Cr/C=11～12的占40％，已初步显示Cr/C=7～8的冲击韧性值较高，Cr／C≥11的冲击韧性值较低，其规律性需要进一步验证。有人提出不用加Mo，因为Mo使30％铬的高铬铸铁共晶组织粗大，力学性能降低。也有人提出含17％铬的高铬铸铁耐磨性较好，再多加铬作用不大等问题需要进一步讨论。耐磨铸铁热处理时，用较高温度淬火，要用较高温度回火；较低温度淬火、要用较低温度回火有利于耐磨性的工艺特征也有待进一步验证。依据现时价格与使用时间来概算性价比(如表三)。所设计的Cr26材质显示出较高的性价比。不同工况条件，高铬铸铁的材质不同，要充分考虑寿命与成本的相互关系，以最合理的材质，最低的成本取得最好的使用效果。
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