蒸汽干燥機盤管壽命延長研究

〔摘 要〕針對某企業(yè)蒸汽干燥機盤管壽命偏短的情況，對盤管的失效原因進行了分析。分析認(rèn)為，盤管失效的主要形式表現(xiàn)為表面磨粒磨損，同時在高溫、高濕的環(huán)境下，還存在一定的稀酸溶液對盤管的不銹鋼材質(zhì)造成腐蝕作用。可以通過中間物料破碎工藝，降低磨料的顆粒度，以及采用表面激光熔覆的方式在盤管硬料面增加耐磨材質(zhì)提升盤管壽命。經(jīng)過工藝比選，最終選擇鐵基粉末作為覆層耐磨材料，性價比更好，盤管壽命可提升至3年。

〔關(guān)鍵詞〕蒸汽干燥機；盤管；磨粒磨損；激光熔覆；耐磨材料

中圖分類號：TF351.4 " 文獻標(biāo)志碼：B 文章編號：1004-4345（2023）02-00４２-0４

Abstract" In response to the short service life of the steam dryer coil in a certain enterprise， the paper analyzes the reasons for the failure of the coil. It suggests in the analysis that the coil failure mainly manifests as surface abrasive wear， there is also a certain amount of dilute acid solution that causes corrosion to the stainless steel material of the coil in high temperature and humidity environment. The intermediate material crushing technology can be used to lower the particle size of the abrasive， and the surface laser cladding can improve the service life of the coil by adding wear-resistant materials on the hard material surface of the coil. After process comparison and selection， iron-based powder will be ultimately selected as the clad wear-resistant material， which has better cost performance. In addition， the service life of coil can be extended to 3 years.

Keywords" steam dryer; coil; abrasive wear; laser cladding; wear-resistant material

蒸汽干燥系統(tǒng)是為閃速熔煉爐提供合格物料的關(guān)鍵工序，其主要作用是將配料倉出來的含水率在10%左右的混合銅精礦干燥至含水率低于0.3%。混合銅精礦主要包括銅精礦、渣精礦、石英砂、吹煉渣、熔煉爐渣和陽極爐渣等，體積質(zhì)量為 1.6～2 t/m3，其中大部分粒徑小于1 mm，部分粒徑可達35 mm。混合銅精礦腐蝕性強，硬度大，其中石英砂的硬度為莫氏7.5級，爐渣的硬度為HRC38左右，腐蝕介質(zhì)主要為硫化物。

1" "蒸汽干燥機盤管現(xiàn)狀

某企業(yè)共有2臺蒸汽干燥機，每臺干燥機內(nèi)部配備45片盤管。盤管在干燥機內(nèi)部主要分布在5個區(qū)，每個區(qū)9片，從中心到邊緣依次為第1層至第9層。每片盤管主要由主管和支管組成，工作時干燥機帶動盤管一起轉(zhuǎn)動，熱蒸汽流經(jīng)各盤管的主管與支管，將熱量傳給不斷在轉(zhuǎn)子、盤管間隙中運動的銅精礦，使精礦經(jīng)歷升溫—蒸發(fā)—再升溫后逐漸蒸發(fā)脫除所含的水分[1]，達到對物料干燥的效果。

目前，盤管的材質(zhì)主要為2205雙相不銹鋼和316L不銹鋼兩種。然而，在該企業(yè)與其他冶煉廠使用的盤管材質(zhì)及制管要求幾乎一致的情況下，該企業(yè)盤管使用6～7個月后就開始損壞，與其他冶煉廠盤管18～24個月的平均使用壽命相差較大。經(jīng)過深入分析，認(rèn)為其主要原因為該企業(yè)冶煉過程中產(chǎn)生的含銅爐渣（吹煉渣、熔煉爐渣和陽極爐渣）大塊進入干燥機，使得盤管異常磨損。如何優(yōu)化生產(chǎn)工藝，延長盤管壽命，降低生產(chǎn)成本，成為該企業(yè)亟待解決的問題。

2" "研究方向討論

2.1" 設(shè)備參數(shù)及工況

1）設(shè)備參數(shù)。

盤管的主管規(guī)格為？覫89 mm×5.5 mm，支管規(guī)格為？覫60 mm×（4～5）mm，材質(zhì)均為國產(chǎn)2205雙相不銹鋼或是316L不銹鋼，盤管加熱介質(zhì)為2.1～2.3 MPa的飽和蒸汽。待干燥物料相對盤管表面以2 °的傾角自由落體方式流動。

2） 物料性質(zhì)。

大部分物料為銅精礦、渣精礦，粒徑lt;1 mm，但因該廠生產(chǎn)工藝的原因，每年有不少中間含銅物料需通過蒸汽干燥機送入閃速爐，其中包含2.00 kt陽極爐渣大塊、1.50 kt吹煉爐渣（溜槽、撈冰銅機格柵篩分的大塊等）、1.15 kt熔煉爐渣、4.20 kt振動篩篩上物、1 kt鍋爐煙灰大塊等。以上物料均為先經(jīng)過粗碎（顎式破碎機破碎）后返回精礦庫參與配料，再通過蒸汽干燥機進入閃速爐冶煉。粗碎后，這些物料中粒度在20 mm以上的仍有將近4 kt。

另外，該企業(yè)采用“雙閃”工藝，吹煉爐冶煉過程中產(chǎn)生的吹煉渣是由熔融狀態(tài)下的吹煉渣被高壓水流冷擊后爆裂而成。水淬后的吹煉渣大小不一，硬度較高，表面棱角分明，每月產(chǎn)量達6.70 kt。它們通過汽車運輸直接返回精礦庫參與配料，經(jīng)過振動篩篩分后進入蒸汽干燥機。其粒度大于35 mm的顆粒約占總量的3.6%左右，該部分作為篩上物返回精礦庫破碎，其余部分（含粒度在15～35 mm的吹煉渣）通過振動篩篩孔（篩孔尺寸為30 mm×30 mm）后進入蒸汽干燥機干燥，然后送入閃速爐冶煉。

2.2" 盤管失效原因分析

目前，泄漏盤管主要集中在支管的迎料面上。根據(jù)現(xiàn)場的表面形貌分析，可以確定盤管失效的主要形式為表面磨粒磨損，主要表現(xiàn)為低應(yīng)力擦傷磨料磨損，即磨料作用于表面的應(yīng)力不超過磨料的壓潰強度，因此會在材料表面產(chǎn)生擦傷或微小切屑痕；同時還存在沖擊磨損，主要表現(xiàn)為在硬質(zhì)沖擊磨料的作用下，金屬表面形成了凹凸不平的圓坑。當(dāng)磨損達到一定程度后必然會導(dǎo)致盤管發(fā)生泄漏。

同時，在高溫、高濕環(huán)境下，混合銅精礦熔煉爐渣中的硫化物、氮化物易與水蒸氣反應(yīng)生成稀酸溶液，這些稀酸溶液將對不銹鋼材質(zhì)的換熱管造成一定的應(yīng)力腐蝕和晶間腐蝕。且當(dāng)磨損和腐蝕同時存在時，這兩種失效方式是相互促進的，因此更加速了盤管的損壞。

2.3" 方案討論及選擇

針對該企業(yè)盤管失效的原因，技術(shù)人員認(rèn)為解決策略主要應(yīng)集中在降低盤管磨粒磨損上：1）磨料的硬度越低越不容易磨損金屬材料；2）磨料顆粒的平均尺寸越小越不容易產(chǎn)生磨損；3）金屬材料的硬度越高越不容易被磨損。因此，磨料硬度無法改變的情況下，只能通過降低磨料的顆粒度或提高盤管金屬材料的硬度來實現(xiàn)；1）降低磨料的顆粒度。雖然可以將中間含銅物料的大顆粒物料移除，但中間含銅物料經(jīng)濟價值很高，移除會造成資源的極大浪費，只能將大顆粒物料進行再破碎，降低物料的粒度。2）提高金屬材料的硬度。目前國內(nèi)既要硬度高又要耐腐蝕的材料很少，且價格很高，因此難以找到較好的替代材質(zhì)。考慮到盤管的損壞泄漏點集中在支管的迎料面上，因此可以嘗試在現(xiàn)有盤管的迎料面上增加一層耐磨耐腐層，從而達到延長干燥機盤管使用壽命的目的。例如，盤管材質(zhì)2205雙相不銹鋼的硬度較低，洛氏硬度僅HRC28～HRC31，而增加的耐磨層材料的表面硬度可以達到HRC50以上。

3" "方案實施

綜上分析，該廠從進料顆粒粒度控制與盤管增加耐磨層兩個方面開始實施改進措施。

3.1" 控制進料顆粒粒度及種類

3.1.1" 規(guī)范管理中間物料流向

所有中間物料返回精礦庫前都需將物料種類、名稱、總量等反饋給車間，經(jīng)車間同意后方可入庫，同時車間需對入庫物料進行登記、統(tǒng)計，詳細(xì)記錄各種物料后續(xù)的處理方式和流向，杜絕未經(jīng)破碎的物料進入蒸汽干燥機。

3.1.2" 優(yōu)化中間物料的破碎工藝

該廠中間均料主要包括熔煉爐渣、吹煉爐渣、陽極爐爐渣、篩上物及煙灰大塊等。原破碎工藝流程為：物料先經(jīng)過顎式破碎機進行粗碎，粗碎后物料送入復(fù)合破碎機細(xì)碎，再次破碎后的物料投入閃速爐參與反應(yīng)。但是由于復(fù)合破碎效果不佳，且下方無篩分裝置，破碎后的物料粒度在1～40 mm不等，無法防止大顆粒進入蒸汽干燥機。

改造后的破碎工藝將中間物料進行分類處理：1）吹煉爐渣、陽極爐爐渣先經(jīng)過大顎式破碎機破碎，再經(jīng)過小顎式破碎機后，通過膠帶機送入雷蒙磨粉機處理。粉狀出來的物料經(jīng)過分級篩分后由布袋收塵器收集，粒度都在1 mm以內(nèi)。2）熔煉爐渣、篩上物及煙灰大塊破碎暫維持原破碎流程。3）吹煉渣因量大且含水量大于10%，對其進行破碎的難度及成本都太高，經(jīng)過經(jīng)濟核算，暫不進行破碎，如其他方法都已使用但仍無法滿足盤管使用壽命要求時，初步設(shè)想擬對其采用熱風(fēng)爐烘干后用濃相輸送至爐頂料倉，繞過干燥機環(huán)節(jié)的方案。

3.1.3" 使用后效果

破碎流程改進前，該企業(yè)干燥機最小規(guī)格盤管壽命在6～7個月。到了第8個月，盤管的第一層基本已全部磨通損壞。

經(jīng)過對中間物料破碎工藝的優(yōu)化調(diào)整后，保持干燥機盤管材質(zhì)及壁厚不變，且每小時干燥量相對之前還有所增大的情況下，干燥機使用到了第12個月，累計處理混合銅精礦2 289.6 kt，此時盤管的第一層、第二層均無磨通情況出現(xiàn)。這進一步驗證了嚴(yán)格控制進入干燥機的物料粒度，對盤管壽命提升有顯著幫助。假如所有的中間物料都通過立磨進行破碎，盤管壽命預(yù)計能提升至16～18個月左右。

3.2" 盤管表面增加耐磨材質(zhì)

在優(yōu)化了破碎流程的基礎(chǔ)上，要將大修周期從18個月延長至30個月，如前所述，還需要從增加盤管表面耐磨性上考慮。增加盤管層面的耐磨性暫時只能通過在迎料面上增加耐磨耐腐層來實現(xiàn)。

3.2.1" 覆層耐磨材料與母材結(jié)合方式選擇

目前，將耐磨耐腐層（覆層）與母材結(jié)合的工藝主要有堆焊、噴涂、激光熔覆、電鍍和氣相沉積等，每種工藝都有其特點，可根據(jù)自身條件進行選擇，各工藝參數(shù)對比詳見表1。其中，激光熔覆技術(shù)是指通過在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝，從而形成與基層層面冶金結(jié)合的添料熔覆層的方法。與其他工藝相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結(jié)合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點；同時熔覆層稀釋度低但結(jié)合力強，與基體呈冶金結(jié)合，可顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化或電氣特性，從而達到表面改性或修復(fù)的目的，滿足材料表面特定性能要求的同時可節(jié)約大量的材料成本[2-3]。因此，該企業(yè)結(jié)合自身工藝特點選定采用表面激光熔覆的方式增加耐磨材質(zhì)。激光熔覆技術(shù)原理見圖1。

3.2.2" 覆層耐磨材料選擇

該企業(yè)與材料研究院通過研究分析認(rèn)為，覆層耐磨材料的選擇主要有鐵基粉末和鎳基碳化鎢合金粉末兩種方案。鐵基粉末的費用較低，鎳基碳化鎢合金粉末的費用較高，但各項指標(biāo)更好。二者的主要性能比較如下：

1）采用鐵基粉末（化學(xué)成分：C、Si、Cr、Mo、余量Fe等成分），覆層厚度為1 mm以下，表面硬度HRC50～HRC55，抗腐蝕性能較好，具有良好的表面沖擊耐磨性能，導(dǎo)熱性優(yōu)良，預(yù)計盤管壽命24個月。

2）采用鎳基碳化鎢合金粉末（粉末化學(xué)成分為高硬度Ni-Cr-B-Si-WC系自熔性鎳基碳化鎢合金粉末），與9Cr15、GCr15、12CrMoV、W6高速鋼等材料熱處理后相比，使用壽命比原來的提高3倍以上[4]。彎管表面覆層厚度為1 mm，表面硬度達HRC60以上，鎳基碳化鎢合金粉末具有優(yōu)良的耐磨性、耐蝕性和抗高溫氧化的綜合性能，導(dǎo)熱性相當(dāng)好，預(yù)計盤管壽命可達36個月。

然而兩者價格相差較大，該企業(yè)確定采用“若只有一種滿足要求就選用滿足要求的那一種；若兩者都滿足使用要求，則選用價格較低者”的原則，將兩種材料一起放于現(xiàn)場使用，在試驗檢驗的實際效果基礎(chǔ)上做出選擇。

3.2.3" 熔覆操作難點

因盤管支管為弧形管，先進行熔覆后再進行彎管會使覆層耐磨材料產(chǎn)生裂紋，因此此種操作方案不可行，應(yīng)在熔覆操作前，先對支管進行彎管。然而對弧形管進行熔覆也是一個操作難點。為保證熔覆無損傷、無裂紋，該企業(yè)進行了多次熔覆試驗，最終在增加輔助夾具的情況下進行熔覆，保證了熔覆質(zhì)量。

4" "使用效果

該企業(yè)在某次大修后對部分物料進行了粒度控制，同時將4片（第二層2片、第三層2片）采用激光熔覆的盤管投入應(yīng)用對比使用效果。4片盤管總計有324根支管，其中162根采用了鐵基粉末，另外162根使用了鎳基碳化鎢合金粉末。從最終的使用效果來看，未熔覆的因物料粒度得到了控制普通盤管壽命雖相對于以前有所提高，但耐磨性能仍不足。從第13個月開始，普通盤管的第一、二層已陸續(xù)穿孔漏氣，未漏氣的支管迎料面也已經(jīng)磨損嚴(yán)重。而4片盤管試驗盤管在使用了31個月后的大修期間，抽出檢查均未損壞，且覆層均清晰可見，使用３１個月后的試驗盤管情況見圖2。在投運后的第13個月、第25個月、第31個月對覆層磨損量進行了測量，具體數(shù)據(jù)詳見表2。使用１３個月后，普通透管與熔覆肋管的對比見圖3。

通過該廠的試驗數(shù)據(jù)可知，鎳基覆層使用效果優(yōu)于鐵基覆層，且磨損量主要集中在中間靠后段，中間段覆層厚度1 mm能滿足使用3年的效果，入料段因物料流動性較低，熔覆厚度可以控制在0.5 mm以內(nèi)。如鐵基覆層厚度在1 mm以上也可滿足要求。因此，該廠出于成本考慮選用鐵基覆層。

5 結(jié)論

蒸汽干燥機是冶煉廠制備合格物料的基礎(chǔ)設(shè)備，其運行狀況直接關(guān)系到后續(xù)冶煉生產(chǎn)能否穩(wěn)定運行。干燥機盤管作為干燥機的重要組成部分，其使用壽命直接關(guān)系到蒸汽干燥機的運行穩(wěn)定。本文研究結(jié)果表明，磨料的硬度、顆粒大小以及盤管的金屬材料耐磨耐腐強度是關(guān)系到盤管壽命的主要因素。對于入窯物料性質(zhì)較差的企業(yè)而言，在磨料硬度無法改變的前提下，可以通過優(yōu)化中間物料的破碎工藝、嚴(yán)格控制破碎后物料粒度，以及對盤管支管采用激光熔覆耐磨耐腐材料等途徑，達到延長干燥機盤管使用壽命的目的。

參考文獻

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作者簡介：肖華兵（1983—），男，高級工程師，主要從事銅冶煉企業(yè)設(shè)備管理工作。