大型熱風爐爐殼開裂原因探討分析

武建龍，陳輝，孫健，王偉，梁海龍，馬澤軍

（首鋼技術研究院，北京，10043）

摘要

隨著煉鐵技術的進步，風溫使用水平逐步提高，提高風溫有利于提高生產效率、增加煤比、降低焦比及生產成本。風溫不斷提高的過程中，煉鐵工作者們也必須要面臨這新的挑戰，如熱風系統爐殼高溫點和爐皮開裂頻繁等問題。本文針對國內某大型高爐熱風爐爐殼開裂頻發的現象，進行了爐殼取樣、著色探傷、微觀分析等，探討了爐殼開裂的原因。

關鍵詞：熱風爐；爐皮開裂；腐蝕

Discussion and Analysis of Shell Cracking of Large Hot Blast Stove

WU Jianlong，CHEN Hui，SUN Jian, WANG Wei, LIANG Hailong，MA Zejun

（Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100041，China）

Abstract:

With the progress of iron making technology, the utilization level of air temperature is gradually improved. The temperature increase is conducive to improving production efficiency, increasing coal ratio, reducing coke rate and production cost. In the process of the continuous improvement of the wind temperature, the iron workers must also face the new challenges, such as hot air system, high temperature furnace shell and cracking of the furnace shell. In this paper, the phenomenon of cracking frequently occurred in the hot blast furnace shell of a large blast furnace in China is studied. The sampling of shell, the stain detection and microscopic analysis are carried out, and the cause of cracking of the furnace shell is discussed.  

Key Word: Hot blast stove; Cracking of furnace shell; Corrosion

1. 前言

高風溫的使用是當今世界煉鐵技術發展的方向，提高風溫有利于提高生產效率、增加煤比、降低焦比及生產成本^[1-3]。隨著高爐的大型化，風溫的水平也不斷的提高。在風溫不斷提高的過程中，煉鐵工作者們也必須要面臨這新的挑戰，如熱風系統熱風管系高溫點多、管系開裂頻繁等問題^[4-6]。

2. 熱風爐爐殼取樣

一次很難得的機會，國內某大型高爐熱風爐因為爐殼開裂較多進行更換，為此針對有開裂部位和母材進行取樣分析。取樣主要針對豎焊縫、恒焊縫、T型焊縫附近出現裂紋區域，母材開裂區域以及完整母材區域開展。

如圖1所示，為熱風爐爐殼包含豎焊縫位置區域取樣。可以看到的是，裂紋沿著焊道分布，且存在著貫穿焊道的現象。

圖1 豎焊縫位置裂紋

如圖2所示，為母材區域開裂取樣。可以明顯看到，在爐殼內部存在著一條肋板，疑似為建爐時搭平臺所用。在肋板與母材連接處，可以看到一條清晰的裂紋。

圖2母材取樣（內部含有肋板）

3. 爐殼著色探傷分析

為了能夠發現細微裂紋和更加細致的觀察到裂紋狀態，通過著色滲透探傷對爐殼進行處理。首先是將爐殼內部存在的鐵銹、防腐漆等通過角磨機打磨清理掉，并通過專用清洗、滲透、顯影劑依次進行處理。

如圖3所示，為豎焊縫裂紋進行著色探傷后照片可以清晰看到，裂紋縱貫焊道。同時呢，卯鉤外置也發現了明顯的裂紋。

圖3  豎焊縫開裂區域著色探傷

如圖4所示，為母材區域含有肋板位置著色探傷分析結果。

圖4 母材肋板區著色探傷分析

在著色探傷處理下，鋼板裂紋明顯的顯現出來，并且在主裂紋周邊更多細小的肉眼未觀察到的裂紋也一并被探索到。針對圖 1.2對內部含筋板的爐殼產生裂紋進行分類和分析。裂紋的類型大體可以分為如下幾類：

如①位置所示，遠離筋板位置母材無裂紋存在。通過大面積著色滲透探傷分析可以看出，裂紋集中在筋板周邊，而遠離筋板的母材上無裂紋出現，可以推測得出裂紋的產生就是由筋板開始的。

如②位置所示，為筋板與母材焊接位置發生的主裂紋。可以看出，裂紋非常明顯，無需著色滲透探傷就可以清晰看到。

如③位置所示，為筋板裂紋延伸到鋼板的其它裂紋。

如④位置所示，為焊道上的裂紋。

4. 開裂位置微觀分析

切取小塊試樣，進行微觀觀察，以下是拋光后裂紋的分布情況，宏觀上看在距離焊縫1cm處有一道與焊縫弧線一致的裂紋，1.5cm處有一道垂直于爐板內壁的裂紋，深度為1.2cm，見圖5。

圖5 焊縫附近爐板內側裂紋形貌

從裂紋開裂宏觀觀察，熔和線處出現咬邊，產生應力集中，易產生裂紋。焊接組織左側的裂紋進行微觀形貌分析發現裂紋從熔和線處開裂，裂紋周邊無夾雜，裂紋周邊有分支，尾部擴展處沿晶擴展，如圖6。試樣母材組織為鐵素體＋珠光體，組織正常。

圖 7為電子探針的能譜分析結果。由結果可見，爐殼內側存在點蝕坑，同時在點蝕坑內存在S、Cl和N等腐蝕性介質。

分析認為，由于焊接缺陷和點蝕坑的存在造成了鋼板內側存在應力集中的區域，而焊接質量差，焊接殘余應力去除效果較差，給焊縫附件帶來了較大的焊接殘余應力，另外由于熱風爐內壓力的周期性變化引起的交變應力，促使應力集中位置開裂或已開裂部位的裂紋擴展。因此，殘余應力、工作過程中的交變應力與腐蝕介質是爐殼開裂的三個因素，開裂機理為應力腐蝕疲勞開裂。

5. 結論

本文針對熱風爐爐殼出現裂紋區域進行了取樣，并利用著色探傷和微觀分析對開裂原因進行了探討，主要結論如下：

（1）通過對開裂區域熱風爐爐殼取樣觀察，得出裂紋主要是沿著焊道周邊分布，這與焊接質量差、焊接殘余應力去除效果差有一定關系；而母材區域發生開裂主要原因在于內部有肋板未清理掉，造成應力集中。

（2）通過著色探傷分析，可以看出裂紋清晰分布在焊道或肋板周邊，且主裂紋上會有其它小裂紋分支存在，故焊接質量、退火效果以及不相關肋板清理是維持熱風爐爐殼穩定的重要措施。

（3）通過電子探針能譜發現，爐殼內部點蝕坑內存在S、Cl和N等腐蝕性介質，結合爐況運行得出殘余應力、工作過程中的交變應力與腐蝕介質是爐殼開裂的三個因素。

6. 參考文獻

[1]張福明，梅叢華，銀光宇等. 首鋼京唐5500m3高爐BSK頂燃式熱風爐設計研究[J].中國冶金，2012，22(3)：27-32.

[2] 陳冠軍，王連尉，胡雄光. 首秦卡魯金熱風爐技術研究進展[J].冶金能源，2007，26(1)：31-33.

[3]李剛，陳旺等. 卡魯金式熱風爐在首秦1200m3高爐的應用[J].煉鐵，2008，27(1)：9-12.

[4]徐國濤，黃新豪，向武國，等.大型高爐熱風爐送風主管破損的原因分析[J].鋼鐵研究，2013，41(3)：39-41.

[5]許秋慧，常建華等. 唐鋼煉鐵廠南區3200m3高爐熱風爐管道發紅處理實踐[J]. 煉鐵技術通訊，2010（5），17-20.

[6]羅亮,路建偉,米良,王維. 波紋補償器在安鋼3#高爐應用[J]. 甘肅冶金. 2014(05).