轉爐汽化冷卻煙道泄漏故障分析

邱星武，劉春閣

(四川建筑職業技術學院 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

轉爐汽化冷卻煙道是轉爐煉鋼的主要配套設備之一，該設備在工作時要最大限度地收集高溫煙氣，承受最高的爐氣溫度和劇烈頻繁的溫度變化，同時它與轉爐的生產過程直接相連，作為轉爐煉鋼工藝的一部分直接參與煉鋼生產，轉爐汽化冷卻煙道組成部件如圖1所示。

凌源鋼鐵集團有限責任公司煉鋼廠3#轉爐首段煙道和活動煙罩于2005年1月28日投產，投產16個月后大面積泄漏，煙道平均1個月需停爐補焊4～6次。泄漏點主要分布在首段煙道下料口附近2 m內，絕大多數為橫向裂紋，煙氣側管壁厚度有較嚴重的減薄現象，最薄只有1.5 mm。與首段煙道不同，活動煙罩泄漏點分布無規律，通常發生在噴頭堵塞和聯箱管上。

圖1 轉爐汽化冷卻煙道Fig.1 Converter evaporative cooling flue

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

2 泄漏原因分析

按金屬腐蝕破壞的形態和腐蝕區的分布，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，可造成設備的嚴重破壞，甚至爆炸，因此其危害更大。許多金屬材料構件都工作在腐蝕的環境中，同時還承受著交變載荷的作用。與惰性環境中承受交變載荷的情況相比，交變載荷與侵蝕性環境的聯合作用往往會顯著降低構件疲勞性能，這種疲勞損傷現象稱為腐蝕疲勞。腐蝕疲勞又稱為交變應力腐蝕。在交變應力，如熱應力或彎曲應力的作用下，金屬晶格間產生滑移，破壞了金屬表面的保護膜。由于電化學腐蝕在滑移處會產生微觀腐蝕，微觀腐蝕在交變應力作用下發展成裂紋。裂紋在交變應力和裂紋尖端陽極溶解過程的共同作用下，不斷發展。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。當應力較小，以腐蝕作用為主時，裂紋端部多呈圓鈍狀，反之則端部略尖。腐蝕性熱疲勞損壞，一般產生的裂紋不大，很少發生爆破，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，沒有收縮減薄現象。為了防止腐蝕疲勞，主要應消除或減小附加應力，采取合理的結構，減小溫度劇變等[1－4]。

從故障現象看，汽化煙道在轉爐冶煉過程中周期性受高溫轉爐煙氣的沖刷，長期承受交變應力，受熱管與隔板之間焊縫在使用過程中易出現受熱管管壁撕裂現象，產生滲漏。活動煙罩和固定煙道不同程度地存在腐蝕疲勞現象。汽化冷卻系統發生的全面腐蝕由除氧效果不佳引起。含氧量超標會造成包括汽化冷卻煙道、汽包和管道整個系統的腐蝕，同時也會加劇腐蝕疲勞。腐蝕疲勞是在腐蝕與循環應力的聯合作用下產生的。影響金屬腐蝕疲勞的因素主要有以下幾方面。

1)應力循環頻率。其影響很顯著，應力循環頻率越低，腐蝕疲勞越嚴重。

2)疲勞加載方式。影響的順序為:扭轉疲勞＞旋轉彎曲疲勞＞拉壓疲勞。

3)介質的腐蝕性。溶解氧、溫度、pH值和溶液成分都會影響腐蝕疲勞。

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，如高強鋁合金、鎂合金等對腐蝕疲勞的敏感性較大[5－7]。

活動煙罩和固定煙道存在很大的熱應力，經仔細核對原設計圖紙和現場檢測，主要發現以下問題。

1)首段煙道前后、左右4個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段煙道聯接的膨脹節保持膨脹間隙為78.9 mm，小于原設計的79.7 mm。

3)首段煙道支撐座按圖紙要求應懸空，但目前卻用槽鋼固定于平臺。

4)管道支架布置不合理導致活動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力。

制造安裝和檢修處理不當，會導致活動煙罩和固定煙道的下聯箱積渣，加上排污管受現場條件的限制，未設在最底部，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，在較短時間內就會因超溫而破壞。

隨著煉鋼生產操作工藝的不斷改進與革新，轉爐采用“濺渣護爐”等新技術。與此同時，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，導致產生“竹節狀”熱疲勞裂紋、麻點和穿孔漏水等現象。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。受熱管的磨損也會加劇疲勞破壞。在一定的磨損條件下，疲勞破壞程度可能會減小到沒有磨損時的1/3或更小。

3 改造方案

拆除移動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，降低由于管道轉移給煙道的應力。首段煙道前后、左右4個支座采取活動滑道式安裝，首段煙道與中I段煙道聯接的膨脹節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，采用先進的熱噴涂工藝對其進行了表面強化處理。固定煙道斜段下半周受熱管的磨損問題可通過改進管材來解決，原來采用的材料是20鋼，其缺點為氣焊時厚度小，外形要求嚴格、形狀復雜的制件上易發生裂紋。改進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 結語

通過對轉爐汽化冷卻煙道系統進行熱負荷及其所受應力、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出現裂紋的問題，檢修周期延長1倍以上，大大降低故障時間，保障了生產的順利運行，創造了經濟效益。

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

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

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

[4]徐京輝.鹽霧試驗及鹽霧試驗箱應用技術基礎[M].北京:國防工業出版社，1993:27－40.

[5]曾榮昌，韓恩厚.材料的腐蝕與防護[M].北京:化學工業出版社，2006:9－75.

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

[7]楊熙珍，楊武.金屬腐蝕電化學熱力學電位-pH圖及其應用[M].北京:化學工業出版社，1991:106－107.