1. 概述
风口小套是保证高炉正常生产的关健设备之一,由于它处于高温工作区又易受到物料的磨损和冶炼产物-渣、铁的侵蚀,导致风口小套寿命缩短。风口小套破损除使高炉休风率上升造成损失极大外,还给高炉操作带来很多困难。目前国内风口套平均寿命不到2000h,国外风口小套使用寿命超过6000h，超过国内3倍以上。提高风口小套寿命是炼铁厂和风口小套生产厂家十分关注的问题。
我国目前有500座以上生产用高炉,因风口的频繁更换和休风,导致每年钢铁产量减少上百万吨,损失生产产值数亿元。因此,延长风口小套的使用寿命,有利于高炉的稳定生产，降低休风带来的产能损失，提高炉况稳定能力，同时能够降低维护成本，提高钢铁企业的竞争能力。
2. 风口小套种类
目前市场常见的风口型式为:空腔式、双室式、贯流式(及衍化成的偏心旋流式)、整体铸造盲孔螺旋式、焊管螺旋式。
前两种为适合低压水源的风口型式,而空腔式由于水速太低((0.5 m/s),抗烧损能力太差而逐渐被淘汰,双室风口虽然有所提高,在0.3MPa水压下,风口前端水流速只能达到2.2 m/s,因而其抗烧损能力仍然不能令人十分满意。
贯流式和后几种风口型式全部为适合高压水源的风口型式,一般水压要求大于0.8MPa,并且其加工工艺复杂,技术装备投资高,因而生产成本很高,尽管在1MPa水压下,水流速可达12 m/s,抗烧损能力很强,几乎不再发生熔洞性破坏,而以磨损和水垢造成的热振疲劳裂纹为主要损坏形式。
3. 风口小套破损原因
在高炉生产中，风口小套是高炉进风系统中的重要设备，并且兼有保护炉墙的作用。风口小套的工作环境极其恶劣，内壁承受1000以上的风温与高速煤粉的冲刷;前端伸入炉内，承受近2000的高温与高温铁流的冲刷和炉料、炉渣的磨损;壁内外侧温度差大和压力差大(风压与冷却水压差)，而且这种温差和压力差经常变化，它们给风口造成热疲劳和机械疲劳。所以，风口损坏的现象很常见。
(1)熔损：
空腔式风口小套，冷却水进入小套后,流股截面积突然增大,流速突然降低,冷却水中的一些杂质容易沉积在风口壁上,也容易产生结垢,冷却强度随之降低;另外这种结构在小套内容易形成死区,造成局部过热。这样风口壁热量容易积累导致温度升高,当高于铜开始强烈氧化的温度甚至达到铜的熔点时,风口便被烧坏。因此,空腔式风口小套结构不合理,冷却效果不好是造成风口小套熔损的主要原因。
(2)裂纹：
风口结构设计不合理，如纵、横面的壁厚尺寸相差较大,圆角曲率过小,铸造时在局部容易产生应力集中导致裂纹;风口材质及铸造加工有问题，风口材质不纯,晶粒粗大,组织疏松,或在铸造过程中存在气孔夹渣等铸造缺陷,使风口产生裂纹。
(3)磨损：
主要是由于喷吹煤粉时,第一喷煤枪插入深度没有标准,过深或过浅;第二是由于喷煤枪与直吹管的角度过大,大量煤流吹磨风口小套前沿,使风口小套磨损而损坏。
风口破损现象：
(1)风口损坏较小。风口损坏较小时，风口仅有少量水痕，减水时排水口出水无“喘气”现象，出水正常，风口工作状况无明显异样，这种情况下难于发现风口损坏，但反复观察分析能够发现风口损坏。
(2)风口损坏较大。风口损坏较大时，经减水控制，出水带“白话”甚至有激流的“喘气”现象，主要是由于风口的前高炉煤气间断地从破损处混入冷却水中，达到排水口时产生的一种现象。
(3)风口破损严重。风口破损严重时常常出现排水口出水很少或断水现象。
(4)风口烧穿。风口突然烧穿、爆炸，常常是由于风口损坏后没有及时发现，风口损坏恶化所致。事故发生时，有炽热的碎焦炭从烧穿处伴随着高炉煤气喷射而出，声音尖锐刺耳。
从上边可以看出，风口刚损坏时破损范围不大，风口冷却水漏入炉内不多。若高炉配管工及时发现风口损坏，并采取适当的处理措施，可减少风口冷却水漏入炉内的量，控制破损范围不再扩大，不会给高炉生产带来太大的影响，休风后更换风口也比较容易。反之，风口损坏后如发现较晚，漏水较多，破损扩大，严重时炉缸温度降低，导致渣铁凝结堵塞风口，甚至会使炉缸冻结，给高炉生产带来直接影响，造成严重后果。
4. 风口小套熔损的微观结构
风口小套的纵向组织呈现出流线型组织形貌,表现出典型的变形态组织结构,这说明该部位的结构在服役过程中受到了强烈的变形作用。在铜基体与铁渣的界面处进行了细致的能谱扫描分析发现，在铁渣与基体的界面处产生了元素的扩散。同时,结果显示元素的含量达到了6.13%和6.66%。
5.风口小套生产
5.1. 传统风口小套生产工艺
传统生产工艺为:电解铜→熔化→加磷铜初脱氧→加锡合金化→加磷铜终脱氧→浇注→成形。形成的铜合金是ZCuSn2。现有生产工艺采用加磷铜终脱氧,熔炼过程中很难控制磷的残留量不超过0.03%,一般在0.05%-0.10%范围内。磷含量超标,大大降低了紫铜的导电性,故其导热性也大大降低。此外,熔炼工艺中加锡是为了改善铜液的流动性,以提高风口小套的铸造性能,消除铸造缺陷,但因此也降低了紫铜的导热性。
5.2. 以铬锆铜为材质的高炉风口小套生产工艺
(1)选用中频或工频感应电炉熔炼电解铜;
(2)待电解铜全部熔化后,加磷铜搅拌预脱氧;
(3)加铬铜合金搅拌均匀合金化;
(4)用钟罩压LO-GAS50除气块至炉底2min,分解产生气流除氢;
(5)加铍铜搅拌终脱氧;
(6)加锆搅拌调整成分或在浇包内加入锆,在铜液冲入时搅拌均匀;
(7)将合金液浇入备好的本体、端头铸型内;
(8)取出本体、端头清理后放入箱式炉内升温至960℃保温1h、或升温至940℃保温2h、或升温至920℃保温3h后取出,迅速水淬固溶处理;
(9)再放井式炉内升温至460℃保温6h、或升温至470℃保温5h、或升温至480℃保温4h后取出,空冷时效处理;
(10)清理检验。
6. 风口小套发展进化史
6.1. 2002年莱钢120m³高炉设计和使用的风口小套
6.1.1. 特点
原单腔式风口小套为一个通道,空腔较大,冷却水在空腔内滞留时间长,带走的热量少。并且冷却水易走近路,造成冷却死角区,降低了冷却效果。特别是对风口小套前端的高温区冷却效果更差,是造成风口小套寿命低的直接原因。设计改为双腔贯流式,这种结构冷却水从风口小套进口直接进入小套前端的空腔,循环一周后进入外循环空腔反向绕一周后从出口流出。这样,冷却水在小套内流速快、滞留时间短,带走的热量多,对小套前端的高温冲刷部位冷却效果好。原单腔式风口小套为一个通道,空腔较大,冷却水在空腔内滞留时间长,带走的热量少。并且冷却水易走近路,造成冷却死角区,降低了冷却效果。特别是对风口小套前端的高温区冷却效果更差,是造成风口小套寿命低的直接原因。设计改为双腔贯流式,这种结构冷却水从风口小套进口直接进入小套前端的空腔,循环一周后进入外循环空腔反向绕一周后从出口流出。这样,冷却水在小套内流速快、滞留时间短,带走的热量多,对小套前端的高温冲刷部位冷却效果好。
6.1.2. 制作工艺
(1)采用腹膜砂(酚醛树脂)铸造成型。腹膜砂工艺可提高风口小套铸造型腔表面光洁度,减少水流阻力,增强冷却效果。
(2)为保证风口小套的导热性和铸造成品率,材料选用较高纯度电解铜。采用快速融化、低温浇注的原则(浇注温度1120～ 1200℃ ),磷铜脱氧,另加入少量的锌和锡以改善铸造性能并增加铸件的强度。
(3)风口小套铸造、加工完成后,进行耐水压试验,用1.0MPa的压力保压30min无渗漏及冒汗现象,并且流速恒定。
6.2. 1982年南钢贯流式风口小套制作
早期中国国内主要采用的是空腔式风口，在80年代宝钢从日本引进贯流式风口以后，贯流式风口在国内开始使用。
风口设计要考虑以下几个要素：
(1)端部水速的选择：
(2)风口壁厚的选择;
(3)材料的选择：
(4)前部环道截面积选择：
(5)风口倾角：
(6)风口冷却水流量选择：
风口制造包括三个部分：
(1)端头锻压：端头为一环槽形空心盒,形状较为复杂。大批量生产时挤压、旋压锻较简单,但小批量生产可用胎模锻工艺。即用制芯、拉伸、成型套模及1.5吨汽锤即可。且成材率高、准确度大。铜高温机械性能差些,应采取冷加工工艺。但应先予热到500”C一l000OC间再冷
却,以提高其塑性。
(2)本体铸造：因铸件较为复杂,表面需加工,用吠喃树脂砂芯和金属外模铸造,能适用螺旋芯及表面光滑撇密的特点。铜熔化最好用电炉,如在焦炭冲天炉中冶炼要严禁夹杂及氧化,需用木炭粉保护及磷铜脱氧。
(3)整体焊接：因铜导热性高、热容量大,故在焊接过程中会产生裂纹、气孔夹杂。在较高温度区间焊接,可减少内应力、延长冷却时间,减少结晶引起的裂纹。气孔是由于高温下氧化铜与氢、一氧化碳反应生成的扩散孔。夹杂是由于焊接角度及焊丝、焊剂不适应引起,采取保护性氢弧焊最好。采用高温手工电弧焊,只要加热、冷却速度、焊丝或焊剂适宜是可以达到满意效果的。要避开铜的高温脆性区焊接较好。可采用硼基焊剂,多层次焊接。但要掌握好焊枪的位置、角度及冷却速度。制成的风口要在试压情况下无渗水现象。
6.3. 1985年风口前端等离子喷涂耐热陶瓷粉末等材料
风口小套表面采用等离子喷涂二氧化铝陶瓷粉末,其涂层结构为:底层—NiCrBSi自熔性合金粉末;中间层—Ni/Al2O3金属陶瓷粉末,表层(工作层)α-Al2O3陶瓷粉末。
工件在未喷涂之前必须进行预处理以清除表面的氧化物(采用金属切削、喷涂拉毛、丙酮清洗和200~250“C孤焰预热工件)。然后进行喷涂、操作。待风口涂层冷却后必须进行仔细检查,如发现表面起壳或隔层,需要铲除重新施工。喷涂层表面应呈灰白色,涂层表面光滑、均匀。
三氧化二铝陶瓷粉末和铜基材之间的结合强度很差,二种材质的膨胀系数差异太大(Al2O3为8.0x10-6/度,铸铜为16~20x10-8/度),在冷热交变载荷情况下,容易从基材上剥落下来。为克服这一缺点,要选用一种与基材结合得牢,膨胀系数介于铜与三氧化二铝之间的材料,一般在铜底材上,粉用的合金粉末NiCrBSi自熔性合金粉末或NiCr合金粉末。另外考虑到合金到陶瓷粉末涂层的逐步过渡,在二层之间还需加一层金属陶瓷粉末涂层,一般选用的粉末成分为既有底层粉末的金属,又有表层粉末的金属成分。Ni/AI2O3金属陶瓷粉末为NiCrBSi和AI203的中间层是适宜。这样既可使整个涂层结构各层膨胀系数接近,又可增加各涂层之间的结合力。
7. 提高风口小套寿命的措施
7.1. 设计角度
从设计角度改进风口小套使用寿命的手段有三个：
(1)改进风口结构,提高冷却水的速度、以改善风口的冷却效率(如:贯流式风口、螺旋风口、整铸多环式风口等)。环流风口与空腔风口比较,最显著的优越性在于,流体在沿着环流水道流动的过程中,受离心力的作用,截面中心的流体被甩到外侧,然后沿着壁面折回,形成二次环流,加强了流体微团的搅动与混合,促使热交换过程强化,又由于冷却水在沿着内壁面光滑的环流水道高速流动,流股均匀,每当风口铜壁受到炉缸内铁水热负荷的瞬间冲击时,不易产生汽泡,难以形成恶化冷却的汽膜层,从而能够抵抗铁水热负荷的瞬间冲击。
(2)改革风口材质,采用高纯度钢材压制成结构件等、以提高风口导热效率(如液锻风口等)。
(3)风口表面喷涂耐热陶瓷粉末层或保护层,以提高风口抵御铁水、熔渣的侵蚀,减轻风口的热负荷(如在空腔型风口表面采用等离子焰喷涂耐热陶瓷粉末)。
7.2.操作角度
(1)提高供水压力：提高风口的供水压力,则饱和水温度值相应提高,供水压力为8kg/cm2时,水的沸点为174.53℃,水压提高至12kg/cm2时,水的沸点提高到190.71℃,即沸点提高了16.18℃,也就是说水在高压下不易汽化,难以产生恶化传热条件的汽膜层,因而采用高压水强化冷却风口,是提高风口工作寿命的有效措施之一;
(2)当风口的供水压力和冷却水流量确定之后,风口的水流通道过流断面上的流
速愈高和材质铜的导热性能愈好,则抵抗铁水热负荷熔损的热流相应增高，为提高抵抗烧损能力,易熔损的尖端部选择铜板材质和高水速冷却的结构是合理的。
(3)及时出净渣铁，减少风口下部熔损的几率;
(4)适当放开中心，控制边缘煤气温度，较小对风口的影响;
(5)控制合适的风口动能，过小或者过大的风口动能都会对风口造成不利影响，应摸索高炉高水平稳定顺行前提下的合适的风口鼓风动能。
(6)根据炉况确定风口小套最佳长度以维护合理气流;
(7)确安装和操作喷煤枪,尽可能避免煤粉气流磨擦风口小套内壁。
8. 风口小套供水系统改进
目前高炉风口小套冷却水系统设计有两种形式：一是采用高压净环水开路循环冷却;二是采用联合软水密闭系统冷却。采用高压净环水开路循环冷却方式，系统简单，便于检漏;但由于水量蒸发和工艺高压供水造成了系统补水量大且电耗较高。若是采用联合软水密闭系统冷却方式，由于系统是密闭循环，不存在蒸发问题，而又能充分利用余压，同时由于采用了串接水技术，总冷却水量变小，节省管材造价，缺点是不便于集中控制，维护管理复杂，系统安全性差。
优点：
1 系统设计简单可靠，便于维护管理，避免软水联合密闭冷却设计多级串联造成的系统安全性差，管理复杂，一个系统出故障，另一个系统也受影响;
2 水泵便于采用集中布置，避免联合密闭系统管路来回往复，系统容积增大，造成泄露几率升高，系统补充水量大，同时便于集中控制和管理;
3 不用在高炉平台上考虑水泵布置和电气控制设置。
缺点：
1 多1套脱气膨胀罐系统;
2 供回水主管水量大，造成管道管径大;
3 由于水泵集中布置，供回水管道长，系统阻损增多。
4 由以上几点原因造成一次性投资和运行费用稍微偏高。
9. 风口小套安全监测
风口小套在线检漏和预警系统是一套为岗位操作人员及时、高效地发现风口小套损坏，同时也方便看水工人及时针对漏水小套采取控水等处理措施，并为风口异常工作状态提供有效数据依据的监测系统。能够利用数字测温结合无线通讯的方式，实时采集通讯风口冷却水的进出水水管的冷却水温度以及流量，在线计算监测每个风口的水温差、流量差及热负荷，并进行自动显示及预警，具体包含的功能模块如下：
(1)温度流量数据采集模块;
(2)在线计算水温差、流量差及热负荷模块;
(3)图表形式实时显示每点的进出水温度、进出水流量、水温差、流量差及热负荷模块;
(4)进出水温度、进出水流量、水温差、流量差及热负荷变化趋势模块;
(5)支持人工设定热流预警值和安全值，并实时显示每点的工作状态模块;
(6)以红、黄、绿三种颜色对应安全、预警及超限工作状态;
(7)雷达图形式实时显示圆周方向上进出水温度、进出水流量、水温差、流量差及热负荷变化趋势;
(8)建立冷却水流量、温度、流量差、水温差及热负荷的存储数据库模块;
(9)提供对每个风口水温差、流量差及热负荷的历史查询及趋势曲线绘制模块。
风口小套在线检漏和预警系统主要实现的是对风口小套安全工作状态的检测和报警，包括风口小套冷却水管的进出水温差、进出水流量实时采集通讯模块和热负荷在线诊断报警模块两部分。其中进出水温度、进出水流量实时采集模块实现对温度和流量的自动采集、滤波、存储及展示;风口小套冷却水水温差、流量差诊断报警软件系统可依据实时采集的水温差、流量差，按照正态分布函数统计自动对水温差、流量差进行计算、更新、显示及报警，实现对风口小套工作状态的在线监测及漏水预警。
10.总结
现国内风口小套炼铁高炉用量6000个/年以上,其产值达3000多万元。高炉因更换风口小套,休风率约2%。对一个750m3高炉,降低1%休风率可多出铁上千吨。如能在风口小套熔炼工艺和材质上作改进,进一步提高风口小套寿命,其经济效益和社会效益非常可观。
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