原创《高炉铜冷却壁磨损和氢脆关系》：这篇氢脆论文范文为免费优秀学术论文范文,可用于相关写作参考。
摘 要：通过分析氢脆条件如无氧铜TU2氧含量（0.003%）、反应温度（200℃）和氢浓度（5%以上）,在耐材完好或渣皮稳固时,不易发生氢脆.但耐材和渣皮脱落,会导致铜冷却壁温度急剧升高达到“氢脆”临界温度,长期处于4%-8%氢气氛中,且2-5个大气压力.高温下,无氧铜强度和硬度急剧降低易造成明显磨损,氢脆会恶化加剧该趋势,对喷煤量大或喷吹天然气高炉要高度重视“氢脆”问题.除“氢脆”外,过度压制边缘,无液态渣铁形成,固态物料也可能造成铜冷却壁严重磨损.
关键词：铜冷却壁；磨损；氢脆；无氧铜
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.260
铜冷却壁分为轧制铜冷却壁和铸铜冷却壁,本文只讨论轧制铜冷却壁.1999年12月首钢2高炉炉腰（B2段）进行工业性试验,安装2块铜冷却壁,试验取得初步成功[1].2001年10月中冶赛迪设计的本钢5高炉投产,这是在国内高炉设计中率先正式采用铜冷却壁实现薄壁高炉,该铜冷却壁为芬兰Outokumpu Group供货,采用连铸铜坯铸孔后焊接铜管.铜冷却壁大面积使用目前在中国使用尚不足16年,本钢5高炉铜冷却壁在使用11年后的2012年已全部更换,但该高炉至今仍未进行过大修,炉缸运行良好.因此,目前铜冷却壁尚未达到一代炉役,尚未实现采用铜冷却壁替换铸铁冷却壁的初衷.对铜冷却壁破损机理的认识在逐渐深入中,这些认识将有助于今后铜冷却壁的设计、制造、安装和使用.
1 氢氧定量分析和测定
近年来不少高炉出现铜冷却壁异常破损,尤其是异常磨损,铜冷却壁的“氢脆”问题被广大炼铁工作者提出,为此,有大量相关报道和分析文章.
鞍钢3高炉破损调查并于2014年发表数篇文章,利用RH600氢分析仪测定氢元素含量从0.0001%增加到0.0042%,利用TC600氮氧分析仪测定氧元素含量从不超过0.003%增加到0.0038%,据此认为铜冷却壁在服役过程中,杂质元素尤其是氢向铜冷却壁基体渗透,并认为氢含量过高导致Cu2O在晶界破裂产生氢脆,利用SEM扫描电镜中EDS能谱分析测定裂纹处杂质氧含量,渣铁相进入裂纹[2-4].
2 铜冷却壁材质的选择
正因可能存在“氢脆”风险,国内主要设计单位和铜冷却壁制造商均要求铜冷却壁本体氧含量不超过0.003%,以尽量降低“氢脆”风险.最新GB/T31048-2014《铜冷却壁》关于铜冷却壁成分中氧含量亦是不超过0.003%,该氧含量与GB/T5231-2012《加工铜及铜合金化学成分和产品形状规定》,中无氧铜TU2一致.铜冷却壁材质无氧铜TU2,一般认为无氧铜中氧和杂质的含量极低,无“氢脆”或极少“氢脆”,特别适合应用于可能产生氢脆的领域[5].
当氧含量低于0.001%时,认为不会发生氢脆导致的晶界裂纹[10],因此,与无氧铜TU2相比,无氧铜TU00～TU1更不易产生“氢脆”,从理论上分析“氢脆”可能性来看,相对更为安全.但TU00～TU1因杂质含量少,强度和硬度偏低,适合于做电线等导体,对需要兼顾传热和机械性能的铜冷却壁并非最合适选择,同时,投资较高也制约了大规模应用到钢铁冶金领域.
3 TU2无氧铜中氧含量和存在形式
图1和图2为Cu-O相图,从Cu-O相图中不难发现,氧元素在铜基体α相中固溶度極低,随着温度降低α相中氧固溶度进一步降低,几乎可以认为是不固溶的,氧元素在铜基体中主要以Cu2O和CuO等化合物形式存在.一般情况下,固溶物主要在晶粒内部,而化合物主要集中在晶粒的晶界处富集.在氧元素含量不高,如氧原子百分比远低于0.03%情况下,氧元素在铜基体中主要以Cu2O化合物的形式存在,分布在晶粒晶界处.
4 Cu2O被氢还原温度
Cu2O（s）+H2（g）等于2Cu（s）+H2O（g）
文献通常认为,在800℃以上高温,上述反应容易发生[2-4],有文献认为在370℃该反应即可发生[6].其他文献表示,在400℃下,超过70h,可以发生氢脆,在200℃下,超过1.5年可以发生氢脆,在150℃下,超过10年不发生氢脆[13].从反应温度角度来看,对于高炉炉况长达数年乃至十几年的使用,150℃以下是绝对安全的,而200℃可以作为一个临界安全的参考温度.
从图3和图4所示,在煤气温度1400℃,铜冷却壁水速2m/s,水温40℃前提下,铜冷却壁热面形成37mm厚渣皮后,铜冷却壁温度显著降低至150℃以下.铜冷却壁表面形成渣皮后,渣皮一方面减少氢与Cu2O接触,另一方面降低温度,使Cu2O和H2之间应该不会明显发生化学反应.然而高炉不是静态的,而是随时在动态变化的,炉内煤气流随时在变化,铜冷却壁热面的渣皮也是生成、脱落然后再生成再脱落,周而复始.
从图5和图6所示,在煤气温度1400℃,铜冷却壁水速2m/s,水温40℃前提下,铜冷却壁热面无渣皮或渣皮脱落,铜冷却壁燕尾槽最高温度升至280℃.铜冷却壁表面无渣皮保护后,氢将与Cu2O接触,同时,温度也超过200℃,使Cu2O和H2之间可能发生化学反应.
5 Cu2O被还原氢浓度
无氧铜热加工温度一般为750～875℃,退火温度一般为375～650℃[5],去应力退火最低为250℃[7].铜冷却壁采用的TU2无氧铜,对于其力学性能一般要求,抗拉强度σb≥200MPa,屈服强度σs≥40MPa,延伸率δ10≥40%,布氏硬度HB≥40[8].对比GB/T2040-2008《铜及铜合金板材》,应该是TU2无氧铜热轧制或锻压后退火态（M态）,再結晶退火温度应在500～650℃[7].铜材加工企业生产铜冷却壁,应该是采用再结晶退火,整个过程是需要保护气氛以防止氢脆.一般是采用纯氮气氛或低氢气氛（N2+H2混合气氛,H2体积低于5%）作为保护性气体[8].
氢脆论文参考资料：
结论：高炉铜冷却壁磨损和氢脆关系为关于氢脆方面的论文题目、论文提纲、氢脆论文开题报告、文献综述、参考文献的相关大学硕士和本科毕业论文。
