转炉汽化冷却烟道失效分析

孟雪海，王锁涛，岳立涛

（1.秦皇岛北方管业有限公司，河北 秦皇岛 066004；2.燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北 秦皇岛 066004；3.首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 063200）

0 引言

转炉汽化冷却烟道又称余热锅炉，整体结构由Q235钢板和20G冷却管拼焊而成，结构如图1所示。在转炉吹炼过程中产生大量的高温高压烟气，温度高达1400～1600℃。这些烟气在循环风机的作用下，沿着汽化冷却烟道流通、冷却；与此同时，软化水经由高压循环水泵输送进入烟道冷却管路，并迅速吸热汽化转变为高压蒸汽。在这一过程中，汽化冷却烟道内侧与高温烟气直接接触，工作温度从300～1600 ℃急剧变化，管路内部还要承受高压蒸汽的压力，工况条件复杂[1-3]。

图1 烟道结构示意图

国内某钢铁公司汽化冷却烟道正常使用寿命平均为4～5 a，然而最近新更换的烟道在使用0.5 a左右就频繁出现泄漏,每次停产对漏点进行补焊不久，其余部位管段又出现泄漏，对正常生产造成极大影响。烟道破损情况如图2所示，在整体更换新烟道后，上述问题依然存在。

图2 更换下来的烟道

1 失效原因分析

1.1 宏观形貌

失效烟道的宏观形貌如图3所示。图3（a）为烟道破损的局部照片，表面附有烟尘和氧化层，破损集中在烟道冷却管中间的隔板上，局部形成较大的孔洞，上下两侧的冷却管基本完好。图3（b）为破损隔板纵向取样的断面放大图像，腐蚀形貌呈沟壑状，深度从2 mm至5 mm不等，并且集中在烟道的内侧。通过观察发现，烟道破损部位集中在隔板内侧表面，冷却管表面有少量腐蚀坑，但整体管路尚且完好；同时，观察各部位腐蚀痕迹附近都没有裂纹产生。

图3 烟道破损部位宏观形貌

1.2 微观形貌

烟道表面的微观形貌如图4所示。图4（a）为烟道表面的SEM图，表面不规则分布着许多黑色的腐蚀坑；图4（b）为腐蚀坑内部SEM图，发现附着的腐蚀产物较多，呈团状形态。所有观察到的腐蚀坑附近都没有裂纹出现，结合宏观形貌分析说明没有应力腐蚀的作用。

图4 烟道表面的SEM图像

1.3 金相及元素分析

在失效冷却管直管段取样品，同时取20G原料管材进行金相分析对比，如图5、图6所示。基体组织均为铁素体+渗碳体，原料样品铁素体直径约10 μm，失效样品铁素体直径约15 μm，相比失效样品晶粒有长大趋势，但不明显。从金相分析结果可以排除过热失效的可能。

图5 失效冷却管金相分析

图6 20G管材金相分析

同时，对失效样品晶体表面进行元素扫描分析，未发现有害元素，如图7及表1所示，可以排除材质不合格造成失效的原因。

表1 失效冷却管元素分析结果

图7 失效冷却管元素分析

1.4 腐蚀产物能谱分析

对烟道表面不同部位腐蚀产物进行能谱分析，结果如表2所示。分析表明，腐蚀产物中含有较多Cl、S元素。

表2 腐蚀产物成分质量分数%

1.5 腐蚀产物XPS分析

对烟道多个部位的腐蚀产物进行XPS测试并进行分析。结合前面的分析，着重分析Fe、Cl、S的窄区XPS能谱图。因各部位分析结果类似，以下举例示意说明。

图8（a）为烟道腐蚀产物的XPS全谱图，从中能够看出腐蚀产物主要含有Fe、Cr、O、C、Cl、S、P、Si等元素。图8（b）为Fe的窄区XPS能谱图，谱图中峰能够被拟合为2个拟合峰，这2个拟合峰的中心位置分别为712.7、725.9 eV，其中712.7 eV的峰与标准数据库中的Fe3+的化合物对应。图8（c）为S的窄区XPS能谱图，谱图中峰能够被拟合为3个拟合峰，这3个拟合峰的中心位置分别为165.9、169.5、176.2 eV，说明腐蚀产物中有明显的硫化物存在。图8（d）为Cl的窄区XPS能谱图，谱图中峰能够被拟合为2个拟合峰，这2个拟合峰的中心位置分别为198.3、199.8 eV，说明腐蚀产物中存在含Cl-的化合物。

图8 腐蚀产物XPS分析

通过比较烟道不同部位腐蚀产物的XPS分析，发现各部位的腐蚀产物中S和Cl元素含有量较多，其中Cl元素大多是以Cl-形式存在，并与Fe、Ca、Na、Cu等元素形成氯的化合物，极少数是和氧结合形成氯氧化合物；S元素主要是和氧结合形成SO42-，再和Fe、Ca、Na等元素形成化合物。这就进一步说明烟道的腐蚀是由S和Cl元素引起的。

1.6 Cl和S元素的来源

分别对转炉同期生产中使用的40号钢渣、冷却造渣、球团、碱泥、酸泥5种辅助炉料进行X荧光分析，其中Cl和S含量如表3所示。从中可以发现球团和40号钢渣的Cl和S含量很少，而冷却造渣剂、碱泥、酸泥的Cl和S含量相对较高，尤其是酸泥的Cl含量非常高。这说明腐蚀物中的Cl和S主要来自酸泥，其次是碱泥及冷却造渣剂。通过生产操作人员了解得知，所谓酸泥是冷轧酸洗线回收酸洗液过滤收集的含铁泥块，酸洗线使用盐酸作为酸洗剂，所以回收的酸泥不可避免地含有大量的Cl-。

表3 物料的Cl和S含量

2 结论及原因探讨

以上的分析结果可以判定汽化冷却烟道失效是由S和Cl元素腐蚀造成的，并且通过对炉料的成分分析准确地寻找到腐蚀介质的来源。通过跟踪后续生产情况，在消除这些高腐蚀性原料后，转炉生产恢复正常，也印证了这一判断。但是其中的腐蚀机理，仍旧存在值得探讨的地方。

转炉吹氧冶炼是一个强氧化反应，在这一过程中炉料中的S氧化生成SO3、SO2进入烟气中，Cl元素以单质形式进入烟气；产生的烟气温度在1400～1600 ℃之间变化，成分以CO为主，是还原性氛围。在烟道内SO3、SO2及Cl2在高温催化作用下与烟道内侧表面的氧化铁膜、铁单质反应生产硫酸盐、氯化盐等。Fe2（SO4）3的分解点为480 ℃，FeSO4沸点为330 ℃，FeCl2熔点为677 ℃，沸点为1023 ℃，FeCl3熔点为304 ℃，约316 ℃分解[4]。在冷却水的作用下，烟道内表面温度大约在100～600 ℃之间循环变化，这个温度范围正好覆盖了生成的硫酸盐、氯化盐的熔点或沸点。随着生产周期的循环，当温度再次超过它们的熔点或沸点，这些硫酸盐、氯化盐或熔化被气流带离原位或气态挥发，使底层金属重新暴露在腐蚀环境中，循环往复直至腐蚀穿孔。由于隔板处于两根冷却管之间，冷却效果最差，温度最高，相应的腐蚀也最为严重。同时，在冶炼周期中，烟道的温度波动及冷却管道内部蒸汽压力变化造成热胀冷缩，使表面腐蚀层开裂、脱落，加速了这一腐蚀进程[6-8]。

3 改进建议

经过查阅相关文献[9-13]并结合工作实践，为了预防汽化冷却烟道的腐蚀穿孔，提高烟道的使用寿命，提出的改进建议如下：1）控制炼钢炉料中腐蚀性成分的含量，要对原料成分进行分析、筛选，重点关注炉料中的Cl和S元素含量；2）烟道主体选用铬镍奥氏体不锈钢, 如0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti、0Cr25Ni20等，增强材料抗腐蚀性能和热交换性能；3）稳定炼钢工艺，避免操作不当发生的剧烈喷溅、结渣，减少对烟道部位的热冲击；4）提高并实时监测软水流量、压力等，增强冷却系统的换热能力，避免亏水、缺水情况发生。