简析有色冶炼氧气底吹氧枪的材料选择

裴忠冶， 李 兵， 马明生， 张官祥， 郭亚光

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)



简析有色冶炼氧气底吹氧枪的材料选择

裴忠冶， 李 兵， 马明生， 张官祥， 郭亚光

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

对有色冶炼氧气底吹氧枪的材料进行简要总结，从材料选择角度出发提出了可能的氧枪备选金属材料，并对氧枪现使用材料和备选材料进行比较分析，认为备选材料——高温合金作为底吹冶炼氧枪用材可行，为氧枪材料的选择提供参考。

氧气底吹； 氧枪； 材料选择； 高温合金

氧气底吹冶炼技术是我国自主研发的具有自主知识产权的新型有色冶金熔池强化熔炼技术，先后应用于国内外铅冶炼行业40余家工厂、铜冶炼行业10余家工厂，该工艺的推广改变了我国铅冶炼、铜冶炼行业能耗高、污染严重的状况，同时也引领了世界铅、铜冶炼行业的技术进步。自20世纪80年代以来，氧气底吹冶炼技术在有色冶金领域的研发和工业化应用已有30余年的历史，数十家工厂的生产实践证明，采用氧气底吹冶炼技术炼铜、炼铅，具有投资省、环保好、能耗低等优点。

氧枪是氧气底吹冶炼技术的核心装置，氧枪的寿命直接影响氧气底吹冶炼系统的操作控制、作业率，进而影响整个系统的处理能力、能耗、炉寿等关键指标，一直以来氧枪的使用指标都是设计者和使用者共同关注的问题，影响氧枪指标的因素主要有氧枪的布置形式、结构形式、出口压力和速度、枪体材质、枪口砖性能等。有关氧气底吹系统氧枪的工作原理、结构设计、水模拟及数值模拟已有很多研究[1-5]，但关于枪体材质选择对氧枪寿命影响的研究却鲜有报道。有色冶炼用底吹氧枪寿命虽已达到数月，但仍有延长的空间。影响氧枪寿命的有多重因素，但高温烧损是其中主要原因之一(图1为氧枪烧损的照片)，因此对氧枪材质的高温性能进行研究十分必要。本文从材料选择角度出发分析几种备选材料延长氧枪使用寿命的可能性，为氧气底吹冶炼设计者和使用者提供参考。

图1 氧枪烧损照片

1 金属材料的选择原则

氧枪材料的选择属于金属材料的选择范畴。众所周知，在机械制造行业里，无论设计和制造什么样的机器、设备和零部件，首先要面对的就是金属材料的选择。由于任何材料都不可能同时具备各方面的优良性能，因此，金属材料的选择实质上就是用其所长、避其所短的思考过程。一般来说，金属材料的选择遵循三个原则，即材料的使用性能、材料的工艺性能、材料的经济性能。

1.1 材料的使用性能

材料的使用性能是指零部件在使用时所应具备的材料性能，包括机械性能、物理性能和化学性能等。对大多数零部件而言，机械性能是主要的性能指标。常用的机械性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等，这些参数中强度是机械性能的主要指标，只有在强度满足要求的情况下，才能保证零部件正常工作，且经久耐用。在设计零部件和选材时，应根据工作条件、损坏形式，找出对材料机械性能的要求，这是材料选择的基本出发点也是最重要的一点。

1.2 材料的工艺性能

材料的工艺性能是指材料的加工工艺性能，主要有：铸造、压力加工、切削加工、热处理和焊接等性能。材料加工工艺性能的优劣直影响零部件的质量、生产效率和成本。良好的加工工艺性可以大大减少加工过程的动力、材料消耗，缩短加工周期，降低废品率等。优良的加工工艺性能是降低产品成本的重要途径。所以，材料的工艺性能也是选材的重要依据之一。

1.3 材料的经济性能

材料的经济性能主要指所选用材料的成本。产品的成本主要包括：原料成本、加工费用、成品率以及生产管理费用等。材料的选择也要着眼于经济效益，根据国家资源情况，结合国内生产实际加以考虑。此外，还应考虑零部件的寿命和维修费，若选用新材料还要考虑研究试验费用。

2 氧枪材料选择的思考

相关文献[6-7]检索结果表明，适用于氧气底吹冶炼这种高温、高压、强氧化性气氛工况的金属材料少之又少，其中耐热不锈钢材料是首选。目前，氧气底吹冶炼系统氧枪多采用牌号为06Cr25Ni20(GB/T 20878—2007)的耐热钢，即俗称310S的耐热不锈钢。该牌号不锈钢具有良好的耐高温性，因镍(Ni)、铬(Cr)含量高，具有良好耐氧化、耐腐蚀、耐酸碱、耐高温性能，用于制造电热炉管等部件，温度超过800℃时开始软化，许用应力开始持续降低[8]。

2.1 高温合金简介

高温合金是20世纪20年代末，由Ni80-Cr20合金(镍铬电阻丝)发展而来的，其定义是以铁、镍、钴为基，能在600 ℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料，具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，在英美素有超合金(Superalloy)的美誉[9-11]。高温合金既是航空、航天发动机高温热端部件的关键材料，也是舰艇、能源动力、石油化工、交通运输等领域不可或缺的重要材料。高温合金已成为国防工业最重要的材料之一，并在诸多民用工业部门得到推广应用，其研制和生产水平已成为一个国家金属材料发展水平的重要标志[12]。

高温合金分类比较复杂，按基体元素主要可分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金；按制备工艺可分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末冶金高温合金；按强化方式可分为固溶强化型、沉淀强化型、氧化物弥散强化型等。

高温合金材质的典型铸件如图2和图3所示。图4是美国普拉特-惠特尼公司PW4000系列涡扇发动机，其高温合金使用量达50%以上。图5是英国罗尔斯-罗伊斯公司航空发动机中各种材料的应用分布情况。由图5可见，镍基高温合金是航空发动机热端部件的主要用材。

图2 航空发动机用涡轮导向器

图3 航空发动机用涡轮转子

图4 PW4000系列涡扇发动机

图5 罗- 罗公司发动机材料使用情况分布

可见，高温合金及其零部件用在高精密、工作环境严苛的场所，对于冶炼行业，高温合金鲜有应用。下面简要对比分析高温合金服役的工况，并从材料选择三原则角度出发分析其是否适合应用在底吹冶炼氧枪上。

2.2 高温合金和06Cr25Ni20耐热钢服役工况区别

06Cr25Ni20耐热钢服役工况和高温合金服役工况如表1所示。

表1服役工况

可以看到，底吹熔炼/吹炼的工况和航空发动机的工况都很严苛，高温合金服役的航空发动机工况是高温、高压、热空气腐蚀的环境，06Cr25Ni20耐热钢服役的氧气底吹熔炼/吹炼工况是高温、高压、高速气流冲刷、熔体冲蚀的环境。

2.3 高温合金和06Cr25Ni20耐热钢性能比较

几种典型的高温合金与06Cr25Ni20耐热钢性能比较。

K4169合金：该合金是一种被大量应用的高温合金，对应的美国牌号为Inconel718，其优点是易加工，在700 ℃时具有高抗拉强度、疲劳强度、抗蠕变强度和断裂强度，在1 000 ℃时具有高抗氧化性，具有良好的焊接性能。

K418合金：该合金是一种典型的高温工况下应用的高温合金，对应的美国牌号为Inconel713c，适用于900 ℃下工作的航空、地面和海上燃气轮机涡轮工作叶片、导向叶片、整铸涡轮。

K424合金：该合金是一种典型的热强合金，仿制于俄罗斯，适用于950℃下工作的涡轮转子叶片、整铸涡轮及发动机尾喷调节片底板。2.3.1 高温合金和06Cr25Ni20耐热钢物理性能比较

06Cr25Ni20耐热钢和3种典型高温合金物理性能比较如表2所示。热传导方面，K4169合金的热导率比06Cr25Ni20耐热钢的略高，达12.7%；K418、K424合金的热导率明显低于06Cr25Ni20耐热钢，分别达28.5%和23.6%。线膨胀系数方面，无论是室温还是高温条件下，3种典型高温合金都比06Cr25Ni20耐热钢有一定的优势，分别低了20.8%、25.2%、17.0%和20.5%、23.1%、13.8%。

表206Cr25Ni20耐热钢与典型高温合金物理性能比较[6]

材料牌号密度/g·cm-3熔点/℃热导率/W·(m·℃)-1线膨胀系数/10-6·℃-106Cr25Ni207.981400～145014.215.9(19.5)K4188.01295～134510.1512.6(15.5)K4247.871271～131010.8511.9(15.0)K41698.241243～13591613.2(16.8)

注：括号内为1 000 ℃时数据，其中K424、K4169为800 ℃时数据

2.3.2 高温合金和06Cr25Ni20耐热钢机械性能比较

06Cr25Ni20耐热钢和3种典型高温合金机械性能比较如表3所示。

表306Cr25Ni20耐热钢与典型高温合金机械性能比较

牌号抗拉强度σb/MPa屈服强度σ0.2/MPa伸长率δ/%硬度06Cr25Ni20590(210)295(180)35(5)187HBK418935(670)780(455)9.5(9.5)33～37HRCK4241010(715)755(610)12(9.5)32HRCK41691100(790)935(680)16(12)34～42HRC

注：括号内为900 ℃时数据，其中K4169为700 ℃时数据。

在室温和高温条件下，3种典型高温合金的抗拉强度和屈服强度都明显优于06Cr25Ni20耐热钢，有着数百兆帕的优势；硬度方面，对布氏硬度和洛氏硬度进行换算后(1 HRC≈10 HB)可以看出，3种典型高温合金相对于06Cr25Ni20耐热钢，也都有明显的优势。2.3.3 高温合金和06Cr25Ni20耐热钢经济性能比较

06Cr25Ni20耐热钢和3种典型高温合金经济性能比较如表4所示。

三种典型高温合金与06Cr25Ni20耐热钢的加工费基本持平，但在材料本身价格方面，高温合金的价格是06Cr25Ni20耐热钢价格的3～5倍。

3 分析和讨论

选取的3种典型高温合金相对于06Cr25Ni20耐热钢，在物理性能和机械性能方面有着比较明显

表406Cr25Ni20耐热钢与典型高温合金经济性能比较

牌号价格/万元·t-1加工费/万元·t-106Cr25Ni202～50.6K41810～15K42412～150.5～1K416910～13

的优势，而经济性能方面略差。材料的使用性能(其中最主要因素——机械性能)是材料选择的基本出发点也是最重要的一点，3种典型高温合金都具有比06Cr25Ni20耐热钢更优异的机械性能则是需要关注并思考和分析的。

通常来说，一种材料所具有的机械性能由材料本身的成分和组织结构决定。06Cr25Ni20耐热钢和3种典型高温合金成分如表5所示，

表5 06Cr25Ni20耐热钢与典型高温合金的化学成分 %

由表5可见，06Cr25Ni20耐热钢是以Fe为基体，另加入25%Cr、20%Ni构成的，加入大量的Ni、Cr元素后该材料具有了良好的抗氧化、耐腐蚀、耐酸碱、耐高温等性能，其原理是加入的Ni、Cr元素是钢中形成奥氏体的重要元素，而形成的γ奥氏体相耐高温和抗氧化，这也是不锈钢、耐热钢的形成机理。在高温条件下，如氧枪工况温度在1 000 ℃以上时，基体元素Fe易与氧气发生反应，甚至发生燃烧[2]，这也是不锈钢、耐热钢都有其许用温度的原因。观察表5中3种典型高温合金成分可以发现，3种材料均是以Ni为基体的，Fe元素含量都较少，其中含Ni量最低的K4169合金Ni含量也超过了50%，这样的成分组成使得合金的组织中形成了更多面心立方结构的γ奥氏体相，同时3种合金中加入一定量的Cr、Co、W、Mo元素则起到了强化基体的作用，而Al、Ti元素的加入使得合金中同是面心立方结构的γ＇相——Ni3(Al,Ti)强化相的量大大增加，形成的γ＇相与γ相基体获得了共格强化作用[13]，所以表现为高温合金材料的高温机械性能比不锈钢、耐热钢材料有较大优势。

下面从另一个角度分析高温合金材料高温机械性能比不锈钢、耐热钢材料有较大优势的原因。从图6氧化物埃林汉图中可以看到，在1 000 ℃时，FeO比NiO的标准生成吉布斯自由能小很多，说明在此温度下Fe的氧化物更稳定，Fe元素更易被氧化，Fe元素的氧化改变了材料本身的组织结构，从而影响了材料的力学性能，在机械性能(力学性能)上则表现为不含Fe或含Fe少的3种高温合金材料比以Fe为基体的06Cr25Ni20耐热钢的高温机械性能更有优势。同理，FeO在1 000 ℃时的标准生成吉布斯自由能比Cu2O的标准生成吉布斯自由能“更负”，即此温度下Cu元素更稳定，Fe元素更易被氧化，这是钢铁行业中铁水含铜不能氧化除去的原理，而这也合理的解释了氧气底吹炼铜中氧枪(06Cr25Ni20耐热钢材质)出口产生“蘑菇头”的情况。对于氧气底吹炼铅，情况略有不同，从埃林汉图可以看到，在高温下FeO更稳定，即Fe比Pb更容易氧化，理论上也应该如底吹炼铜一样产生“蘑菇头”，而实际生产情况则是底吹炼铅并不会产生“蘑菇头”，有的学者以过热度较大作为理由来解释“蘑菇头”不能稳定存在[2]。

图6 氧化物的埃林汉(Ellingham)图

4 结论和展望

对高温合金应用于氧气底吹冶炼氧枪的可行性进行对比并做机理分析，得出以下结论：

(1)3种高温合金相对于06Cr25Ni20耐热钢有一定的物理性能优势；

(2)3种高温合金相对于06Cr25Ni20耐热钢有比较明显的机械性能方面的优势；

(3)3种高温合金相对于06Cr25Ni20耐热钢经济性能略差；

(4)3种高温合金均较适合应用在底吹冶炼氧枪上。

笔者认为，从整个生产系统角度看，机械性能的明显优势可以抵消经济性能上的劣势，建议在底吹冶炼氧枪上应用高温合金材料探索延长底吹冶炼氧枪寿命的可能。本文仅从材料选择角度分析用高温合金材料替代现有氧枪材料的可行性，给底吹冶炼设计者和使用者提供一个思路。然而，影响氧枪寿命的因素不仅包括枪体材质，还包括氧枪的结构形式、出口压力和速度、枪口砖性能等，氧枪的寿命问题是个系统工程。要解决好氧枪使用寿命的问题，后续工作应重点着力于氧枪设计、氧枪材料选择及随后的试制和试验，综合提高氧枪的使用寿命。

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Brief analysis of materials selection for oxygen lance of oxygen bottom blowing in Non-ferrous smelting

PEI Zhong-ye, LI Bing, MA Ming-sheng, ZHANG Guan-xiang, GUO Ya-guang

In this paper, oxygen lance material in oxygen bottom blowing smelting was briefly summarized; from the perspect of material selection, the possible oxygen lance alternative metal materials were put forward, the detailed comparison and analysis were carried out between currently used materials and alternative materials for oxygen lance. The conclusion shows that the alternative material - superalloy is a kind of feasible oxygen lance material for bottom blowing smelting, which provides a reference for selection of oxygen lance material.

oxygen bottom blowing; oxygen lance; materials selection; superalloy

裴忠冶(1980—)，男，辽宁鞍山人，博士，高级工程师，主要从事有色金属工程咨询设计及有色金属材料研发工作。

2016-05-18

TF81； TG132

B

1672-6103(2016)05-0014-05