高炉铜冷却壁氢致破损机理及其防渗氢保护层构建技术研究

In order to solve the problem that large amounts of BF copper cooling staves are damaged in recent years, it has become the prior task for all ironmaking researchers to clarify the cracking mechanism of copper staves. In this project, samples of copper will be charged with hydrogen in simulation environment of blast furnace to study the permeation behavior of hydrogen in copper under medium-high temperature, and the influence laws of impurity distribution, defect distribution, hydrogen concentration, time of hydrogen-charging and temperature on hydrogen permeation characteristics will be investigated; a quantitative models between crack location, crack morphology and permeating hydrogen amount, hydrogen distribution, oxygen content, oxygen distribution will be founded to reveal the crack initiation and propagation mechanism of copper, and then the theoretical basis for reasonable application of on-hand copper staves will be consummated. Then the laser surface alloying or laser cladding technology are applicated to construct hydrogen permeation suppression coating; the hydrogen resisting mechanism of copper based materials as well as the binding stability between copper substrate and the coating will be studied to provide theoretical support for the development of novel copper staves that can resist the destructive effect of hydrogen. This proposal will provide theory and experiment basis for application of copper staves, and it has important theory and practical significance for promoting the development of copper stave manufacturing technology and the BF long campaign and safety production techniques.

探明氢对铜冷却壁的致裂机理，解决当前铜冷却壁大量损坏这一重要问题，是炼铁工作者近年来面对的迫切任务。本项目拟通过模拟高炉环境对铜进行气相充氢处理，研究中高温环境下氢在铜基体内的渗透行为，揭示铜基体杂质及缺陷分布、氢浓度、渗氢时间、温度等因素对氢渗透特性的影响；建立渗氢量、氢分布、杂质氧含量及其分布与铜基体内裂纹位置、裂纹形貌间的量化关系模型，阐明铜基体氢致裂纹的产生及扩展机理，为现有铜冷却壁的合理应用提供理论基础；采用铜基体表面激光合金化或激光熔覆防渗氢材料等手段开发铜冷却壁表面防渗氢保护层构建技术，对铜基合金的防渗氢机理、防渗氢材料与铜基体的结合稳定性等关键问题进行研究，为新型抗氢致开裂铜冷却壁的研制提供基础理论支撑。本项目的顺利实施将为铜冷却壁安全、合理应用提供理论和实验依据，对促进铜冷却壁制造技术进步和高炉长寿、安全生产具有重要的实际意义。

铜冷却壁是高炉炼铁过程最重要的冷却设备之一，而氢在铜中的渗透现象导致的铜冷却壁机械性能变化被认为是铜冷却壁损坏的重要原因。本项目设计实验模拟铜冷却壁在高炉内的工作状况，研究了高炉工况下氢在铜材内部的渗透行为及其对铜冷却壁的致裂机理，确定了铜冷却壁氢致开裂的影响因素及临界条件，并对铜冷却壁防渗氢保护层制备技术进行了研究。主要研究内容及研究结果如下：.（1）通过氢氧含量检测、显微硬度测试等方法，确定了铜材内氢渗透的3个主要影响因素，且各因素影响强弱为：铜冷却壁本体最高温度>接触含氢气氛时间>氢气浓度；通过单因素实验确定了各因素影响规律，并确定了保证铜冷却壁安全工作的临界条件为：铜冷却壁温度≤250℃、接触氢气气氛时间≤1.5h，氢气体积比例≤14%。.（2）通过实验确定了铜基体内氢致裂纹（孔洞）产生原因，并确定其形貌和分布规律；采用数值模拟方法建立了裂纹扩展能力计算模型，分析并掌握了裂纹的进一步扩展规律；通过硬度测试、耐磨性能测试等方法掌握了氢脆现象对铜冷却壁硬度等宏观使用性能的影响规律。.（3）建立了铜冷却壁氢渗透计算模型和含防渗氢保护层的热力耦合计算模型，确定了铜冷却壁表面较合理的防渗氢保护层制作工艺要求，并采用同轴送粉方式在紫铜样品表面激光熔覆镍包氧化铝粉末制作出质量达到要求的防渗氢熔覆层，给出了一种可行的工艺参数。在铜冷却壁表面进行激光熔覆制作防渗氢保护层时，需根据实际情况结合激光波长、铜基体尺寸、预热温度、熔覆粉末中Al2O3/Al比例等多种因素共同确定实际熔覆工艺参数。.本项目相关研究探明了铜冷却壁氢致破损机理及其影响规律，可为现有铜冷却壁的合理应用提供指导，并为新型防渗氢铜冷却壁的开发提供理论依据，对降低铜冷却壁氢致破坏作用，延长铜冷却壁使用寿命，保证高炉炼铁生产的安全性和经济性具有重要意义。