安工大胡源申2012冶金工藝年會梅鋼耐熱鑄鐵高爐冷卻壁解剖研究

梅鋼耐熱鑄鐵高爐冷卻壁及扁水箱解剖研究

胡源申岳海峰張文明李遼沙

（安徽工業(yè)大學冶金學院馬鞍山243002）

蔡善詠金明李曉松韓宏松

（寶鋼梅鋼公司）摘要：對使用開路循環(huán)水、預(yù)處理循環(huán)水、軟水密閉、純水密閉四種冷卻水質(zhì)和循環(huán)方式，使用灰鑄鐵、球墨鑄鐵、耐熱鑄鐵、鑄鋼和銅五種材質(zhì)的一代服役后高爐冷卻壁進行了系統(tǒng)解剖研究。分析比較了不同材質(zhì)冷卻壁的力學性能、導(dǎo)熱性能、抗結(jié)垢性能、易加工性能和經(jīng)濟性能，揭示了鐵基材質(zhì)冷卻壁的微觀破損機理和壁內(nèi)水管的成垢機制。梅山1250m3級別的高爐本體冷卻系統(tǒng)，采用的箱壁結(jié)合結(jié)構(gòu)幾經(jīng)實踐，已探索出較為定型的爐身下部采用炭搗小冷卻壁加鋼板沖壓焊接扁水箱的復(fù)合結(jié)構(gòu)，中部為鋼板沖壓方水箱，冷卻壁進水管與爐殼連接處采用鋼板沖壓的碗型封板，爐腰段采用U型管加冷卻板設(shè)計。如圖1。幾代的高爐生產(chǎn)實踐都表明，這些基本設(shè)計使用中冷卻器一代服役的破損率均較低，證明它對高爐長壽的作用是積極的。圖1梅鋼1250m3級高爐爐腰以上的冷卻器設(shè)置示意23號高爐的長壽實績以及第一代爐役爐襯冷卻系統(tǒng)設(shè)置使用情況梅鋼3號高爐有效容積為1250m3,第一代爐役自1995年12月16日點火投產(chǎn)，至2009年5月15日停爐。此間高爐共生產(chǎn)服役13年零6個月，共生產(chǎn)生鐵1319.13萬噸，單位爐容一代產(chǎn)鐵10553噸。無論是高爐長壽的長度指標，還是強度指標，在國內(nèi)大鋼中均位于前列。已被2009年再版的《高爐設(shè)計——煉鐵工藝設(shè)計理論與實踐》一書作為長壽實績突出的范例高爐載入記錄。3號爐第一代爐役采用預(yù)處理循環(huán)水系統(tǒng)。爐缸以下及爐腹段全部使用HT150灰鑄鐵材質(zhì)冷卻壁，爐腰段使用U型管+冷卻板冷卻器設(shè)置，爐身中下部采取耐熱鑄鐵炭搗冷卻壁加扁水箱冷卻器設(shè)置，爐身上部采用方水箱冷卻器設(shè)置。爐襯除風口帶采用高鋁磚外，風口帶以上各段均采用粘土磚砌筑。爐缸采用陶瓷杯，爐底兩層陶瓷墊，以下為五層碳磚結(jié)構(gòu)。全爐具有薄壁爐缸爐襯特點。3耐熱鑄鐵材質(zhì)冷卻壁的解剖研究目的與方法3.1解剖研究的目的目前國內(nèi)高爐冷卻循環(huán)水使用按水質(zhì)劣優(yōu)順序排列有四種方式。即開路冷卻水、預(yù)處理循環(huán)水、軟水密閉和純水密閉循環(huán)。高爐冷卻壁材質(zhì)選用有灰鑄鐵、球墨鑄鐵、鑄鋼和純銅四種。各種材質(zhì)冷卻壁服役中使用不同循環(huán)水質(zhì)時的破損機理近些年通過研究均已分別搞清。但梅鋼3號高爐爐身下部使用的碳搗冷卻壁與上述不同的是，它選用的是含鉻耐熱鑄鐵材質(zhì)。這種材質(zhì)只是日本的高爐使用過。它的實際使用效果和破損機理等國內(nèi)尚未系統(tǒng)總結(jié)研究過，故正為本文目的。圖3解剖及取樣方法示意4解剖研究過程的主要發(fā)現(xiàn)4.1耐熱鑄鐵材質(zhì)冷卻壁解剖壁體熱面形貌解剖冷卻壁樣冷面光滑平整。熱面凸凹不平，粘有渣鐵和焦碳?；旌衔铩崦嫜辔膊蹆?nèi)碳化硅搗打料基本完整，但左半部分鑄體和碳搗料已蝕損，約占壁體二分之一厚度。壁內(nèi)水管未見有外露和燒損情況。在熱面沿長度方向有兩條楔形裂縫，裂紋寬約12mm,固定螺栓周邊也有明顯裂縫出現(xiàn)。解剖前冷卻壁熱面形貌如圖4。圖46M龍門刨床上的耐熱鑄鐵冷卻壁解剖實體熱面形貌4.2熱面近渣層處及壁體內(nèi)部的孔洞情況熱面近渣層處壁體的微氣孔較多，表現(xiàn)為質(zhì)地疏松。這些微氣孔的產(chǎn)生主要是壁體中的碳、硅、錳等元素氧化所致，其結(jié)果是下降壁體的機械力學性能，雖不好但不可避免。然而解剖過程中壁體熱面刨面上可見孔洞并不多，是好的情況。這與課題組此前解剖過其它大鋼灰鑄鐵、球墨鑄鐵和鑄鋼材質(zhì)冷卻壁的情況有明顯不同。近熱面和壁內(nèi)孔洞主要為氣孔和收縮孔，孔呈不規(guī)則圓形。切削中耐熱鑄鐵的鑄體質(zhì)地均勻，燕尾槽內(nèi)的碳化硅搗打料質(zhì)地也很均勻。刨切過程發(fā)現(xiàn)有澆鑄時漏入鑄體的不明鋼雜件。在熱面就明顯見到螺栓周邊處有明顯裂縫。毫無疑問，這些蝕損孔洞和鑄造孔洞，以及澆鑄時漏入的不明鋼雜件和螺栓周邊的熱應(yīng)力顯裂縫對冷卻壁的長壽服役都是極其有害的。如圖5。圖5解剖壁體中的孔洞及鑄造時漏入的鋼雜件

4.3解剖過程中的壁體顯裂縫和微裂紋情況顯裂縫見圖6-1微裂紋見圖6-2圖注第六肋裂縫已見底，深度為70mm

圖注刨下80mm后第二肋上的裂縫圖注刨下100mm后第二肋上的裂紋消失

圖注刨下120mm后第1肋上的裂縫仍存

4.4冷卻壁體內(nèi)的水管結(jié)垢及與鑄體剝離情況冷卻壁體內(nèi)的水管結(jié)垢情況見下圖7-1圖注水管被刨切至1/3時形貌

圖注水管內(nèi)結(jié)垢全貌冷卻壁體內(nèi)的水管與鑄體剝離情況圖注水管端面與彎面與鑄體剝離

圖注水管直列面與鑄體部分剝離4.5扁水箱內(nèi)的結(jié)垢由于3號高爐第一代爐役服役中爐身下部的扁水箱破損量較大且進行了多次更換維護，故本研究工作中選取了爐身下部的一個扁水箱進行解剖。原扁水箱外形結(jié)構(gòu)如圖8所示。圖8爐身下部扁水箱解剖實體外形結(jié)構(gòu)示意切割開原扁水箱密閉上半部后的斷面顯示照片如圖9所示。扁水箱空腔內(nèi)集聚的褐色及銹紅色的垢物幾乎占滿了空腔的1/3！垢物疏松已結(jié)成大塊。在箱底部淤積的垢物較細較致密，質(zhì)地也較堅硬。不難設(shè)想這種情況在整個爐身中下部的210個扁水箱內(nèi)應(yīng)普遍存在。它將大大降低傳熱效能，弱化冷卻效果。由于扁水箱與180個耐熱鑄鐵炭搗冷卻壁結(jié)合使用，所以它也對上下設(shè)置的冷卻壁端面冷卻效果產(chǎn)生嚴重影響。3號高爐第一代服役中停爐前爐身中下部扁水箱損壞率達到了42.86%，而且期間還經(jīng)過了幾次更換維護。炭搗冷卻壁相對爐腹爐缸的損壞率也較高，無疑都與此緊密相關(guān)。圖注垢物積聚占空腔的1/3

圖注結(jié)成大塊的垢物待分析樣品

圖9扁水箱內(nèi)垢物集聚及大塊垢物待分析樣產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因從扁水箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計圖上可以得到明顯結(jié)論，即物理成因和化學成因。物理成因是不合理的箱內(nèi)冷卻水通道結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致高流速冷卻水從供水環(huán)管中進入扁水箱后水速驟減，從而造成了水流中的泥沙等懸浮物沉積，類似于江河入海時的成洲現(xiàn)象?；瘜W成因則是冷卻水與鋼板材質(zhì)中的鐵元素發(fā)生氧化和電化學反應(yīng)成銹為鐵氧化物。物理和化學的兩方面成因疊加，使得扁水箱內(nèi)的垢物集聚變得十分嚴重。顯然，對扁水箱的過水通道設(shè)計是需要立即改進的。5耐熱鑄鐵材質(zhì)冷卻壁解剖研究的測試結(jié)果與分析5.1一代服役后壁體的力學性能測試與分析將解剖的耐熱鑄鐵材質(zhì)冷卻壁按圖3示意切割，制作成標準試樣如圖10。在材料試驗機上做最大抗拉強度和延伸率、斷面收縮率等力學性能指標測試的結(jié)果見表2。圖10力學性能指標測試標準試樣棒在鑄鐵中加入Cr、Ni等合金元素時，鑄鐵的氧化膜結(jié)構(gòu)在原來的Fe2O層內(nèi)可形成Fe2O·Cr2O3和FeO·NiO等尖晶石復(fù)雜化合物，它們質(zhì)地致密，熔點增高，能在冷卻壁熱面形成連續(xù)分布的氧化膜，金屬離子及氧離子難以通過它們向壁內(nèi)擴散，故而鑄鐵的抗氧化劣化的能力能得到顯著增強。此時壁體熱面的氧化膜分為外部FeO層和內(nèi)部FeYMxO層，M是Cr、Ni等合金元素，稱為雙層氧化膜。從3號高爐第一代爐役耐熱鑄鐵材質(zhì)冷卻壁的實際使用效果來看，總體效果較灰鑄鐵和球墨鑄鐵要好，反映在一代服役時間較長，破損率相對較低；一代服役后的力學性能下降較低，蛻變較慢。但加入Cr、Ni等合金元素后也帶來一定的負面影響，如延伸率在鐵基材質(zhì)冷卻壁中最差，一代服役后僅為1.25，表現(xiàn)為壁體在服役中易發(fā)生開裂。與前述解剖壁體肋面多處有較寬的顯裂縫完全吻合。5.3冷卻壁熱面形貌及元素積聚掃描分析結(jié)果5.3.1熱面形貌清除熱面表面渣層后掃描電鏡(日本JSM-6490LV)結(jié)果如圖11、12所示。熱面形貌主要以氧化形貌為主，并伴有礦物夾雜，易見熱面出現(xiàn)了許多微小孔洞，顯然這是壁體中的C、Si、Mn等元素氧化后留出的空間。這些空間和微小空洞被高爐煤氣再進入后，就會逐漸的再逐層與壁體內(nèi)的元素繼續(xù)發(fā)生氧化反應(yīng)，從而劣化壁體。圖11耐熱鑄鐵材質(zhì)冷卻壁的熱面形貌

圖12熱面表面上的氧化物及礦物顆粒5.3.2熱面能譜分析能譜（美國thermosystem7）分析圖12中的1、2、3、4點，其結(jié)果如圖13：ImageName:Base(4)AcceleratingVoltage:15.0kVMagnification:500圖13熱面上的氧化物能譜分析結(jié)果掃描電鏡和能譜分析結(jié)果表明，在熱面表面的孔或縫內(nèi)周邊區(qū)域存在有大量的Fe、O和Cr、Al、Si、K等元素。與化學分析結(jié)果大部吻合。容易理解,這是壁體熱面因Fe的熔損導(dǎo)致原鑄體內(nèi)該元素相對富集的結(jié)果,而且它們亦應(yīng)有一部分被氧化進入爐渣。5.4壁體熱面向冷面的金相組織、掃描電鏡分析結(jié)果及壁體與水管界面的滲碳5.4.1熱面向冷面垂直截面的組織分析結(jié)果從冷卻壁熱面垂直向下切取一塊25X25X25的試樣塊（圖14），用于金相顯微鏡（德國Zeiss）觀察冷卻壁熱面向冷面的連續(xù)金相組織變化，得到的結(jié)果如圖15所示。圖中上部為熱面，下部為冷面。垂直截面上中部的白色部分為一明顯的脫碳層，呈鐵素體組織。下部的灰色部分則呈珠光體組織。圖14

用于掃描電鏡和金相顯微鏡分析的壁體熱面向冷面的垂直試樣塊圖15熱面向冷面的垂直截面金相組織形貌（金相顯微鏡50X）

進一步采用掃描電鏡對試樣塊熱面俯視放大，觀測得到的結(jié)果見圖16。易見熱面上碳等元素被氧化脫除后留下了很多密布的微小空間和連續(xù)的氣孔通道，由于脫碳鐵素體量增加。繼續(xù)用掃描電鏡對圖15垂直截面中下部正視放大，觀測得到的結(jié)果如圖17，易見在冷面處其組織仍為球化珠光體。圖16垂直截面頂部脫碳后的熱面形貌（掃描電鏡）圖17垂直截面下部的冷面珠光體形貌（掃描電鏡）

5.4.2冷卻壁鑄體的金相組織切割解剖壁體中部一試樣塊，在金相顯微鏡下觀察得到的壁體金相組織見下圖18。容易看到，3號高爐第一代爐役使用的耐熱鑄鐵冷卻壁，雖含部分鉻、鎳元素，但其鑄體的金相組織仍為珠光體基灰口鐵性質(zhì)。圖18耐熱鑄鐵冷卻壁鑄體的金相組織圖19用于金相顯微鏡研究的壁體（金相顯微鏡50X）向水管界面滲碳的切塊試樣5.4.3冷卻壁鑄體向水管內(nèi)的滲碳圖20壁體與水管外壁界面的滲碳（金相顯微鏡50X）A—壁體B—壁體與水管外壁界面及滲碳層C—水管壁圖21服役后冷卻壁內(nèi)水管壁體的金相組織為F+P（金相顯微鏡50X）5.5扁水箱內(nèi)的垢物相分析結(jié)果5.5.1扁水箱內(nèi)水垢積聚物的X射線衍射相分析結(jié)果對圖9中所示取自扁水箱內(nèi)的水垢，在常溫下干燥并研磨至﹤74μm以下，采用四分法縮分，用德國D8AX射線衍射儀（Cu靶，40kV，40mA）進行相分析。結(jié)果如圖22所示。圖22扁水箱內(nèi)水垢積聚物的X射線相分析衍射圖圖22表明垢物組成主要為Fe3O4＋Fe3O4＋SiO24＋Ca3Si2O7。鐵氧化物中均主要為Fe3O4+α-FeO(OH)+γ-FeO(OH)組成，另有FeO、α-Fe2O3和部分α-SiO2、CaO、FeCO3、和CaCO3、Ca3Si2O7。α和γ相的水合鐵FeO(OH)以及FeO

、α-Fe2O3居多，說明垢物應(yīng)主要是鋼質(zhì)水管與冷卻水之間發(fā)生的電化學反應(yīng)導(dǎo)致，并伴有冷卻水中泥砂懸浮物雜質(zhì)。5.5.2扁水箱內(nèi)水垢積聚物的X射線衍射定量分析結(jié)果進一步對水垢的化學相組成再進行X射線衍射定量分析，結(jié)果如圖23所示（略）圖23表明，垢物中的主要成分是SiO2，占57.4%，其它為氧化物，其中Fe2O3占40.5%，F(xiàn)e3O4占2.1%。這也為本文4.5節(jié)中水垢積聚物的物理成因和化學成因分析提供了測試佐證。顯然，SiO2主要是泥砂，來自水速驟減的物理成因。而鐵氧化物只能來自化學成因，即鋼制箱體中的鐵元素與水或空氣中的氧發(fā)生了電化學氧化反應(yīng)。需要特別指出的是，雖然扁水箱內(nèi)的水垢積聚物與冷卻壁內(nèi)水管壁上的堅硬結(jié)垢，其化學成分應(yīng)該是有差別但也應(yīng)該是有類似的。3號高爐第一代爐役爐身中下部扁水箱內(nèi)的水垢積聚物的量較大，但冷卻壁內(nèi)水管壁上的結(jié)垢量卻較少，只有在很特別的情況下才可能出現(xiàn)這樣的結(jié)果。比如，扁水箱使用了未處理的開路循環(huán)水，而冷卻壁使用了預(yù)處理循環(huán)水?；蛘呤欠謨陕饭┑乃宜畨合嗖詈艽?。5.6冷卻壁破損與水管內(nèi)成垢的機理研究（有刪略）5.6.1耐熱鑄鐵材質(zhì)冷卻壁壁體破損的微觀機理（略）5.6.2鐵基材質(zhì)冷卻壁內(nèi)水管成垢的微觀機理鐵基材質(zhì)冷卻壁目前均為鑄造制作，壁內(nèi)水管大多使用20號無縫鋼管。國內(nèi)對高爐冷卻壁內(nèi)水管結(jié)垢的成垢機理先前并沒有深入研究，普遍誤認為管內(nèi)的垢物是鈣鎂鹽類沉淀，因而為了避免管內(nèi)成垢在冷卻水質(zhì)的改善上下了很多功夫。從開路循環(huán)水到預(yù)處理水，后來又發(fā)展到軟水密閉循環(huán)，再后來包括寶鋼在內(nèi)，又使用純水密閉循環(huán)。這樣的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)投資和管理工作量都是很大的。本課題組近十多年通過對服役后冷卻壁的解剖研究，發(fā)現(xiàn)不管使用何種水質(zhì)，不管高爐容積大小，冷卻壁經(jīng)一代服役后，水管內(nèi)的結(jié)垢都是不可避免的。而且垢物的主要組成并非鈣鎂鹽類而主要是鐵氧化物。成垢的機理主要是鋼質(zhì)水管與冷卻水之間發(fā)生了電化學反應(yīng)。這就從根本上揭示了鐵基材質(zhì)冷卻壁內(nèi)水管成垢的微觀機理，為高爐冷卻壁內(nèi)水管的緩結(jié)垢改進技術(shù)開辟了新的道路，并提供了理論依據(jù)。換言之，高爐大修設(shè)計時選用軟水甚至純水這樣一代投資量和管理量都很大的冷卻水系統(tǒng)是否合理？是可以而且應(yīng)當重新審視的！實驗室模擬結(jié)垢實驗、以及解剖研究一代服役后冷卻壁管內(nèi)結(jié)垢的SEM、EDS和X射線衍射分析均表明，水垢主要由水管內(nèi)壁受腐蝕引起。這種腐蝕是一種電化學反應(yīng)。水管成分的微小變化、環(huán)境的局部差異、晶粒構(gòu)造的取向、應(yīng)力大小的差別以及表面缺陷均可能在水管內(nèi)壁上形成一對對小面積的腐蝕電池。在陽極四周Fe2+與OH-形成Fe(OH)2(s)沉析聚積先形成垢瘤或垢核。在陰極，反應(yīng)生成的OH-能與水中的重碳酸鹽反應(yīng)，生成FeCO3(s)和CaCO3(s)沉積。圖24示意了這一機制圖24垢瘤或垢核的形成機制本課題組的前期研究表明，結(jié)垢是導(dǎo)致高爐中晚期冷卻壁快速破損的主要原因。以QT材質(zhì)冷卻壁為例，其水垢的導(dǎo)熱系數(shù)在1.6～1.8W/(m﹒k),而QT的導(dǎo)熱系數(shù)則在29.1～34.9W/(m﹒k),水垢的導(dǎo)熱系數(shù)僅為QT的1/24～1/30。根據(jù)實驗，形成1mm厚的垢，換熱量會下降85%左右，由于傳熱效果急劇惡化，會對冷卻壁造成50～100℃的溫升，因此高爐中晚期因水垢已逐漸增厚及易造成冷卻壁局部過熱而導(dǎo)致燒損。6解剖研究的認識與建議（有刪略）6.1高爐長壽的決定因素根據(jù)高爐設(shè)計和生產(chǎn)的實踐，決定高爐長壽的因素可歸納為表5。表5：高爐長壽的決定因素及其作用

6.2冷卻壁破損的主要成因本課題組自90年代初，通過對國內(nèi)一些大鋼高爐一代服役后四種材質(zhì)冷卻壁的解剖研究和四次高爐扒爐調(diào)查等系統(tǒng)科研工作，以及本次對梅鋼3號高爐的扒爐調(diào)查和解剖研究，對冷卻壁生產(chǎn)期中的各種破損成因進行了歸納總結(jié)。如表6。以上九種情況，有三個（1、2、3、）與壁體熱態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變有關(guān)，是可控制的。有二個（6、7）與壁內(nèi)水管結(jié)垢和滲碳有關(guān)，雖較難控制但仍屬于可控制的。還有四個（4、5、8、9）與壁體的惡劣工況有關(guān)，是不可控制的。冷卻壁