高炉风口延寿及表面处理技术现状
中国兵器科学研究院宁波分院 马冰
一、概述
近年来，随着高炉冶炼强度的不断提高和高炉喷煤技术的普遍应用，使得高炉风口前端熔蚀和内壁磨损加剧，缩短了风口的使用寿命，严重影响了高炉炼铁生产效率和产量、炼铁质量及生产成本。同时也增加了工人的劳动强度。为解决这一关键技术问题，近年来国内一些钢铁企业的大型高炉，纷纷采用由日本引进的贯流式、偏心式紫铜风口，风口寿命有所提高。但是风口工作条件过于严酷，如风口前沿焦炭燃烧产生1800-2200℃的高温；熔渣与铁水滴连续冲蚀和高温氧化、高速回旋的炽热炉料的冲刷磨损；风口内外壁温差应力及急冷急热导致的热疲劳等原因，特别是高炉冶炼矿质较差的铁矿时，渣的熔点较低，粘度小，流动性好，在风口表面难以形成较厚的固态渣皮，造成高温铁流直接高速冲刷风口壁而使风口严重损，其中95%以上是铁水熔损及高速煤浆的冲刷磨损。
我国有数百座高炉，因频繁更换风口休风导致每年少产上百万吨生铁，减少产值近十亿元。因此，提高高炉风口的使用寿命迫在眉睫。 二、提高高炉风口使用寿命的研究现状
如何提高高炉的使用寿命，受到很多科学工作者的重视。到目前为止，提高高炉风口使用寿命的途径主要有改进高炉风口结构、开发新型高炉风口、提高铸造和焊接质量、采用表面处理工艺等。 1）改进高炉风口结构---提高冷却强度
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------喷流式高炉风口：在现有空腔式风口的基础上，在空腔体内增加一套冷却装臵，使热交换主要在风口前端进行，用不同口径的锥形喷嘴和冷却水量，使高炉易损位臵得到强化冷却。其结构合理，冷却效果好，减少了高炉风口熔损。
------高压贯流式风口：日本研究工作者发明的组合式纯铜风口。本体为铸造，端部为金属型铸造或冲压方法获得，然后加工组合焊接。其螺旋道水的流速可达4～15m/s，最高可达20m/s。它具有压降小、水速高、水流畅和流速分部合理等特点，保证了最高热负荷区域具有最高的水流速，其寿命得到大幅度提高。据报道．湘钢使用贯流式风口的最长寿命达220 天，杭钢使用该种风口的平均寿命达225天，是空腔式风口的l2.75倍。
------偏心高速风口：风口有一个调节水道的偏心内套，经偏心高速冷却和表面处理的复合作用，风口耐热性和耐磨性有了显著的改善。同平均寿命接近150天的常规风口相比．偏心风口的寿命已超过1000 天。每百万吨铁水的风口平均烧损从常规风口的25个降低到新型长寿风口的0.3个。
2）提高铸造和焊接质量
减少贯流式风口前端帽头的铸造组织中的疏松、针气孔、缩孔等宏观、显微缺陷，提高其导热性能和机械性能。
近年来，国内某些单位先后采取了一些新的铸造和焊接工艺，均取得了较好的效果。如真空电子束焊接等。贯流风口的真空电子束焊接工艺在真空内自动进行，焊缝金属不受污染，束流密度高，焊接熔
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池小，焊缝金属的晶粒细小，所以焊接接头的机械性能好。采用电子束焊新工艺制造的贯流风口在包钢全面推广使用后，这种风口在富氧喷煤强化冶炼，降低休风率，增铁节焦，节省风口铜材消耗，减少风口大套二套破损，维护炉体寿命等方面比高压水螺旋铜管风口优越。 3）开发新型高炉风口
------新型爆炸复合风口：即在风口前端部的铜基体，通过爆炸复合了一层耐高温材料，提高了风口的抗高温氧化性及抗磨损能力。大幅度提高了风口的使用寿命。 4）采用表面处理工艺
风口的破损绝大多数是从表面开始的。因此．增加该处耐高温熔蚀和抗磨刷能力，对提高高炉风口寿命往往起到事半功倍的效果。近年来常用的风口表面处理工艺有：堆焊耐磨合金、爆炸焊接、热喷涂陶瓷材料、自蔓延高温合成法、表面多元共渗处理等。
--------堆焊耐磨合金：利用火焰、电弧、等离子弧等热源将堆焊材料熔化，在工件表面堆覆成耐磨、耐蚀、耐热涂层的工艺方法。例如：在贯流式风口的前端部堆焊镍基耐磨材料，堆焊层硬度HRC高达53～56，故其抗磨性能较纯铜大为提高，其寿命一般可达一年以上。苏联和日本在堆焊方面均有不错的进展。
--------喷涂陶瓷材料：在风口端部内外表面等离子喷涂高温耐磨涂层。我国的等离子喷涂风口在本钢、鄂城钢铁厂、梅山冶金公司、上钢一厂、合肥钢铁公司等高炉相继获得应用，其寿命皆有不同程度的提高。但等离子喷涂镀层会因与基体线膨胀系数相差大而结合不良受
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热剥落．且直接喷涂到铜基体上，很容易形成龟裂。
-------自蔓延高温合成法：自蔓延高温合成法(SHS)是近几年发展起来的一种制备各种新材料的方法。采用这种方法制得的表面强化耐热涂层，可提高高炉风口的使用寿命。
-------多元共渗处理：将工件臵于含有多元渗入元素的活性介质中加热到一定温度，使活性介质通过分解(包括活性组分向工件表面扩散以及界面反应产物向介质内部扩散)并释放出欲渗入元素的活性原子、活性原子被表面吸附并溶入表面、溶入表面的原子向金属表面层扩散渗入形成一定厚度的扩散层和多种氧化物组成的高温氧化膜，从而提高风口表面的抗高温氧化烧蚀、抗磨损性能及风口使用寿命。日本住友金属公司及我国的包钢、本钢等均已采用多元共渗风口，风口的寿命提高了2倍以上。目前，比较常用的多元共渗合金体系包括Cu-A1-Fe-Mo系、Cu-A1-Fe-W 系、Cu-A1-Fe-Ni等。 三、多元金属共渗风口的研制和应用情况 1）风口表面共渗层结构及合金体系
在高炉风口破坏机理分析研究的基础上，中国兵器科学研究院宁波分院开展了纯铜风口多元金属共渗表面技术研究，开发了Cu-A1-Fe-Ni，Cu-A1-Fe-Cr-Ni等四元和五元合金系共渗层，同时还试验研究了所用金属及合金粉末与防粘接粉末、催渗剂之间的合适配比关系及渗涂热处理工艺。最后制备的渗涂层厚度为2.5-3.0mm，渗涂层结构如下图所示。
经多元金属共渗后的渗涂层分成两层，第一层由高熔点金属氧化
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物、难熔金属元素等渗透烧结而成，如Al2O3、ZrO2和W、Mo或其化合物等，性质近似金属陶瓷的坚硬烧结覆盖层。该层不仅具有抗高温炉料的磨损能力，而且又难于与熔铁发生反应而熔损。第二层即是与铜基体结合为一体的扩散渗透层，主要组成为铁铝、铜铝、镍铝中间化合物或析出相，该渗层具有抗铁流冲刷和烧蚀的作用。
2）在包钢炼铁高炉上的应用情况
在多元金属共渗高炉风口研制期间，针对包钢使用的贯流式紫铜
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