高炉受料斗布料器衬板堆焊镶块技术——文献学习体会

文献概况与工程背景

本文发表于2003年《山东冶金》第25卷第4期，作者来自山东省冶金科学研究院和济南钢铁集团总公司，是一篇典型的产学研结合工程应用论文。高炉是钢铁生产的核心设备，受料斗和布料器是高炉上部的关键部件，负责接受和分配炉料（铁矿石、焦炭、熔剂等）。这些部件长期承受矿石和焦炭的冲击、摩擦和磨损，是典型的"短寿命"部件。

传统上，受料斗和布料器衬板采用Mn13钢（高锰钢）制造。Mn13钢以其优异的加工硬化能力著称，在冲击载荷下表面硬度可从200HV提高至400HV以上。然而，在高炉受料斗的实际工况下，矿石的冲击频率高、冲击角度多变，Mn13钢的加工硬化效果往往不能充分发挥，导致衬板寿命偏低，频繁更换不仅影响高炉产量，还增加了维护成本和安全风险。

核心技术与工艺方案

衬板结构创新

本文提出的新技术方案为：以铸钢或Q235钢作为基板，通过粘涂堆焊耐磨合金，并在关键磨损区域镶嵌TiC-钢条块。这一方案的核心创新点在于"复合结构"设计理念，即通过不同材料在不同位置的合理配置，实现整体性能的最优化。

粘涂堆焊工艺特点

"粘涂堆焊"是一种介于机械粘附和焊接之间的连接方式。与传统堆焊相比，粘涂堆焊具有以下特点：

1. 焊接热输入较低，对基板的组织影响小，减少了基板变形和裂纹风险。
2. 堆焊层与基板的冶金结合程度介于熔焊和机械粘接之间，界面结合强度适中。
3. 工艺灵活性高，可在大型现场部件上进行施工，无需将部件整体送厂加工。

对于高炉受料斗和布料器这类大型部件，现场施工能力是选择工艺的关键考量因素。粘涂堆焊工艺正好满足了这一需求。

TiC镶块的增强机理

TiC（碳化钛）的硬度高达2800~3100 HV，熔点高达3150°C，是已知的最硬、最稳定的碳化物之一。将TiC以镶块形式嵌入堆焊层中，相当于在耐磨层中引入了硬质相增强体。其增强机理包括：

• 直接接触增强：TiC镶块直接与矿石接触，承受磨粒磨损的主要载荷。
• 应力分散效应：TiC镶块的引入改变了堆焊层的应力分布，使局部应力集中得到缓解。
• 磨粒偏转效应：高硬度TiC表面使磨粒在接触时发生偏转，减少了对基体堆焊层的切削作用。

工程效果与效益分析

寿命提升效果

文献明确指出，新衬板的使用寿命比原Mn13钢衬板提高5~8倍以上。这一效果在工程上具有显著的经济价值。以一座年产300万吨的高炉为例，受料斗和布料器衬板的更换频率大幅降低，带来的效益包括：

• 减少高炉停风次数，提高高炉利用率。
• 降低衬板材料采购和加工成本。
• 减少高空作业维护频次，降低安全风险。
• 减少废衬板的处理成本。

5W2H分析法在技术改进中的应用

从5W2H角度审视这一技术改进：

• What（改什么）：衬板材料和结构。
• Why（为什么改）：Mn13钢不耐磨、寿命低。
• Where（在哪里改）：高炉受料斗和布料器。
• When（什么时候改）：2003年前后，国内高炉大型化趋势下维护成本压力增大。
• Who（谁来做）：山东省冶金科学研究院与济钢联合攻关。
• How（怎么改）：复合结构+粘涂堆焊+TiC镶块。
• How much（效果如何）：寿命提高5~8倍。

这种系统化的分析框架有助于技术人员在提出改进方案时全面考虑各个维度，避免遗漏关键因素。

关键问题与工程实践思考

粘涂堆焊界面可靠性

粘涂堆焊的核心挑战在于界面结合可靠性。与完全熔焊相比，粘涂堆焊的界面结合强度通常较低，在长期冲击载荷下存在界面脱层的风险。在实际工程中，需要关注以下问题：

1. 界面结合强度是否满足设计载荷要求。
2. 热循环疲劳对界面结合的影响。
3. 冲击载荷下界面脱层的起始和扩展行为。

建议在工程验收中增加界面剪切强度测试，并制定定期检测制度。

TiC镶块的磨损与更换

TiC镶块虽然硬度极高，但在长期服役中也会逐渐磨损。当镶块磨损到一定程度时，其增强效果会显著下降。工程上需要考虑：

• TiC镶块的磨损寿命与堆焊层的匹配性。
• 镶块磨损后的更换工艺和经济性。
• 镶块间距和尺寸的优化设计。

与Mn13钢的对比分析

从全寿命周期成本（LCC）角度看，复合衬板虽然初始成本较高，但考虑到寿命的大幅提升和停机损失的减少，综合经济性明显优于Mn13钢衬板。

学习心得与启示

本文虽然篇幅不长，但体现了典型的工程问题导向型研究思路：从实际生产问题出发，通过材料选择和结构设计的创新，实现了性能的显著提升。这种"实用主义"的研究风格在工程领域具有重要的参考价值。

从技术层面看，本文的核心贡献在于提出了"基板+堆焊层+镶块"的三层次复合结构理念。这一理念的核心思想是：不同材料各司其职，在各自最擅长的工况下发挥作用。铸钢或Q235钢提供结构强度，耐磨合金堆焊层提供整体耐磨性，TiC镶块提供局部超高耐磨性。这种"分而治之"的材料设计策略，在当今的先进制造领域得到了广泛应用，如功能梯度材料（FGM）、金属基复合材料（MMC）等。

从工程推广角度看，粘涂堆焊工艺的可现场施工特性是这一技术方案得以成功应用的关键。在大型冶金设备的维护中，很多改进方案虽然性能优异，但因无法在现场施工而难以推广。本文的方案在工艺可行性与性能提升之间找到了良好的平衡点，值得在类似工程场景中借鉴。

总体而言，本文为高炉上部部件的耐磨改造提供了一种经济有效的技术方案，其核心思想——通过复合结构和工艺创新实现性能突破——对钢铁行业的设备维护与改造具有普遍的参考价值。在"双碳"目标和降本增效的大背景下，这类工程技术创新研究将发挥越来越重要的作用。