转炉汽化冷却烟道泄漏故障分析

2013-09-26邱星武刘春阁

精密成形工程 2013年2期

邱星武，刘春阁

(四川建筑职业技术学院 a.材料工程系;b.交通与市政工程系，四川德阳 618000)

1 存在的问题

转炉汽化冷却烟道是转炉炼钢的主要配套设备之一，该设备在工作时要最大限度地收集高温烟气，承受最高的炉气温度和剧烈频繁的温度变化，同时它与转炉的生产过程直接相连，作为转炉炼钢工艺的一部分直接参与炼钢生产，转炉汽化冷却烟道组成部件如图1所示。

凌源钢铁集团有限责任公司炼钢厂3#转炉首段烟道和活动烟罩于2005年1月28日投产，投产16个月后大面积泄漏，烟道平均1个月需停炉补焊4～6次。泄漏点主要分布在首段烟道下料口附近2 m内，绝大多数为横向裂纹，烟气侧管壁厚度有较严重的减薄现象，最薄只有1.5 mm。与首段烟道不同，活动烟罩泄漏点分布无规律，通常发生在喷头堵塞和联箱管上。

图1 转炉汽化冷却烟道Fig.1 Converter evaporative cooling flue

存在的故障不仅直接影响了炼钢的生产，而且造成浪费，使成本提高，同时给生产带来了安全隐患。

2 泄漏原因分析

按金属腐蚀破坏的形态和腐蚀区的分布，分为全面腐蚀和局部腐蚀。全面腐蚀是指腐蚀分布于整个金属的表面。全面腐蚀有各处腐蚀程度相同的均匀腐蚀，也有不同腐蚀区腐蚀程度不同的非均匀腐蚀。腐蚀主要集中在金属表面的某些区域称为局部腐蚀。尽管局部腐蚀的腐蚀量不大，但是由于其局部的腐蚀速度很大，可造成设备的严重破坏，甚至爆炸，因此其危害更大。许多金属材料构件都工作在腐蚀的环境中，同时还承受着交变载荷的作用。与惰性环境中承受交变载荷的情况相比，交变载荷与侵蚀性环境的联合作用往往会显著降低构件疲劳性能，这种疲劳损伤现象称为腐蚀疲劳。腐蚀疲劳又称为交变应力腐蚀。在交变应力，如热应力或弯曲应力的作用下，金属晶格间产生滑移，破坏了金属表面的保护膜。由于电化学腐蚀在滑移处会产生微观腐蚀，微观腐蚀在交变应力作用下发展成裂纹。裂纹在交变应力和裂纹尖端阳极溶解过程的共同作用下，不断发展。腐蚀疲劳裂纹的特征是:在宏观上裂纹常常成群地、丛状地垂直于应力方向分布;微观上裂纹多是穿晶分布，不分枝或很少分枝。当应力较小，以腐蚀作用为主时，裂纹端部多呈圆钝状，反之则端部略尖。腐蚀性热疲劳损坏，一般产生的裂纹不大，很少发生爆破，在断口上既有腐蚀破坏特征，又有疲劳破坏特征，因此断口上有腐蚀产物、腐蚀坑、腐蚀沟、槽式台阶以及疲劳弧带、疲劳沟纹、疲劳台阶等。疲劳断口粗糙，没有收缩减薄现象。为了防止腐蚀疲劳，主要应消除或减小附加应力，采取合理的结构，减小温度剧变等[1－4]。

从故障现象看，汽化烟道在转炉冶炼过程中周期性受高温转炉烟气的冲刷，长期承受交变应力，受热管与隔板之间焊缝在使用过程中易出现受热管管壁撕裂现象，产生渗漏。活动烟罩和固定烟道不同程度地存在腐蚀疲劳现象。汽化冷却系统发生的全面腐蚀由除氧效果不佳引起。含氧量超标会造成包括汽化冷却烟道、汽包和管道整个系统的腐蚀，同时也会加剧腐蚀疲劳。腐蚀疲劳是在腐蚀与循环应力的联合作用下产生的。影响金属腐蚀疲劳的因素主要有以下几方面。

1)应力循环频率。其影响很显著，应力循环频率越低，腐蚀疲劳越严重。

2)疲劳加载方式。影响的顺序为:扭转疲劳＞旋转弯曲疲劳＞拉压疲劳。

3)介质的腐蚀性。溶解氧、温度、pH值和溶液成分都会影响腐蚀疲劳。

4)施加极化电流。一般说来，阴极极化可抑制腐蚀疲劳，而阳极极化则促进疲劳。

5)材料耐蚀性。耐蚀性较高的金属，如钛、铜及其合金、不锈钢等对腐蚀疲劳的敏感性较小;耐蚀性差的金属，如高强铝合金、镁合金等对腐蚀疲劳的敏感性较大[5－7]。

活动烟罩和固定烟道存在很大的热应力，经仔细核对原设计图纸和现场检测，主要发现以下问题。

1)首段烟道前后、左右4个支座采取焊接固定式安装，未给烟道膨胀留有空间。

2)首段烟道与中I段烟道联接的膨胀节保持膨胀间隙为78.9 mm，小于原设计的79.7 mm。

3)首段烟道支撑座按图纸要求应悬空，但目前却用槽钢固定于平台。

4)管道支架布置不合理导致活动烟罩和固定烟道热膨胀受限。烟道及管道安装偏差也造成了热膨胀受限和过大的热应力。

制造安装和检修处理不当，会导致活动烟罩和固定烟道的下联箱积渣，加上排污管受现场条件的限制，未设在最底部，无法将较大粒径的水垢、焊渣和氧化物等排除。这是移动烟罩部分喷头堵塞的主要原因。如堵塞的受热管缺水，在较短时间内就会因超温而破坏。

随着炼钢生产操作工艺的不断改进与革新，转炉采用“溅渣护炉”等新技术。与此同时，由于采用炉口除渣工艺，对炉口凝积的“冷钢”采用氧枪喷吹将其熔化，因而熔化后喷射的钢(及渣)液粒子易溅到烟道、罩上。烟道、罩由于长期受到高温钢液粒子和烟气颗粒的冲蚀、周期性温度变化，导致产生“竹节状”热疲劳裂纹、麻点和穿孔漏水等现象。另外灰渣磨损、碎屑和金属表面在相互摩擦过程中不断磨损。受热管的磨损也会加剧疲劳破坏。在一定的磨损条件下，疲劳破坏程度可能会减小到没有磨损时的1/3或更小。

3 改造方案

拆除移动烟罩与平台固定的支架，让支座悬空。修正与汽化冷却烟道相接管道的不合理走向和管道支吊架，降低由于管道转移给烟道的应力。首段烟道前后、左右4个支座采取活动滑道式安装，首段烟道与中I段烟道联接的膨胀节保持膨胀间隙不小于79.7 m，给烟道膨胀留有足够空间。

针对烟道、罩磨薄情况，采用先进的热喷涂工艺对其进行了表面强化处理。固定烟道斜段下半周受热管的磨损问题可通过改进管材来解决，原来采用的材料是20钢，其缺点为气焊时厚度小，外形要求严格、形状复杂的制件上易发生裂纹。改进后所选材料为高铬合金钢，其在高温下硬度高，表面可形成硬且韧的玻璃状氧化物，高温下氧化速度不快。另外也可以通过增加管壁厚度来解决。