轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道泄漏故障分析

邱星武，劉春閣

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 a.材料工程系;b.交通與市政工程系，四川 德陽 618000)

1 存在的問題

轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道是轉(zhuǎn)爐煉鋼的主要配套設(shè)備之一，該設(shè)備在工作時(shí)要最大限度地收集高溫?zé)煔猓惺茏罡叩臓t氣溫度和劇烈頻繁的溫度變化，同時(shí)它與轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)過程直接相連，作為轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的一部分直接參與煉鋼生產(chǎn)，轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道組成部件如圖1所示。

凌源鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司煉鋼廠3#轉(zhuǎn)爐首段煙道和活動(dòng)煙罩于2005年1月28日投產(chǎn)，投產(chǎn)16個(gè)月后大面積泄漏，煙道平均1個(gè)月需停爐補(bǔ)焊4～6次。泄漏點(diǎn)主要分布在首段煙道下料口附近2 m內(nèi)，絕大多數(shù)為橫向裂紋，煙氣側(cè)管壁厚度有較嚴(yán)重的減薄現(xiàn)象，最薄只有1.5 mm。與首段煙道不同，活動(dòng)煙罩泄漏點(diǎn)分布無規(guī)律，通常發(fā)生在噴頭堵塞和聯(lián)箱管上。

圖1 轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道Fig.1 Converter evaporative cooling flue

存在的故障不僅直接影響了煉鋼的生產(chǎn)，而且造成浪費(fèi)，使成本提高，同時(shí)給生產(chǎn)帶來了安全隱患。

2 泄漏原因分析

按金屬腐蝕破壞的形態(tài)和腐蝕區(qū)的分布，分為全面腐蝕和局部腐蝕。全面腐蝕是指腐蝕分布于整個(gè)金屬的表面。全面腐蝕有各處腐蝕程度相同的均勻腐蝕，也有不同腐蝕區(qū)腐蝕程度不同的非均勻腐蝕。腐蝕主要集中在金屬表面的某些區(qū)域稱為局部腐蝕。盡管局部腐蝕的腐蝕量不大，但是由于其局部的腐蝕速度很大，可造成設(shè)備的嚴(yán)重破壞，甚至爆炸，因此其危害更大。許多金屬材料構(gòu)件都工作在腐蝕的環(huán)境中，同時(shí)還承受著交變載荷的作用。與惰性環(huán)境中承受交變載荷的情況相比，交變載荷與侵蝕性環(huán)境的聯(lián)合作用往往會(huì)顯著降低構(gòu)件疲勞性能，這種疲勞損傷現(xiàn)象稱為腐蝕疲勞。腐蝕疲勞又稱為交變應(yīng)力腐蝕。在交變應(yīng)力，如熱應(yīng)力或彎曲應(yīng)力的作用下，金屬晶格間產(chǎn)生滑移，破壞了金屬表面的保護(hù)膜。由于電化學(xué)腐蝕在滑移處會(huì)產(chǎn)生微觀腐蝕，微觀腐蝕在交變應(yīng)力作用下發(fā)展成裂紋。裂紋在交變應(yīng)力和裂紋尖端陽極溶解過程的共同作用下，不斷發(fā)展。腐蝕疲勞裂紋的特征是:在宏觀上裂紋常常成群地、叢狀地垂直于應(yīng)力方向分布;微觀上裂紋多是穿晶分布，不分枝或很少分枝。當(dāng)應(yīng)力較小，以腐蝕作用為主時(shí)，裂紋端部多呈圓鈍狀，反之則端部略尖。腐蝕性熱疲勞損壞，一般產(chǎn)生的裂紋不大，很少發(fā)生爆破，在斷口上既有腐蝕破壞特征，又有疲勞破壞特征，因此斷口上有腐蝕產(chǎn)物、腐蝕坑、腐蝕溝、槽式臺階以及疲勞弧帶、疲勞溝紋、疲勞臺階等。疲勞斷口粗糙，沒有收縮減薄現(xiàn)象。為了防止腐蝕疲勞，主要應(yīng)消除或減小附加應(yīng)力，采取合理的結(jié)構(gòu)，減小溫度劇變等[1－4]。

從故障現(xiàn)象看，汽化煙道在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中周期性受高溫轉(zhuǎn)爐煙氣的沖刷，長期承受交變應(yīng)力，受熱管與隔板之間焊縫在使用過程中易出現(xiàn)受熱管管壁撕裂現(xiàn)象，產(chǎn)生滲漏?；顒?dòng)煙罩和固定煙道不同程度地存在腐蝕疲勞現(xiàn)象。汽化冷卻系統(tǒng)發(fā)生的全面腐蝕由除氧效果不佳引起。含氧量超標(biāo)會(huì)造成包括汽化冷卻煙道、汽包和管道整個(gè)系統(tǒng)的腐蝕，同時(shí)也會(huì)加劇腐蝕疲勞。腐蝕疲勞是在腐蝕與循環(huán)應(yīng)力的聯(lián)合作用下產(chǎn)生的。影響金屬腐蝕疲勞的因素主要有以下幾方面。

1)應(yīng)力循環(huán)頻率。其影響很顯著，應(yīng)力循環(huán)頻率越低，腐蝕疲勞越嚴(yán)重。

2)疲勞加載方式。影響的順序?yàn)?扭轉(zhuǎn)疲勞＞旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞＞拉壓疲勞。

3)介質(zhì)的腐蝕性。溶解氧、溫度、pH值和溶液成分都會(huì)影響腐蝕疲勞。

4)施加極化電流。一般說來，陰極極化可抑制腐蝕疲勞，而陽極極化則促進(jìn)疲勞。

5)材料耐蝕性。耐蝕性較高的金屬，如鈦、銅及其合金、不銹鋼等對腐蝕疲勞的敏感性較小;耐蝕性差的金屬，如高強(qiáng)鋁合金、鎂合金等對腐蝕疲勞的敏感性較大[5－7]。

活動(dòng)煙罩和固定煙道存在很大的熱應(yīng)力，經(jīng)仔細(xì)核對原設(shè)計(jì)圖紙和現(xiàn)場檢測，主要發(fā)現(xiàn)以下問題。

1)首段煙道前后、左右4個(gè)支座采取焊接固定式安裝，未給煙道膨脹留有空間。

2)首段煙道與中I段煙道聯(lián)接的膨脹節(jié)保持膨脹間隙為78.9 mm，小于原設(shè)計(jì)的79.7 mm。

3)首段煙道支撐座按圖紙要求應(yīng)懸空，但目前卻用槽鋼固定于平臺。

4)管道支架布置不合理導(dǎo)致活動(dòng)煙罩和固定煙道熱膨脹受限。煙道及管道安裝偏差也造成了熱膨脹受限和過大的熱應(yīng)力。

制造安裝和檢修處理不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致活動(dòng)煙罩和固定煙道的下聯(lián)箱積渣，加上排污管受現(xiàn)場條件的限制，未設(shè)在最底部，無法將較大粒徑的水垢、焊渣和氧化物等排除。這是移動(dòng)煙罩部分噴頭堵塞的主要原因。如堵塞的受熱管缺水，在較短時(shí)間內(nèi)就會(huì)因超溫而破壞。

隨著煉鋼生產(chǎn)操作工藝的不斷改進(jìn)與革新，轉(zhuǎn)爐采用“濺渣護(hù)爐”等新技術(shù)。與此同時(shí)，由于采用爐口除渣工藝，對爐口凝積的“冷鋼”采用氧槍噴吹將其熔化，因而熔化后噴射的鋼(及渣)液粒子易濺到煙道、罩上。煙道、罩由于長期受到高溫鋼液粒子和煙氣顆粒的沖蝕、周期性溫度變化，導(dǎo)致產(chǎn)生“竹節(jié)狀”熱疲勞裂紋、麻點(diǎn)和穿孔漏水等現(xiàn)象。另外灰渣磨損、碎屑和金屬表面在相互摩擦過程中不斷磨損。受熱管的磨損也會(huì)加劇疲勞破壞。在一定的磨損條件下，疲勞破壞程度可能會(huì)減小到?jīng)]有磨損時(shí)的1/3或更小。

3 改造方案

拆除移動(dòng)煙罩與平臺固定的支架，讓支座懸空。修正與汽化冷卻煙道相接管道的不合理走向和管道支吊架，降低由于管道轉(zhuǎn)移給煙道的應(yīng)力。首段煙道前后、左右4個(gè)支座采取活動(dòng)滑道式安裝，首段煙道與中I段煙道聯(lián)接的膨脹節(jié)保持膨脹間隙不小于79.7 m，給煙道膨脹留有足夠空間。

針對煙道、罩磨薄情況，采用先進(jìn)的熱噴涂工藝對其進(jìn)行了表面強(qiáng)化處理。固定煙道斜段下半周受熱管的磨損問題可通過改進(jìn)管材來解決，原來采用的材料是20鋼，其缺點(diǎn)為氣焊時(shí)厚度小，外形要求嚴(yán)格、形狀復(fù)雜的制件上易發(fā)生裂紋。改進(jìn)后所選材料為高鉻合金鋼，其在高溫下硬度高，表面可形成硬且韌的玻璃狀氧化物，高溫下氧化速度不快。另外也可以通過增加管壁厚度來解決。

4 結(jié)語

通過對轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道系統(tǒng)進(jìn)行熱負(fù)荷及其所受應(yīng)力、腐蝕等多方面的原因分析，提出了改造措施。目前對漏水較嚴(yán)重的煉鋼廠3#爐煙道通過采取以上部分措施，有效控制了煙道泄漏和反復(fù)出現(xiàn)裂紋的問題，檢修周期延長1倍以上，大大降低故障時(shí)間，保障了生產(chǎn)的順利運(yùn)行，創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。

[1]孫秋霞.材料腐蝕與防護(hù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2001:55－87.

[2]陸永亮，曹美霞.重型鹽霧試驗(yàn)影響因素探討[J].梅山科技，2012(1):56－58.

[3]陳鴻海.金屬腐蝕學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，1995:12－56.

[4]徐京輝.鹽霧試驗(yàn)及鹽霧試驗(yàn)箱應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:國防工業(yè)出版社，1993:27－40.

[5]曾榮昌，韓恩厚.材料的腐蝕與防護(hù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006:9－75.

[6]楊德鈞，沈卓身.金屬腐蝕學(xué)[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2003:16－92.

[7]楊熙珍，楊武.金屬腐蝕電化學(xué)熱力學(xué)電位-pH圖及其應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1991:106－107.