炼铁高炉新型节能风口的研究及应用

论文摘要

风口是高炉炼铁生产的关键部件，一旦风口损坏或出现问题高炉就必须休风停止生产。如果处理不及时，极易引发安全或生产事故，给企业的生产造成极大影响。所以，高炉冶炼工作者对高炉风口的选材、制造、安全性和使用寿命等方面都极为关注。高炉冶炼时为提高炉温、降低能耗需将空气经热风炉预热后再进入高炉，风口是热风（空气）的必经通道。为保证风温、降低热量在风口处的损失，节约能源，研制节能型风口具有重要意义。 本文结合XRD、SEM、EDS、EPMA和抗热冲击性能检测等测试方法以及热力学计算，对铜基原位燃烧合成陶瓷层的制备工艺及制得的铜基复合陶瓷层材料的性能进行了研究；在此基础上设计和制造了高炉新型节能风口，对风口结构进行了优化，并将新型节能风口在鞍钢7号、9号、11号高炉的生产过程中实际应用，取得良好的效果。 假设燃烧合成反应在绝热条件下进行，以CrO3为配料中的激活剂，热力学计算得到绝热燃烧温度Tad=2167.98K。以Cr2O3为配料中的激活剂，热力学计算得到绝热燃烧温度Tad=1937.83K。根据Merzhanov等人的经验判据，绝热燃烧温度Tad＞1800K，SHS反应引发后就能够继续维持，不用外界在提供能量。因此上述配料能够保证SHS反应进行。 采用两种方案在铜管内表面复合陶瓷层。一种是用原位自蔓延合成法直接在铜管的内表面复合陶瓷层；一种是用化学镀法在铜管内表面镀上一层金属镍，然后再采用原位自蔓延合成法在铜管内镍镀层表面复合陶瓷层。 经XRD、SEM、EDS、EPMA和抗热冲击性能检测等测试方法对制得的陶瓷材料进行检测。结果表明，第一种方案所得陶瓷层主晶相为α-Al2O3，副晶相为FeO·Al2O3，陶瓷晶间还存在有少量金属铁单质。第二种方案所得陶瓷层除α-Al2O3、FeO·Al2O3外还用多种杂相。陶瓷层与铜管之间结合良好，没有明显的裂缝存在。由于陶瓷与铜之间有相互渗透，陶瓷层与铜管之间的结合方式除机械结合之外，还有一定程度的化学结合。镀镍铜管与陶瓷层的结合较不镀镍铜管与陶瓷层的结合强，这是镀镍层起的作用。但镀镍铜管复合的陶瓷层局部有微小裂纹。而不镀镍铜管复合的陶瓷层缓冷无裂纹，在900℃急冷至室温，反复5次

论文目录

• 独创性声明
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 新型节能风口的重要意义
• 1.3 新型节能风口研究的可行性
• 1.4 自蔓延高温合成技术的发展状况
• 1.4.1 自蔓延高温合成技术的发展历史
• 1.4.2 自蔓延高温合成技术的应用概况
• 1.4.3 自蔓延高温合成技术的研究现状
• 1.4.4 SHS反应动力学研究概况
• 1.4.5 燃烧合成金属基陶瓷涂层的研究现状
• 1.4.6 SHS反应添加剂的研究状况
• 1.4.7 SHS的发展趋势
• 1.5 本论文的工作内容及技术路径
• 第二章 SHS反应过程及相关热力学分析
• 2.1 SHS反应过程及燃烧理论
• 2.1.1 经典燃烧理论及其分类
• 2.1.2 稳态燃烧的燃烧波结构
• 2.1.3 自蔓延燃烧的点火方法
• 2.2 SHS相关热力学分析
• 2.2.1 SHS绝热燃烧温度
• 2.2.2 铝热还原过程绝热燃烧温度的计算
• 2.3 本章小结
• 第三章 SHS法制备陶瓷层的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验装置与实验原料
• 3.2.1 实验装置
• 3.2.2 实验原料
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 铜管的预处理
• 3.3.2 铜管的镀镍处理
• 2O₃粉末的预处理'>3.3.3 Fe₂O₃粉末的预处理
• 3.4 实验装置
• 3.5 实验步骤
• 3.6 燃烧合成实验
• 3.6.1 不镀镍铜管燃烧合成实验
• 3.6.2 镀镍铜管燃烧合成实验
• 3.7 实验的分析方法
• 3.7.1 陶瓷涂层相组成分析
• 3.7.2 陶瓷层表面形貌及成分
• 3.7.3 电子探针分析
• 3.7.4 抗热冲击性能检测
• 3.8 结果与讨论
• 3.8.1 燃烧合成陶瓷层的结构分析
• 3.8.2 铁铝尖晶石成因分析
• 3.8.3 扫描电镜分析结果
• 3.8.4 燃烧合成产物能谱分析结果
• 3.8.5 自蔓延合成产物电子探针分析结果
• 3.8.6 抗热冲击性能检测结果
• 3.9 本章小结
• 第四章 新型节能风口的结构设计及节能效益分析
• 4.1 新型节能风口的设计
• 4.1.1 铜-自蔓延合成陶瓷层风口的结构
• 4.1.2 铜-耐火材料层-自蔓延合成陶瓷层风口的结构
• 4.1.3 长寿节能风口的结构及原理
• 4.2 新型节能风口的节能效益分析
• 4.2.1 水冷风口热平衡分析
• 4.2.2 新型风口的节能计算
• 4.3 本章小结
• 第五章 铜-原位自蔓延合成陶瓷层风口的制备及应用
• 5.1 实验方法
• 5.1.1 实验原料及方法
• 5.1.2 节能风口的制备方法
• 5.1.3 陶瓷层性能指标检验方法
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 原位燃烧的陶瓷材料的性能
• 5.2.2 铜-原位自蔓延合成节能风口在鞍钢11号高炉的应用
• 5.3 本章小结
• 第六章 复合节能风口的制备及应用
• 6.1 实验方法
• 6.1.1 铜-耐火材料层-原位自蔓延合成陶瓷层风口的制备
• 6.1.2 耐热内衬层材料组成
• 6.1.3 原位自蔓延表面强化处理
• 6.1.4 原位自蔓延合成陶瓷层性能检验方法
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 耐火材料内衬层性能指标
• 6.2.2 表面强化原位自蔓延合成陶瓷层的性能
• 6.2.3 铜-耐火材料层-原位自蔓延合成陶瓷层节能风口
• 6.2.4 铜-耐火材料层-原位自蔓延合成陶瓷层风口在鞍钢7号高炉的应用
• 6.2.5 铜-耐火材料层-原位自蔓延合成陶瓷层风口在鞍钢9号高炉的应用
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 攻读博士学位期间发表的论文和发明