电弧炉水冷炉盖的一种泄漏问题的分析

2024-02-20徐学景乔志国刘建波

工业加热 2024年1期

徐学景,乔志国,刘建波

(烟台国冶冶金水冷设备有限公司,山东烟台 265500)

1 电弧炉冶炼简介

电弧炉炼钢是通过石墨电极向电弧炼钢炉内输入电能,以废钢(部分以直接还原的海绵铁)为主要原料,通过电极端部和炉料之间发生的电弧为热源进行炼钢的方法。电弧炉以电能为热源,随着冶炼技术的提高,电力工业的发展,低廉的原料供应,电炉钢的成本不断降低。电炉不但用于生产合金钢,而且大量用来生产普通碳素钢,其产量在国家钢总产量中占有相当大的比重。

2 设备泄漏的状况表述

2.1 设备运行状况

电弧炉炼钢炉盖,运行为不定时间歇生产,工作压力1.6 MPa,炼钢钢种主要为不锈钢和其他合金钢。

2.2 设备泄漏状态

泄漏部位位于炉盖扇形板出烟口偏炉盖中心侧,炉盖出烟口圆周直管与弯管过渡位置,裂纹为钢管母材裂纹,非焊接位置(如图1、图2所示)。

图1 冶金电弧炉示意图

图2 炉盖扇形板水路结构及泄漏位置图

裂纹状态:裂纹形式为横向裂纹,脆性断裂,裂纹长度约为1/3钢管周长(如图3、图4所示)。

图3 钢管裂纹形状

图4 钢管漏水状态

3 设备制造背景

3.1 制作背景描述

该设备在用户定制之前对该位置钢管有明确要求,对该出烟口长圆形钢管在弯管成型后进行退火消应力热处理,防止钢管应力产生应力裂纹。如图5所示。

图5 裂纹钢管部件结构及泄漏位置

3.2 钢管材料

设备制作材料使用20G-GB5310钢管,规格均为Φ83 mm×10mm。

3.3 制作工艺

该长圆管为两段半圆管焊接而成,中间有一处对接焊缝,端部焊接90°弯头连进出水管路。

3.4 消应力热处理

热处理工艺为:入炉温度≤400 ℃,升温速度≤100 ℃/h,620±20 ℃保温,保温时间90 min,随炉冷却至400 ℃,冷却速度≤120 ℃/h,后空冷至室温。

4 失效原因分析

4.1 未失效部位的理化分析

取失效钢管的未产生失效部位的外侧钢管,经化学成分检测、拉伸试验和金相分析,均符合GB/T5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》标准要求。

4.2 失效部位的理化检测

4.2.1 硬度检测

对钢管失效部位进行硬度检测,比对未失效部位的外侧钢管,未失效部位检测维氏硬度Hv10在110～130;失效部位外表面硬度,在150～170区间,失效部位硬度明显高于未失效部位,并处于GB/T5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》标准上限或偏高于标准要求。

4.2.2 金相分析

取失效部位的钢管对受热面和非受热面分别进行金相分析,受热面金相见图6,非受热面金相见图7。

图6 钢管受热面金相

图7 钢管非受热面金相

观察金相组织可以看出,受热面外壁存在有完全脱碳层,金相组织为铁素体,晶粒粗大。向内金相组织为铁素体,原有片状珠光体已发生珠光体球化现象,碳化物分散向晶界聚集。通过这种现象可以看出,设备在运行过程中,钢管受热面不同程度地产生了过热现象。非受热面金相组织为铁素体+片状珠光体,金相组织正常。

4.2.3 综合分析

低碳钢的正常金相组织为铁素体+珠光体,珠光体是由铁素体和渗碳体所组成的机械混合物。铁素体是软韧相,渗碳体是脆硬相。渗碳体以细片状分散地分布在铁素体的机体上,起到了强化作用。因此珠光体有较高的强度和硬度,但塑性相对较差。

设备原材料钢管在运行过程中,受到冶炼热能辐射影响,在冷却水不能及时抵制温度上升的条件下,会导致珠光体碳化物分散性聚集,严重情况下产生珠光体球化现象。碳化物的聚集导致部分部位硬度偏高,材料韧性下降。

20G低碳钢在受到高温影响后,材料在达到450 ℃后,抗拉强度会急剧降低。GB5310—2017标准中20G材料的高温规定塑性延伸强度在450 ℃为98 MPa,500 ℃仅为49 MPa(见表1)。

表1 20G材料的高温规定塑性延伸强度 MPa

从设备结构来看,易失效部位位于环形管偏上位置,针对这个局部的环形管,进出水位置处在同一高度点,设备在运行过程中,注水过程中或者频繁停开机冷热交变作用,会在环管上部产生气体聚集,由于气体不易及时排出形成局部气堵,冷却不良高温使内部聚集气体快速汽化,温度升高导致钢管韧性下降,脆性增加,强度减弱,在这种热应力作用下产生材料产生裂纹。