不同氧槍噴口結(jié)構(gòu)形式對氧槍壽命的影響

王瑞良 孔艷麗 牛辰

黃河科技學(xué)院 河南省濟(jì)源市 459000

1 氧槍噴頭損傷失效問題

煉鉛爐工作過程中，氧槍噴頭作為重要的供氧設(shè)備，能夠?yàn)闊掋U爐提供充足的氧氣支持，因此，氧槍噴頭在煉鉛爐工作環(huán)節(jié)具有舉足輕重的地位。目前常用的氧槍噴頭多為無氧銅結(jié)構(gòu)，含銅量超過99.5%。氧槍噴頭材料結(jié)構(gòu)的綜合性能一定程度上影響煉鉛爐生產(chǎn)效率，進(jìn)而影響煉鉛爐的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。由此可見，強(qiáng)化氧槍噴頭的服務(wù)壽命是提高煉鉛爐工作效率的關(guān)鍵。在煉鉛爐實(shí)際工作過程中，受外部環(huán)境、零部件損傷等的影響，氧槍噴頭或多或少存在失效行為，如：噴頭粘鉛、粘渣，噴頭端部漏水，噴頭出現(xiàn)形變等，這些都是影響氧槍工作的重要因素，導(dǎo)致氧氣射流不穩(wěn)定，影響吹煉效果。

1.1 氧槍噴頭粘鉛、粘渣

近年來，隨著工業(yè)發(fā)展速度加快，鉛使用頻率增加，一定程度上刺激了煉鉛行業(yè)的發(fā)展，頂吹轉(zhuǎn)爐煉鉛是目前常用的煉鉛方法，是指氧槍吹煉過程中，需要將氧槍伸進(jìn)煉鉛爐中持續(xù)、高強(qiáng)度吹氧，保證氧氣的供應(yīng)，氧槍噴頭在煉鉛爐內(nèi)部與鉛液面近距離接觸，很容易粘鉛、粘渣，大量鉛屑與渣滓粘結(jié)在氧槍噴頭表面，在氧槍表面形成了“結(jié)瘤”（圖1），極大程度上影響了氧槍散熱性能，導(dǎo)致氧槍在高度運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上無法及時(shí)散熱，使其面臨被燒毀的風(fēng)險(xiǎn)。此外，氧槍表面的“結(jié)瘤”還會影響氧槍的正常上升和下降，使其在進(jìn)行上升或下降操作時(shí)破壞氮?dú)夥饪?。更?yán)重者還會導(dǎo)致氧槍無法正常移動，迫使煉鉛爐停止工作，影響生產(chǎn)，降低工作效率。

圖1 氧槍粘鉛、粘渣導(dǎo)致氧槍出現(xiàn)的“結(jié)瘤”

結(jié)合前人的研究經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)得出氧槍粘鉛、粘渣的主要原因有以下幾個(gè)方面：

（1）噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在弊端，主要表現(xiàn)在噴頭導(dǎo)水板設(shè)計(jì)存在不合理現(xiàn)象，導(dǎo)致冷卻水噴出效果降低，當(dāng)氧槍噴頭工作過熱時(shí)，無法及時(shí)進(jìn)行冷卻，冷卻效果大大降低；噴空夾角設(shè)計(jì)不合理，通常表現(xiàn)為夾角設(shè)計(jì)偏小，降低轉(zhuǎn)換路的有效高度，難以把控?zé)掋U過程，加劇噴濺現(xiàn)象。

（2）氧槍噴頭制作原材料質(zhì)量不過關(guān)，在高溫、高壓、高熱應(yīng)力、強(qiáng)腐蝕和熔體流動強(qiáng)摩擦的熔池內(nèi)，導(dǎo)致氧槍噴頭粘鉛、粘渣問題加劇。

（3）煉鉛過程中，氧槍操作人員操作不當(dāng)，主要表現(xiàn)為操作人員無法有效控制氧槍槍位，作業(yè)時(shí)出現(xiàn)濺渣問題無法及時(shí)處理和反應(yīng)，導(dǎo)致鉛水無法盡數(shù)排出，使得剩余鉛水和爐渣在高壓氮?dú)獾淖饔孟嘛w濺到氧槍噴頭表面，從而出現(xiàn)粘鉛、粘渣問題，影響煉鉛效果和煉鉛質(zhì)量。

1.2 氧槍噴頭端部漏水

氧槍噴頭端部漏水問題是氧槍噴頭損傷失效的重要問題之一，由于氧槍噴頭處于較為惡劣的工作環(huán)境下，即便氧槍噴頭本身設(shè)有導(dǎo)水板，有冷卻水作用于氧槍噴頭，一定程度上起到散熱作用，但氧槍噴頭在工作中依舊會收到飛濺的鉛渣及鉛液的沖擊，使得氧槍噴頭表面溫度居高不下，導(dǎo)致噴頭表面晶粒受熱膨脹，一定程度上影響了氧槍噴頭的工作效率。有氧槍外表面高溫沖擊，又承受自身內(nèi)部冷卻降溫的作用，冷熱交替易使氧槍表面出現(xiàn)裂縫，再隨著氧槍工作時(shí)間的增長，表面裂縫越來越多，再加上煉鉛作業(yè)中鉛液等殘?jiān)臎_刷，導(dǎo)致氧槍表面越來越薄，最終引起噴頭端部漏水問題（圖2）。

圖2 氧槍噴頭端部漏水

通過梳理前人研究成果，氧槍端部漏水是損壞氧槍，導(dǎo)致氧槍無法正常工作的重要原因之一，在煉鉛作業(yè)中，一旦出現(xiàn)氧槍端部漏水問題，應(yīng)立即將氧槍移出煉鉛爐，并停止對煉鉛爐內(nèi)的氧氣供應(yīng)，注意這一過程中不可傾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)爐，防治出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象，需注意觀察爐中水的情況，當(dāng)不再有水蒸氣冒出，方可轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)爐，并繼續(xù)觀察爐中情況，這時(shí)可以向爐中拋擲可燃物，如報(bào)紙、碎布料等，如果可燃物進(jìn)入爐中后燃燒，可以判斷爐內(nèi)水已盡數(shù)蒸發(fā)，可以進(jìn)行換槍操作，重新吹煉。

1.3 氧槍噴頭形變

氧槍工作過程中極易出現(xiàn)氧槍變形等問題，一定程度上影響氧槍的使用壽命，前文所述，氧槍在操作過程中會出現(xiàn)粘鉛、粘渣以及氧槍端部漏水等問題，歸根結(jié)底還是因?yàn)檠鯓屪冃嗡?。氧槍噴頭變形會影響氧氣噴射的穩(wěn)定性和均勻度，降低氧氣氣流的沖擊能力，沖擊深度變淺，導(dǎo)致煉鉛爐內(nèi)部爐渣泡沫化嚴(yán)重，加劇了爐內(nèi)鉛渣、鉛液的噴射，使氧槍噴頭粘附性更強(qiáng)。

總體來看，氧槍噴頭之所以會出現(xiàn)形變，主要原因在于煉鉛爐內(nèi)部溫度過高，內(nèi)部鉛液、鉛渣噴濺，附著在氧槍噴頭表面，高溫加速氧槍噴頭表面附著物的膨脹，導(dǎo)致氧槍噴頭變形。

2 氧槍噴頭壽命預(yù)測

氧槍噴頭作為煉鉛過程中的重要設(shè)備之一，是一種高溫受熱構(gòu)建，氧槍噴頭受熱會使氧槍長期處于高溫工作狀態(tài)，不利于氧槍使用壽命的延長，基于此，以下將結(jié)合有限元模型，分別對鍛造氧槍噴頭和鑄造氧槍噴頭結(jié)構(gòu)形式疲勞壽命進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，最終得出鍛造氧槍和鑄造氧槍結(jié)構(gòu)的熱疲勞損傷云圖和各個(gè)節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命。

本部分對于氧槍噴頭進(jìn)行熱疲勞分析主要采用Thermo-mecnanical Fatigue（TMF）模塊，結(jié)合疲勞分析五框圖進(jìn)行詳細(xì)的疲勞分析。從圖中可以看出，在對實(shí)驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)行疲勞分析時(shí)，首先需要獲取三項(xiàng)信息，意識構(gòu)件工作過程中所受的循環(huán)荷載；二是構(gòu)件的有限元分析結(jié)構(gòu)模型；三是構(gòu)件疲勞性能參數(shù)。依據(jù)以上三項(xiàng)信息可以搭建分析模型，設(shè)置相應(yīng)疲勞度參數(shù)，便于后續(xù)計(jì)算和處理。

2.1 熱疲勞仿真分析參數(shù)設(shè)置過程

2.1.1 材料Δε-N曲線的建立

材料應(yīng)變與壽命之間的關(guān)系可以通過Δε-N曲線描述，可采用Manson-Coffin公式預(yù)測氧槍噴頭疲勞壽命。

本文所研究的氧槍噴頭材料主要以無氧銅材料為主，但由于噴頭結(jié)構(gòu)構(gòu)成形式不同，分別以鍛造形式和鑄造形式為例展開研究，結(jié)合不同結(jié)構(gòu)形式的氧槍噴頭材料性能參數(shù)（表1），展開仿真實(shí)驗(yàn)，借助nCode Designlife軟件中關(guān)于材料E-N曲線關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)數(shù)值計(jì)算的關(guān)系式，得到鍛造氧槍噴頭和鑄造氧槍噴頭兩種不同結(jié)構(gòu)形式的E-N曲線圖，如圖3、圖4所示。

圖3 鍛造無氧銅材料的E-N曲線

圖4 鑄造無氧銅材料的E-N曲線

式（2）～式（7）是生成材料E-N曲線的關(guān)系式：

其中，UTS表示抗拉強(qiáng)度極限；S為疲勞強(qiáng)度因子的表示；E為疲勞延展性系數(shù)表示；n′主要表示氧槍噴頭工作狀態(tài)中循環(huán)應(yīng)變的加強(qiáng)系數(shù)；b、c主要是指疲勞強(qiáng)度指數(shù)和疲勞延性指數(shù)。

將表1的數(shù)據(jù)代入上述公式中，可得出相應(yīng)結(jié)果，并生成E-N曲線。

表1 材料性能

2.1.2 氧槍噴頭熱疲勞分析結(jié)果

2.1.2 .1 鍛造氧槍噴頭熱疲勞壽命分析

結(jié)合鍛造氧槍噴頭熱疲勞損傷云圖（圖5）可以看出，在29355節(jié)點(diǎn)位置，氧槍噴頭首次發(fā)生疲勞反應(yīng)，出現(xiàn)疲勞損傷，第一次出現(xiàn)疲勞時(shí)，繼續(xù)讓氧槍處于工作狀態(tài)，繼續(xù)觀察，這時(shí)發(fā)現(xiàn)，鍛造結(jié)構(gòu)氧槍經(jīng)過持續(xù)性的工作后，其疲勞損傷程度有所提高，甚至氧槍噴頭開始出現(xiàn)不可逆的損壞。

圖5 鍛造氧槍噴頭熱疲勞損傷云圖

從圖中，我們還能得出鍛造氧槍噴頭最小壽命出現(xiàn)的位置節(jié)點(diǎn)，為29355節(jié)點(diǎn)位置，最小壽命為338.8次，該位置與最早發(fā)生疲勞損傷的位置相同，由此可見，氧槍在實(shí)際作業(yè)中，在該位置也容易發(fā)生疲勞損壞，研究中還發(fā)現(xiàn)，疲勞壽命與疲勞損傷之間存在一定的關(guān)系式。

氧槍噴頭的最小壽命與經(jīng)過不斷循環(huán)作業(yè)的荷載作用有關(guān)，煉鉛過程整個(gè)循環(huán)時(shí)間為1800s，因此，可以將疲勞壽命的換算時(shí)間看做：Timee=Life×單次循環(huán)所用時(shí)長=338.8×1800s=764100s=169.4h。最終得出鍛造氧槍噴頭的破壞點(diǎn)信息。

2.1.2 .2 鑄造氧槍噴頭熱疲勞壽命分析

結(jié)合鑄造氧槍噴頭熱疲勞損傷云圖（圖6）可以看出，在29355節(jié)點(diǎn)位置，氧槍噴頭首次發(fā)生疲勞反應(yīng)，出現(xiàn)疲勞損傷，但該結(jié)構(gòu)形式的損傷程度高于鍛造氧槍噴頭的熱疲勞損傷程度，第一次出現(xiàn)疲勞時(shí)，繼續(xù)讓氧槍處于工作狀態(tài)，繼續(xù)觀察，這時(shí)發(fā)現(xiàn)，鍛造結(jié)構(gòu)氧槍經(jīng)過持續(xù)性的工作后，其疲勞損傷程度有所提高，甚至氧槍噴頭開始出現(xiàn)不可逆的損壞。

圖6 鑄造氧槍噴頭疲勞損傷云圖

與鍛造氧槍噴頭熱疲勞損傷形式相仿，在29355節(jié)點(diǎn)位置處也出現(xiàn)了最小壽命值，為177.6次，按照氧槍噴頭疲勞壽命時(shí)間換算公式得出：Time=Life×單次循環(huán)所用時(shí)長=177.6×1800s=319680s=88.8h。最終得出節(jié)點(diǎn)鑄造氧槍噴頭的破壞點(diǎn)信息。

通過對比鍛造結(jié)構(gòu)的氧槍噴頭和鑄造結(jié)構(gòu)的氧槍噴頭，發(fā)現(xiàn)二者最早出現(xiàn)熱疲勞損傷的位置相同，最小壽命出現(xiàn)的位置點(diǎn)也相同，但受結(jié)構(gòu)形式的影響，二者壽命損傷程度不同，由圖10（a）可以看出，鍛造氧槍噴頭與鑄造氧槍噴頭疲勞損傷變化趨勢基本一致，但從損傷量角度來看，鑄造氧槍噴頭損傷量更高，壽命更短。由圖7（b）可以看出，在1號節(jié)點(diǎn)位置，鍛造氧槍噴頭與鑄造氧槍噴頭壽命損傷差值不大，但在2號節(jié)點(diǎn)之后，二者開始拉開差距，疲勞壽命損傷程度開始攀升，總體來看，鍛造氧槍噴頭壽命整體高于鑄造氧槍噴頭壽命。

圖7 鍛/鑄氧槍噴頭熱疲勞結(jié)果對比

3 結(jié)語

本文以煉鉛爐為背景，以鑄造氧槍噴頭和鍛造氧槍噴頭為主要研究對象，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，最終得出如下結(jié)論：相同金屬材料，不同結(jié)構(gòu)形式的氧槍噴頭壽命存在差異，從整體壽命來看，鍛造氧槍噴頭結(jié)構(gòu)形式較鑄造氧槍噴頭抗熱疲勞能力更強(qiáng)，壽命更長。