電弧爐水冷爐蓋的一種泄漏問題的分析

徐學(xué)景,喬志國(guó),劉建波

(煙臺(tái)國(guó)冶冶金水冷設(shè)備有限公司,山東 煙臺(tái) 265500)

1 電弧爐冶煉簡(jiǎn)介

電弧爐煉鋼是通過石墨電極向電弧煉鋼爐內(nèi)輸入電能,以廢鋼(部分以直接還原的海綿鐵)為主要原料,通過電極端部和爐料之間發(fā)生的電弧為熱源進(jìn)行煉鋼的方法。電弧爐以電能為熱源,隨著冶煉技術(shù)的提高,電力工業(yè)的發(fā)展,低廉的原料供應(yīng),電爐鋼的成本不斷降低。電爐不但用于生產(chǎn)合金鋼,而且大量用來生產(chǎn)普通碳素鋼,其產(chǎn)量在國(guó)家鋼總產(chǎn)量中占有相當(dāng)大的比重。

2 設(shè)備泄漏的狀況表述

2.1 設(shè)備運(yùn)行狀況

電弧爐煉鋼爐蓋,運(yùn)行為不定時(shí)間歇生產(chǎn),工作壓力1.6 MPa,煉鋼鋼種主要為不銹鋼和其他合金鋼。

2.2 設(shè)備泄漏狀態(tài)

泄漏部位位于爐蓋扇形板出煙口偏爐蓋中心側(cè),爐蓋出煙口圓周直管與彎管過渡位置,裂紋為鋼管母材裂紋,非焊接位置(如圖1、圖2所示)。

圖1 冶金電弧爐示意圖

圖2 爐蓋扇形板水路結(jié)構(gòu)及泄漏位置圖

裂紋狀態(tài):裂紋形式為橫向裂紋,脆性斷裂,裂紋長(zhǎng)度約為1/3鋼管周長(zhǎng)(如圖3、圖4所示)。

圖3 鋼管裂紋形狀

圖4 鋼管漏水狀態(tài)

3 設(shè)備制造背景

3.1 制作背景描述

該設(shè)備在用戶定制之前對(duì)該位置鋼管有明確要求,對(duì)該出煙口長(zhǎng)圓形鋼管在彎管成型后進(jìn)行退火消應(yīng)力熱處理,防止鋼管應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。如圖5所示。

圖5 裂紋鋼管部件結(jié)構(gòu)及泄漏位置

3.2 鋼管材料

設(shè)備制作材料使用20G-GB5310鋼管,規(guī)格均為Φ83 mm×10mm。

3.3 制作工藝

該長(zhǎng)圓管為兩段半圓管焊接而成,中間有一處對(duì)接焊縫,端部焊接90°彎頭連進(jìn)出水管路。

3.4 消應(yīng)力熱處理

熱處理工藝為:入爐溫度≤400 ℃,升溫速度≤100 ℃/h,620±20 ℃保溫,保溫時(shí)間90 min,隨爐冷卻至400 ℃,冷卻速度≤120 ℃/h,后空冷至室溫。

4 失效原因分析

4.1 未失效部位的理化分析

取失效鋼管的未產(chǎn)生失效部位的外側(cè)鋼管,經(jīng)化學(xué)成分檢測(cè)、拉伸試驗(yàn)和金相分析,均符合GB/T5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 失效部位的理化檢測(cè)

4.2.1 硬度檢測(cè)

對(duì)鋼管失效部位進(jìn)行硬度檢測(cè),比對(duì)未失效部位的外側(cè)鋼管,未失效部位檢測(cè)維氏硬度Hv10在110～130;失效部位外表面硬度,在150～170區(qū)間,失效部位硬度明顯高于未失效部位,并處于GB/T5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)上限或偏高于標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2.2 金相分析

取失效部位的鋼管對(duì)受熱面和非受熱面分別進(jìn)行金相分析,受熱面金相見圖6,非受熱面金相見圖7。

圖6 鋼管受熱面金相

圖7 鋼管非受熱面金相

觀察金相組織可以看出,受熱面外壁存在有完全脫碳層,金相組織為鐵素體,晶粒粗大。向內(nèi)金相組織為鐵素體,原有片狀珠光體已發(fā)生珠光體球化現(xiàn)象,碳化物分散向晶界聚集。通過這種現(xiàn)象可以看出,設(shè)備在運(yùn)行過程中,鋼管受熱面不同程度地產(chǎn)生了過熱現(xiàn)象。非受熱面金相組織為鐵素體+片狀珠光體,金相組織正常。

4.2.3 綜合分析

低碳鋼的正常金相組織為鐵素體+珠光體,珠光體是由鐵素體和滲碳體所組成的機(jī)械混合物。鐵素體是軟韌相,滲碳體是脆硬相。滲碳體以細(xì)片狀分散地分布在鐵素體的機(jī)體上,起到了強(qiáng)化作用。因此珠光體有較高的強(qiáng)度和硬度,但塑性相對(duì)較差。

設(shè)備原材料鋼管在運(yùn)行過程中,受到冶煉熱能輻射影響,在冷卻水不能及時(shí)抵制溫度上升的條件下,會(huì)導(dǎo)致珠光體碳化物分散性聚集,嚴(yán)重情況下產(chǎn)生珠光體球化現(xiàn)象。碳化物的聚集導(dǎo)致部分部位硬度偏高,材料韌性下降。

20G低碳鋼在受到高溫影響后,材料在達(dá)到450 ℃后,抗拉強(qiáng)度會(huì)急劇降低。GB5310—2017標(biāo)準(zhǔn)中20G材料的高溫規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度在450 ℃為98 MPa,500 ℃僅為49 MPa(見表1)。

表1 20G材料的高溫規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度 MPa

從設(shè)備結(jié)構(gòu)來看,易失效部位位于環(huán)形管偏上位置,針對(duì)這個(gè)局部的環(huán)形管,進(jìn)出水位置處在同一高度點(diǎn),設(shè)備在運(yùn)行過程中,注水過程中或者頻繁停開機(jī)冷熱交變作用,會(huì)在環(huán)管上部產(chǎn)生氣體聚集,由于氣體不易及時(shí)排出形成局部氣堵,冷卻不良高溫使內(nèi)部聚集氣體快速汽化,溫度升高導(dǎo)致鋼管韌性下降,脆性增加,強(qiáng)度減弱,在這種熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生材料產(chǎn)生裂紋。

5 預(yù)防措施

針對(duì)設(shè)備產(chǎn)生問題的原因,可以從以下方面考慮對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化:

(1)優(yōu)化設(shè)備原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),改善該環(huán)形結(jié)構(gòu)的進(jìn)出水方式和位置,使得水路中水循環(huán)順暢,改善冷卻效果。

(2)降低該環(huán)形鋼管的焊接應(yīng)力,在原有退火熱處理的基礎(chǔ)上,改善與之相連的焊接方式,在保證焊接強(qiáng)度的情況下,盡量減少附件的焊接量,減少焊接應(yīng)力。

(3)與之相關(guān)聯(lián)的,還需要考慮制作和安裝過程中設(shè)備內(nèi)部的清潔問題,杜絕異物進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部,雖然非本案相關(guān)因素,但這也是影響水冷設(shè)備冷卻效果的關(guān)鍵因素。

6 結(jié) 語

本文對(duì)這種典型的泄漏問題簡(jiǎn)要分析,僅代表個(gè)人意見。涉及專業(yè)方面的知識(shí),本人才疏學(xué)淺,或有理解偏頗,僅供讀者參考;同時(shí)也希望該文案能夠給業(yè)內(nèi)技術(shù)人員帶來幫助。