對于轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐中20G失效原因的研究畢業(yè)設(shè)計

1、 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 第頁 摘 要近年來隨著冶金行業(yè)的迅猛發(fā)展，事故也時有發(fā)生，對人民生命財產(chǎn)安全造成極大危害，其中高壓管失效甚至爆炸導(dǎo)致的事故也時有發(fā)生。高壓管道在冶金行業(yè)中的主要應(yīng)用就是轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐的集氣煙道等部件，據(jù)統(tǒng)計全國約百分之80的轉(zhuǎn)爐都配有余熱鍋爐。本文以取自鞍鋼集團鲅魚圈分廠的失效的20g余熱鍋爐管道為樣品，制備成金相觀察試樣后通過金相顯微鏡進行金相觀察，分析其裂紋和金相組織，通過查閱大量文獻資料比對裂紋形式，生長情況，及裂紋周邊組織以及對試樣的使用環(huán)境進行詳盡的了解，采用微觀與宏觀相結(jié)合的綜合分析得出了熱疲勞，材料中非金屬夾雜以及生產(chǎn)工藝達不到技術(shù)要求等為20g在使用

2、過程中失效的原因。在20g使用過程中應(yīng)盡量克服以上失效原因以延長余熱鍋爐等部件的使用壽命，確保生命財產(chǎn)安全，增加經(jīng)濟效益。關(guān)鍵詞: 管用20鋼；余熱鍋爐；集氣煙罩；失效原因 abstractwith the rapid development of metallurgical industry in recent years, the accidents occurred much frequently, and it makes great harm to the lives and property security of people. and the accidents that th

3、e high-pressure pipe failure even explosion have occurred sometimes. what high pressure pipe mainly used in metallurgical industry is the collecting-gas flues of the heat recovery boiler in the converter. according to statistics, about eighty percent of the converters are equipped with a heat recove

4、ry boiler. this paper takes the failed 20g pipe of the heat recovery boilers collected from ba yu quan branch of anshan iron and steel group corporation as an example, makes it a metallographic observation sample, carries out the metallographic observation under the metallographic microscope and ana

5、lyze its cracks and the microstructure. by looking up a large number of literatures to compare the cracks forms, growth, and the peripheral tissues around the cracks and get a detailed understanding about the operational environment of the sample. by the comprehensive analysis with the combination o

6、f micro and macro, it comes to get the reasons why 20g fails in the process of using that are thermal fatigue, the non-metallic in the materials and production processs failure to meet the technical requirements, etc. thus, in the process of using 20g, it is necessary to overcome the above failure r

7、easons so as to prolong the service life of the heat recovery boiler and the other parts, to ensure workers lives and property securities and to increase the economic benefits.key words：20g；exhaust-heat boiler；the gas-collecting hood；failure causeii 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 第ii 頁 目 錄摘 要iabstractii目 錄i1.文獻綜述11.

8、1管用20鋼的概述11.2我國20g鋼發(fā)展現(xiàn)狀41.2.1 電爐冶煉20g鋼41.3余熱鍋爐的概述41.3.1余熱鍋爐在冶金生產(chǎn)中的地位41.3.2 20g在余熱鍋爐中應(yīng)用51.4課題由來62.試樣的裂紋觀察與失效原因分析72.1試樣的宏觀觀察分析72.2試樣的金相分析72.2.1試樣的金相分析用主要設(shè)備82.2.2金像試樣制備方法82.2.3試樣的金相分析過程92.3試樣失效的原因102.3.1普遍原因102.3.2試樣因短期高溫過熱燒損112.3.3試樣因長期高溫過熱裂紋122.3.4試樣材料與工藝方面的原因142.3.5其他原因143.結(jié)論174.改進措施184.1使用涂層184.2改進

9、吹煉工藝184.3控制合理槍位184.4修訂檢修作業(yè)的規(guī)章制度194.5修改爐前操作崗位規(guī)程19致 謝20參考文獻21 ii 1.文獻綜述1.1管用20鋼的概述 表1.1 20g鋼的化學(xué)成分為，% c mn si p s 0.160.24 0.160.24 0.350.65 0.040 0.045 加熱條件： 1200加熱，保溫時間10分鐘; 原始奧氏體晶粒平均弦長172m。軋制條件： 軋制溫度8001100，相對變形量045%。未再結(jié)晶區(qū) (軋制溫度800，相對變形量30%)奧氏體晶粒平均弦長47m 。圖1.1為20g鋼變形奧氏體再結(jié)晶圖，圖1.2為20g鋼軋制溫度與變形奧氏體再結(jié)晶百分數(shù)的

10、關(guān)系；圖1.3為20g鋼相對變形量與變形奧氏體再結(jié)晶百分數(shù)的關(guān)系；圖1.4為20g 鋼軋后停留時間與變形奧氏體再結(jié)晶百分數(shù)的關(guān)系。 圖1.1 20g鋼變形奧氏體再結(jié)晶圖 加熱條件： 1200保溫10分鐘; 軋后立即淬火未再結(jié)晶區(qū); 部分再結(jié)晶區(qū); 完全再結(jié)晶區(qū)圖1.2 20g鋼軋制溫度與變形奧氏體再結(jié)晶百分數(shù)的關(guān)系加熱條件： 1200保溫10分鐘; 軋后立即淬火; 相對變形量：145%; 235%; 330%; 425%; 520%; 615%; 710%圖1.3 20g鋼相對變形量與變形奧氏體再結(jié)晶百分數(shù)的關(guān)系加熱條件： 1200保溫10分鐘; 軋后立即淬火;軋制溫度td：11100;210

11、50; 31000;4950;5900;6800圖1.4 20g鋼軋后停留時間與變形奧氏體再結(jié)晶百分數(shù)的關(guān)系加熱條件： 1200保溫10分鐘;軋制溫度： 900; 相對變形量：145%; 235%; 325%; 415% 圖1.5 試樣的金相圖譜 20倍 組織說明：上中部為裂紋開端為feo夾雜，其余區(qū)域為珠光體和鐵素體，呈魏氏組織，晶粒級4級左右。浸蝕方法：4硝酸酒精溶液浸蝕1 任贊頌, 張靜江, 陳質(zhì)如. 鋼鐵金相圖譜j. 2003.1.2 我國20g鋼發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 電爐冶煉20g鋼我國的20g轉(zhuǎn)同生產(chǎn)方式一般為電爐冶煉，這種生產(chǎn)方式其自身也存在著缺陷，如純潔度無法得到有效保證，殘余元

12、素、氮含量等無法達到用戶要求，而且效率低、成本高2 劉麒麟,王成新,張勇.電爐連鑄生產(chǎn)高壓鍋爐管坯夾雜物控制技術(shù) j ,寶鋼技術(shù)，2002，（6）：33-38.1.2.2 轉(zhuǎn)爐冶煉20g鋼的嘗試目前少數(shù)企業(yè)開始嘗試開始用轉(zhuǎn)爐進行該鋼種冶煉，轉(zhuǎn)爐冶煉的優(yōu)有節(jié)奏快、效率高、成本低等優(yōu)點，只是技術(shù)工藝要求頗高，比較成功的經(jīng)驗有包鋼采用ld+lf工藝，但其鋼中氧含量高危（4866）10-6。石鋼采用ld+lf+vd工藝試制的20g高壓鍋爐管鋼總氧含量低，在a ls含量0.010時鋼中總氧量僅為（1222）10-6，殘余元素cr，ni，cu及有害元素p，s含量低，成本比電爐工藝降低約444元/t。3 武

13、云峰, 戴觀文, 毛天榮. 石鋼 20g 高壓鍋爐管鋼的生產(chǎn)實踐j. 河北冶金, 2006, 5: 011.成品質(zhì)量滿足用戶要求并且效益顯著。1.3余熱鍋爐的概述1.3.1 余熱鍋爐在冶金生產(chǎn)中的地位轉(zhuǎn)爐的余熱鍋爐不僅僅用來回收煤氣、蒸汽和氧化鐵塵，而且其與轉(zhuǎn)爐氧槍進行連鎖,冷卻煙氣,控制過?？諝庀禂?shù),為回收煤氣和氧化鐵塵創(chuàng)造條件， 同時利用轉(zhuǎn)爐煙氣余熱回收大量的蒸汽，是作為轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的一部分直接參與煉鋼生產(chǎn)的。4 隋建才, 丘紀(jì)華.轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐故障分析及對策j. 冶金能源, 2003, 22 ( 2): 37- 40.因而轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐的設(shè)備狀況直接影響煉鋼轉(zhuǎn)爐的正常生產(chǎn),與此同時轉(zhuǎn)爐余熱鍋

14、爐也是轉(zhuǎn)爐余熱回收、鋼廠節(jié)能減排的重要手段, 在煉鋼廠占有十分重要的地位。相比其他的工業(yè)鍋爐, 煉鋼轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐的運行工況隨轉(zhuǎn)爐運行工況的變化而急劇變化。當(dāng)轉(zhuǎn)爐吹煉時, 大量的高溫?zé)煔饬鬟^余熱鍋爐, 余熱鍋爐內(nèi)的熱負荷急劇增加, 管壁溫度、介質(zhì)溫度隨之升高; 當(dāng)吹煉停止時, 余熱鍋爐內(nèi)的熱負荷急劇減小, 管壁溫度、介質(zhì)溫度隨之下降。并且, 轉(zhuǎn)爐冶煉的工況變化非常頻繁, 30 40m in一個周期。1.3.2 20g在余熱鍋爐中應(yīng)用如此惡劣的運行條件必然對余熱鍋爐的使用壽命產(chǎn)生影響因此對鍋爐材質(zhì)的要求也更為嚴(yán)苛，而20g這種高壓鍋爐管用鋼是余熱鍋爐中煙道等關(guān)鍵部件應(yīng)用最廣泛的鋼種。目前, 煉鋼轉(zhuǎn)

15、爐余熱鍋爐的使用壽命很短, 上段冷卻煙道的壽命為6 8年5 董茂林, 侯祥松, 孫明慶. 煉鋼轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐壽命影響因素淺析與改進探討j. 第 5 屆中國金屬學(xué)會青年學(xué)術(shù)年會論文集, 2010., 活動煙罩、爐口段煙道處在鋼水飛濺、煙氣磨損的環(huán)境下, 運行條件更加惡劣, 壽命僅為1年左右, 并且即使在使用壽命期內(nèi)設(shè)備事故率也很高, 需經(jīng)常檢修,不僅檢修工作量大, 而且在安全運行上存在隱患, 同時也影響鋼產(chǎn)量。所以, 分析轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐的壽命影響因素, 并采取相應(yīng)措施延長其使用壽命, 顯得非常重要。如下圖1.6、1.7即為應(yīng)用在余熱鍋爐中的20g鋼的破損情況照片。圖1.8、1.9為筆者取自鞍山鋼鐵公

16、司鲅魚圈分廠的失效20g樣品破損情況。 圖1.6 余熱鍋爐中熱負荷最大管破損情況5 圖1.7鍋爐管的銹蝕情況5 圖1.8試樣表面裂紋 圖1.9管坯樣品破損情況1.4 課題由來現(xiàn)在社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)這么發(fā)達，發(fā)展的還非常迅猛，人們對材料的要求越來越高，鋼鐵也不例外，所以潔凈鋼現(xiàn)在用的非常廣泛，那么在冶煉潔凈鋼的過程中，就要有非常高的標(biāo)準(zhǔn)，尤其是一些特殊用途的鋼種，20g鋼是目前冶金工業(yè)中廣泛使用的一種壓力容器鋼，研究它的高溫斷裂性能和裂紋擴展規(guī)律分析其原因，可為壓力容器檢測和延長其安全使用壽命提供重要的依據(jù)，是一項很有意義的工作。其次，20g高壓鍋爐管鋼長年在高溫、高壓等高危環(huán)境下運行，在冶金工

17、業(yè)這樣一個集高溫高壓高危氣體與一身的行業(yè)中，這種情況尤為突出，以本文研究的轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐為例，集氣煙罩的任何一支管子出現(xiàn)問題，有害氣體溢出且極有可能發(fā)生爆炸，輕者設(shè)備損壞，造成財產(chǎn)損失，重者危害工作人員生命安全發(fā)生人身傷亡事故，更有可能危及下方轉(zhuǎn)爐本體安全，若轉(zhuǎn)爐本體發(fā)生事故，后果不堪設(shè)想，所以我們對在轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐中使用的20g高壓鍋爐管的性能一定要提出嚴(yán)格的要求以保證不會發(fā)生意外，這也就對我們對于轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐中20g失效原因的研究提出了要求。所以筆者利用金相分析法淺顯地分析了20g的失效原因，并提出了一些建議與改進措施。2.試樣的裂紋觀察與失效原因分析 2.1試樣的宏觀觀察分析 圖2.8 經(jīng)打

18、磨拋光的試樣利用線切割機切下長30mm，寬15mm試樣如圖2.8，經(jīng)酸處理除去表面銹跡以及砂紙打磨后試樣表面出現(xiàn)眾多肉眼可辨彌散性縱向表面裂紋，宏觀實測其長度為：1025mm,裂紋深度經(jīng)縣委測定一般在0.20.5mm，最大深度可達1mm，經(jīng)放大觀察裂紋寬度不大于0.5mm。經(jīng)查閱資料可知如果管坯表面僅有局部有少量的在標(biāo)準(zhǔn)允許氛圍內(nèi)的缺陷，經(jīng)酸洗檢查風(fēng)鏟磨修工序，大多數(shù)是可以處理好的。如果大面積彌散形裂紋，要清除這樣的缺陷，除了對管坯采用全面剝皮的方法外，用目前的風(fēng)鏟磨修方式難以清除。管坯表面純在任何缺陷全都會帶到鋼管產(chǎn)品的表面上去，這些有缺陷的部位往往會產(chǎn)生應(yīng)力集中，通過熱塑性變形，是得原有的

19、缺陷加深加長，造成鋼管失效報廢6 熊正威. 轉(zhuǎn)爐固定煙罩異常失效原因及對策j. 機械工程師, 2011, 11: 105.。2.2試樣的金相分析金相分析是金屬材料試驗研究的重要手段之一，采用定量金相學(xué)原理由二維金相試樣磨面或薄膜的金相纖維組織的測量和計算來確定合金組織的三維空間形貌，可以建立合金成分、組織和性能見的定量關(guān)系。進項檢測設(shè)備配套靈活，再配以金相圖像分析系統(tǒng)便能夠真正實現(xiàn)檢測一體化，開展各種金屬材料顯微組織檢驗及評定、晶粒度、非金屬夾雜物、脫碳層、滲碳硬化層測定等檢測項目。2.2.1試樣的金相分析用主要設(shè)備試樣磨拋機、線切割機、電子顯微鏡等2.2.2金像試樣制備方法金相分析用試樣的制

20、備過程包括取樣、鑲嵌、磨制、拋光、浸蝕等工序。（1）取樣試樣的選取應(yīng)根據(jù)研究的目的取鋼材中具有代表性的部位。帶確定好部位就可以把試樣截下。（2）鑲嵌如果試樣尺寸太小，直接用手磨制困難時，可把試樣鑲嵌在低熔點合金或塑料中，以便于式樣的磨制和拋光。（3）磨制將切好或鑲嵌好的試樣在砂輪機上磨平，尖角處要倒角。然后再分別用2#和1#等粗砂布磨光。再換用w28、w20、w14、w10等金相砂紙逐級細磨，一直磨到w10砂紙后即可在拋光機上進行粗拋光和細拋光。磨制試樣時。每更換一號砂紙。試試樣墨汁方向應(yīng)旋轉(zhuǎn)90。確保上一道紗質(zhì)的磨痕被抹掉，實施楊的表面光潔度進一步提高。在每一號砂紙上磨制試樣時。要沿一個方向

21、磨，切忌往返磨制，并且給是試樣施加的壓力要適當(dāng)。（4）拋光經(jīng)過砂紙細末的試樣還需進行拋光，拋光的目的是去除細末時遺留下來的磨痕而獲得光亮的金屬表面。試樣的拋光在拋光機上進行，拋光機轉(zhuǎn)速100150r/min。拋光時在跑光盤盤面上覆蓋有絲絨等織物，并不斷在試樣上涂抹拋光膏。拋光膏是由可溶性金剛石等極細粒度的磨料加水形成的懸浮液，依靠拋光液中極精細的拋光粉末與試樣磨面間產(chǎn)生的相對磨削和滾壓作用來消除磨痕。拋光時應(yīng)使試樣磨面均勻地壓在旋轉(zhuǎn)地拋光盤上，并沿盤的邊緣到中心不斷做徑向運動。除機械拋光方法外，還有電解拋光、化學(xué)拋光等其他拋光方法（5）浸蝕經(jīng)拋光后的試樣必須經(jīng)過浸蝕后才能在顯微鏡下進行金相組織

22、觀察。浸蝕試樣主要是依靠浸蝕劑對金屬的溶解或電化學(xué)腐蝕過程，是金屬試樣表面的晶粒、晶界及各組成相間呈現(xiàn)凹凸不平，在顯微鏡下就可以清晰的觀察到試樣表面的金相組織。浸蝕時間要適當(dāng)，一般以試樣磨面發(fā)暗時就可以停止浸蝕。試樣浸蝕后立即用凈水沖洗，然后用究竟沖洗，最后用吹風(fēng)機吹干，吹干后的試樣即可置于金相顯微鏡下進行觀察。2.2.3 試樣的金相分析過程 圖片2.9 裂紋 1000倍 圖片2.10 裂紋 1000倍 圖片2.11 裂紋開端 2000倍 圖片2.12 裂紋開端及夾雜 2000倍金相觀察管坯裂縫處從經(jīng)放大20倍的圖片2.12可見，裂紋的末端較尖，在其周圍有灰色氧化物，裂紋的裂變也有明顯的弧形孤

23、凸現(xiàn)象其裂縫內(nèi)除了灰色feo填充物之外，在裂紋的兩側(cè)尚有塊狀灰色氧化物和細小顆粒狀灰色氧化物質(zhì)點，裂紋周邊無明顯脫碳，基體為鐵素體和球化的珠光體。裂紋內(nèi)鐵的氧化物經(jīng)浸蝕后顯示出不同的組成：feo變暗（為大部分的基體）；fe2o3為亮灰色呈條狀分布；fe3o4為灰色1。如圖2.9和圖2.10有均明顯夾雜，這也證明，在金屬的致密性受到破壞出現(xiàn)裂紋的區(qū)域大多數(shù)是氧化物或硅酸鹽等非金屬夾雜物聚集造成的。筆者查閱相關(guān)資料7 曹勝華.全氣化轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐活動煙罩的設(shè)計探討。冶金能源，2000，19（1）：40-45.得知：氧化物一類夾雜物在高溫下抗變形的阻力較金屬大，而其膨脹系數(shù)又遠比鋼基體為小，因此鋼材在

24、軋制冷卻后在夾雜周圍就會產(chǎn)生應(yīng)力場，而且這些應(yīng)力主要是張力，這種存在著應(yīng)力集中的地方往往會成為裂紋的起源和開端。由于裂縫經(jīng)過的位置有較多的氧化物夾雜聚集，即裂紋沿夾雜形成開裂，因此管坯表面的裂縫一般較短且無重復(fù)性，鋼中非金屬夾雜物數(shù)量越多，形成管坯表面裂縫越嚴(yán)重。 從圖片2.11金相觀察裂紋形態(tài)看，裂縫端部圓鈍，裂縫空腔兩壁較為光滑。且端部及周圍分布有許多氧化物顆粒，這說明有高溫氣體由裂縫向內(nèi)部擴散所形成的氧化現(xiàn)象，氧化顆粒分布在晶內(nèi)及晶界上，上文提到裂紋周圍的組織為鐵素體加珠光體，晶粒度為4級，裂縫周圍無明顯脫碳層?？梢酝茰y，管坯表面在鋼錠開坯前可能就在氧化物夾雜處存在應(yīng)力集中或者裂縫開端，

25、而在軋制過程中管坯上的裂紋發(fā)展暴露在表面，此后又因使用環(huán)境的惡劣有進一步的發(fā)展而在管坯表面伸長擴展，最終導(dǎo)致管坯失效8 jianli l, xiaogang l, genshuan xie, et al. fatigue properties for 20g and 2.25 cr-1mo steels after hydrogen attackj. 2009.。2.3 試樣失效的原因 筆者通過查閱大量文獻比對試樣的金相分析結(jié)果，綜合試樣在轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)中復(fù)雜而有惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，現(xiàn)提出如下的20g在使用過程中失效的原因：2.3.1普遍原因轉(zhuǎn)爐煙氣中含有h2s、so2、co2 等氧化性氣體，在高溫狀態(tài)

26、下對煙罩管壁產(chǎn)生氧化腐蝕。轉(zhuǎn)爐煙罩管壁被腐蝕后，其接觸表面積增大，導(dǎo)致鋼液粒子在管壁上極易產(chǎn)生結(jié)渣現(xiàn)象，另外噴濺導(dǎo)致煙罩掛渣、粘冷鋼，降低了煙罩管壁熱交換效果，產(chǎn)生局部過熱而燒損破壞。同時，煙氣腐蝕管壁表面保護層破壞，煙氣中大量粉塵、高速料流、濺渣及吹煉鋼水粒子等，溫度高、沖擊力大，隨著高速煙氣流動，對煙罩管壁沖刷磨損加劇。而且，轉(zhuǎn)爐煙罩管壁腐蝕、磨損后材料抗熱疲勞性能嚴(yán)重下降，使用過程中產(chǎn)生疲勞裂紋及竹節(jié)狀斑紋，這是轉(zhuǎn)爐煙罩中管坯磨損失效的普遍原因。圖1、圖2 是固定煙罩下線前最后一次異常破損情況照片。 圖2.1 異常破損9 圖2.2 異常破損9 圖中，破損點位于固定煙罩底部90彎頭內(nèi)側(cè)高約

27、80mm 區(qū)域，破損區(qū)域周圍幾根管子管壁厚度現(xiàn)場實測1.4mm 左右，此處壁厚異常，減薄嚴(yán)重，已多次出現(xiàn)類似破損現(xiàn)象。但從幾次類似破損情況來看，破口裂紋呈縱向分布，周圍未發(fā)現(xiàn)明顯燒損熔融痕跡，可以說明該煙罩流量能滿足要求，否則，煙罩受熱面管壁會出現(xiàn)很多因強度不足導(dǎo)致的橫向裂紋。該煙罩管壁的異常減薄主要原因是沖刷、磨損腐蝕所致，可能存在的原因如下：（1）爐前側(cè)加料口與氧槍口之間角度過大（11），導(dǎo)致加料過程中料流撞擊氧槍反彈后對煙道管壁造成沖刷磨損。（2）固定煙罩距爐口過近（868mm），導(dǎo)致煉鋼過程中，鋼液粒噴濺后被風(fēng)機吸走，對固定煙罩底部受熱面沖刷磨損加劇。（3）og 風(fēng)機轉(zhuǎn)速偏高，煙罩入口

28、處煙氣流速達27m/s，超過了設(shè)計流速（25m/s），導(dǎo)致煙氣沖刷磨損加劇。 （4）由于爐前側(cè)兌鐵水、加廢鋼，導(dǎo)致煙罩受熱面管道在爐前側(cè)磨損最嚴(yán)重9 熊正威. 轉(zhuǎn)爐固定煙罩異常失效原因及對策j. 機械工程師, 2011, 11: 105. 。2.3.2 試樣因短期高溫過熱燒損短期高溫過熱燒損是固定煙罩比較常見的破壞形式，占到所有漏水事故20%-30%左右，同時短期高溫過熱燒損破口較大，一旦發(fā)生，漏汽嚴(yán)重，必須立即停爐修補，對生產(chǎn)的影響極大。失效管樣爆口一般為唇型，也稱菱形撕裂，長約6070mm，最寬處25mm，外壁光滑，邊緣薄如刀刃，被噴出的水汽混合物淬硬，但其背火側(cè)無任何異常。這種破壞形式也

29、僅見于固定煙罩，裙罩和移動煙罩投產(chǎn)三年以來從未出現(xiàn)這種情況。瞬間高溫過熱爆管破口處如圖2.3 所示：破口呈喇叭狀，管子嚴(yán)重突起破口處減薄，邊緣鋒利，韌性斷裂，外表為黑色氧化組織。破口內(nèi)壁較為光潔。破口附近沒有平行于破口的縱向裂紋。 圖2.3 喇叭狀破口 9 圖2.4 不規(guī)則菱形破口9短期過熱爆管如圖2.4 所示，破口較大，呈不規(guī)則菱形，破口附近管子突起且較遠處管子也有不同程度的突起。短期過熱是管子受嚴(yán)重高溫力學(xué)性能急劇下降，管子在壓力的作用下發(fā)生塑性變形以至破損。造成固定煙罩受熱面短期過熱的原因主要有三個：一是排管內(nèi)壁嚴(yán)重結(jié)垢；二是吹煉過程中噴濺導(dǎo)致高溫鋼渣大量附著在管壁；三是爐口大量積渣而采

30、用吹氧清理爐口時導(dǎo)致固定煙罩底管燒損。吹氧過程中排管表面附著的高溫鋼渣是造成固定煙罩短期過熱爆管的最主要原因。頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐在吹煉過程中，由氧槍吹入的高壓氧氣與轉(zhuǎn)爐內(nèi)部的鐵水發(fā)生劇烈的碳氧反應(yīng)，少數(shù)鋼水微團獲得足夠能量濺到固定煙罩排管上，1600的鋼水團附著在排管表面，排管內(nèi)部的汽水混合物迅速汽化，由于蒸汽的傳熱性能低于水，造成排管溫度迅速上升，一旦超過723管材屈服強度、抗拉強度急劇降低，而排管內(nèi)部介質(zhì)壓力在3.0mpa 以上，在內(nèi)部水汽混合物壓力的作用下，排管快速蠕伸變形爆破，導(dǎo)致了瞬時過熱爆管。2.3.3 試樣因長期高溫過熱裂紋固定煙罩受熱面排管長期高溫過熱鼓包破裂的危險程度介于高溫短期過

31、熱爆管和沖刷腐蝕磨損穿管之間，因為高溫破裂的裂口小，易修補，對生產(chǎn)接湊影響較小，但修復(fù)后難以堅持較長時間。高溫長期過熱裂紋的裂口邊緣厚鈍，外壁粗糙，有縱向小裂紋如樹皮狀，也有橫向小裂紋如竹節(jié)狀，而且管內(nèi)側(cè)宏觀無改變，金相組織也無變化。低溫長期過熱一般是由于排管中有雜物、水垢、銹垢或腐蝕產(chǎn)物影響傳熱，而引起的排管溫度升高發(fā)生鼓包變形，當(dāng)變形量超過原管尺寸的3.5%后，會發(fā)生鼓包破裂現(xiàn)象。影響排管正常傳熱的原因：（1）大部分煙罩采用自然循環(huán), 由于煙罩區(qū)域較上部煙道的煙氣溫度更高, 熱負荷更大；如武鋼煉鋼主煙道段和尾部煙道段的理論計算平均表面熱強度95 kw / m2, 固定煙罩段的平均表面熱強度

32、已達251 kw / m2, 而活動煙罩段的平均表面熱強度高達352kw / m210 webster g a. fracture mechanics in the creep range j.journal stainanalysis, 1994;29(3):215-223.。變化也更加劇烈，在吹煉期前3min , 轉(zhuǎn)爐的煙氣量由零猛增到最大, 導(dǎo)致自然循環(huán)的水流動產(chǎn)生脈沖變化, 吹煉初期水循環(huán)尚未形成, 熱負荷的猛增容易使受熱管中的水由核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)槟B(tài)沸騰, 形成汽膜阻隔。同時煙罩內(nèi)熱偏差較之上部煙道更大, 加上掛渣的影響, 下部煙罩各受熱管間吸熱更不均勻。煙罩區(qū)域熱負荷的這些特點, 使

33、循環(huán)停滯或倒流, 傳熱惡化, 引起管壁溫度急劇升高, 當(dāng)壁溫超過20g鋼所容許的極限溫度時, 受熱管即燒壞。而有些廠則在投產(chǎn)后一周就出現(xiàn)鍋爐爆管, 冷卻管壁嚴(yán)重減薄的現(xiàn)象。有些廠則是投產(chǎn)后3個月左右出現(xiàn)水冷壁管燒壞漏水的情況。投產(chǎn)后一周就出現(xiàn)爆管的廠,經(jīng)檢查爆管主要是由于投產(chǎn)時間緊張,沒有按照鍋爐的煮爐程序執(zhí)行, 冷卻段入口節(jié)流孔雜質(zhì)堵塞嚴(yán)重造成的。筆者建議轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐的煮爐程序應(yīng)嚴(yán)格參照鍋爐煮爐工藝規(guī)程執(zhí)行。3個月左右出現(xiàn)鍋爐爆管的廠, 經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)爆管多是由于鍋爐水質(zhì)很差, 結(jié)垢嚴(yán)重造成的。因此要嚴(yán)格控制補給水水質(zhì)及運行過程中的排污、加藥、取樣等程序。對于汽包最高工作壓力3.8mpa的余熱鍋

34、爐, 鍋爐補給水及鍋水的水質(zhì)應(yīng)符合gb/t1576-2008 工業(yè)鍋爐水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn), 對于汽包最高工作壓力3.8mpa的轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐補給水及鍋水的水質(zhì)應(yīng)參照gb/t12145火力發(fā)電機組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行11 羅明新. 20 g鋼管坯表面彌散性裂縫綜合分析j. 江西冶金, 1991, 4: 015.。（2）強制循環(huán)配水不均的問題，目前使用的轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐, 有一段或多段采用強制循環(huán)冷卻, 強制循環(huán)冷卻段的具體數(shù)量根據(jù)不同的系統(tǒng)而定。由于各段之間、同一段不同的換熱管流動阻力不同, 在不同段之間, 為了使冷卻段得到更好的冷卻, 冷卻水量應(yīng)根據(jù)各段的熱負荷進行分配； 同一段內(nèi), 各換熱管的冷卻

35、水量應(yīng)根據(jù)不同換熱管的熱負荷進行分配，熱負荷越大則冷卻水量相應(yīng)要越大。為了冷卻水流量的分配, 各強制循環(huán)冷卻段的換熱管入口設(shè)置了節(jié)流孔, 也稱為lamont管。為了不致熱負荷較大,較長的換熱管燒壞, 每個換熱管入口節(jié)流孔的大小應(yīng)根據(jù)熱負荷進行計算。在使換熱管內(nèi)水流速度大于最小臨界流速的前提下, 熱負荷越大的換熱管其冷卻水量也相應(yīng)越大。但現(xiàn)實情況是由于國內(nèi)許多鍋爐廠不具備熱負荷及水循環(huán)計算的能力, 根據(jù)經(jīng)驗在同一段內(nèi)每個換熱管入口設(shè)置了相同規(guī)格的節(jié)流孔, 甚至出現(xiàn)了不同冷卻段各換熱管入口也采用相同規(guī)格的節(jié)流孔, 這就出現(xiàn)了熱負荷越大、越長的換熱管, 其水循環(huán)阻力也越大, 循環(huán)冷卻水量反而越少的情

36、況。因此, 大大縮短了余熱鍋爐的使用壽命, 同時也造成了強制循環(huán)泵能力過大, 能量浪費的現(xiàn)象。2.3.4試樣材料與工藝方面的原因（1）管坯的開坯和軋制工藝的影響對于管坯表面彌散性裂縫, 亦有認為開坯加熱軋制工藝失控會造成表面產(chǎn)生熱應(yīng)力裂縫。鋼錠在軋制過程中, 在一定程度上可以克服一些因冶煉帶來的缺陷, 但如果開坯軋制工藝的加熱制度不當(dāng), 管坯表面也會產(chǎn)生新的缺陷, 惡化管坯質(zhì)量。缺陷處經(jīng)金相顯微觀察表明, 裂口內(nèi)有氧化鐵, 而氧化鐵周圍有無明顯脫碳現(xiàn)象。證明鋼錠在加熱前已經(jīng)存在應(yīng)力集中，在之后的軋制過程中可能形成了裂紋開端, 而在使用過程的惡劣條件下裂紋進一步擴大延長。（2）氣體及有害元素的影

37、響，氧氣轉(zhuǎn)爐鋼標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，氮含量不的大于0.0080。黨鋼液中氮含量較高時，鋼錠宏觀組織疏松，甚至可以產(chǎn)生氣泡，氣泡與表面太近，則熱軋時鋼材往往由此引起失效報廢。而電爐冶煉的20g鋼種砷、銅含量偏高時，管坯上出現(xiàn)的熱裂縫深度可達1.5mm以上，成材率低于50。特別是砷、銅元素共存的鋼危害更大。加熱時在氧化性氣氛和11501200情況下，鋼中砷、銅元素進行選擇性氧化，產(chǎn)生表面富集，形成一層相當(dāng)厚的粥狀或液態(tài)氧化物，在軋制壓力下不可避免地產(chǎn)生嚴(yán)重的熱裂紋12 柳力.氧氮氫在鋼中的作用j。鋼鐵.1978.（1），94.。2.3.5其他原因投產(chǎn)以來，也出現(xiàn)過其他原因引起的固定煙罩漏水事故。主要有固定煙

38、罩底部彎受熱側(cè)高溫附渣過燒及鋼渣融損，其破壞形式如圖5 所示。固定煙罩也出現(xiàn)過排管的機械損傷，被硬物劃擦表面形成貫穿傷，如圖6 所示。這主要是吹煉過程中噴濺大，導(dǎo)致移動煙罩內(nèi)壁大面積粘渣，大塊鋼渣整體脫落下來刮傷固定煙罩，同時，爐口升降裙罩尾管也出現(xiàn)過機械損傷，由于轉(zhuǎn)爐爐口積渣過高，搖爐時爐口冷鋼刮傷裙罩底部尾管（圖7）。 圖2.5 圖2.6 圖2.7還有一種經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象是移動煙罩、固定煙罩大面積粘渣，同時加料孔也因積渣而堵死，造成該現(xiàn)象的直接原因是轉(zhuǎn)爐吹煉噴濺過大，而且噴濺會導(dǎo)致高溫液態(tài)鋼（渣）飛濺附著在煙罩內(nèi)壁，附著鋼液使煙罩管壁溫度急劇升高，容易出現(xiàn)過燒爆管，同時管壁溫度升高至熔點后與

39、鋼液形成熔融狀態(tài)，致使鋼渣不易脫落而堵死加料口，另外煙罩內(nèi)壁大量積渣會使煙罩排管冷卻效果降低，最終煙罩受熱面出現(xiàn)各種裂紋而失效。(1)應(yīng)力疲勞問題也是影響管坯壽命的一個重要因素。由于余熱鍋爐的熱負荷呈周期性變化, 吹氧冶煉時, 熱負荷迅速上升, 氧槍提槍, 吹氧停止后, 熱負荷急劇下降。在熱負荷下降時, 水冷壁管內(nèi)的產(chǎn)汽量減少, 自然循環(huán)的動力下降, 甚至導(dǎo)致自然循環(huán)停滯。待到下一次吹氧冶煉時, 雖然熱負荷迅速上升, 但自然循環(huán)緩慢啟動, 在啟動的過程中造成冷卻壁管的熱量不能迅速被循環(huán)冷卻水帶走, 從而造成水冷壁管過燒破壞。冶煉一爐鋼的周期大概在30 40min, 也就是轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐每30 4

40、0min受到一次交變熱負荷的影響。由于自然循環(huán)啟動的滯后性, 啟動過程中受熱部分不能得到及時冷卻, 使得水冷壁管不斷受到交變熱應(yīng)力的影響, 嚴(yán)重影響了余熱鍋爐的使用壽命,。另一方面使靠近內(nèi)壁邊緣處材料產(chǎn)生塑性變形或者損傷，在其附近有較大應(yīng)力場存在時，會加劇塑性變形或裂紋的擴展。由于運行時間足夠長，不斷變化的熱應(yīng)力使?fàn)t管產(chǎn)生疲勞載荷，加劇了材料蠕變13 wang z x, shi h j, lu j. size effects on the ductile/brittle fracture properties of the pressure vessel steel 20gj. theoret

41、ical and applied fracture mechanics, 2008, 50(2): 124-131.。(2)自然循環(huán)的安全性問題,煉鋼轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐的固定段、尾段常采用自然循環(huán)冷卻。固定段一般為傾斜布置, 尾段的部分換熱管甚至有時出現(xiàn)水平布置的情況。水冷壁管在受熱條件下, 管內(nèi)的汽水混合物容易產(chǎn)生汽水分層。汽水分層后, 水側(cè)面向火面的水冷壁管一般是安全的, 但汽側(cè)面向火面的水冷壁管卻非常危險, 極易發(fā)生傳熱惡化。運行實踐證明, 汽側(cè)面向火面的管子容易發(fā)生爆管事故。為了解決上述問題, 就要在余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計中采取防止汽水分層的措施。目前主要的方法就是在這部分管子內(nèi)部加裝不銹鋼螺旋

42、板，增加擾動，防止汽水分層，消除傳熱惡化。(3)許多鋼廠認為汽包在低壓下運行, 系統(tǒng)更加安全, 因此在日常生產(chǎn)中長期控制汽包在遠低于設(shè)計壓力的情況下運行。實際上這種認識是非常錯誤的。余熱鍋爐的上升、下降管的管徑是根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計壓力確定的, 汽包壓力遠低于設(shè)計壓力時, 余熱鍋爐的水冷壁管中汽化點位置會提前, 同時也會使水冷壁管和上升管中的汽水混合物體積流量迅速增加, 增大循環(huán)水系統(tǒng)的流動阻力, 從而使循環(huán)水量減少, 造成水冷壁管局部過熱而破壞。要延長轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐的使用壽命, 筆者認為余熱鍋爐必須在汽包的設(shè)計壓力范圍內(nèi)運行, 而不應(yīng)在低于汽包設(shè)計壓力的情況下長期運行。 3.結(jié)論經(jīng)過金相觀察實驗的分析與討論，結(jié)合樣品的使用環(huán)境等因素綜合分析，得到以下結(jié)論：1. 冶金工業(yè)高溫的工作環(huán)境引起的熱膨脹導(dǎo)致熱疲勞。2. 轉(zhuǎn)爐煙氣中so2，co2等氧化性氣體對管壁的腐蝕和破壞。3. 20g管坯材料中有較多的非金屬物夾雜富集，在軋制壓力下產(chǎn)生嚴(yán)重的熱裂紋。4. 生產(chǎn)過程中工藝達不到技術(shù)要求如循環(huán)冷卻水水質(zhì)、強制循環(huán)配水不均等問題和煙罩掛渣等導(dǎo)致熱交換效果減弱產(chǎn)生了局部過熱而導(dǎo)致燒損破壞。 4.改進措施4.1使用涂層實驗表明利用nicrsi涂層在750高溫氧化200h后，其表面的氧化層并不明顯。通過sem高倍觀察，涂層表面有一層致密的白色氧