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        高爐熱風爐爐殼焊縫裂紋腐蝕分析與控制

        高爐熱風爐爐殼焊縫裂紋腐蝕分析與控制

        • 分類:技術研發
        • 作者:符政學 劉世聚
        • 來源:
        • 發布時間:2021-06-10 09:27
        • 訪問量:

        【概要描述】

        高爐熱風爐爐殼焊縫裂紋腐蝕分析與控制

        【概要描述】

        • 分類:技術研發
        • 作者:符政學 劉世聚
        • 來源:
        • 發布時間:2021-06-10 09:27
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        詳情

        摘要:根據對高爐熱風爐爐殼加工焊接情況、腐蝕情況等分析結果,提出造成高爐熱風爐爐殼焊縫裂紋、腐蝕的主要原因是熱風爐爐殼加工、熱處理、焊接工藝、焊接工況條件、環境條件、焊條質量等多種因素造成焊接缺陷所致。所以應通過對具體情況進行分析,制定一系列有效的具體措施,即可避免和減少高爐熱風爐爐殼焊縫裂紋的出現。

        關鍵詞    爐殼    裂紋    控制

        1目前我國熱風爐爐殼應用現狀 

                目前我國煉鐵高爐所配套的熱風爐爐殼材料品種比較多。如:Q235B、Q345C(舊牌號16Mn)、BB41-BF、ALK420、WSM41C、Q345R(舊牌號16Mng)以及不銹鋼等多樣化的爐殼材料。

                在我國煉鐵高爐熱風爐的運行過程中,爐殼會不時出現焊縫開裂 ,甚至爐殼拱頂與殼體分離等危險現象發生。不但導致熱風爐溫度長期處于不穩定狀態,甚至停產檢修。有不少企業對爐殼裂紋進行檢測分析,也采取了具體措施,相應也減少了一些焊縫開裂現象。使熱風爐的使用壽命也得到了不斷提高。有的企業熱風爐運行一段時間,爐殼焊縫出現了裂紋,經處理后,運行一段時間,拱頂又出現焊縫開裂的問題。對拆除的殼體進行無損檢測探傷,其結果顯示靠近爐殼板焊縫位置存在大量裂紋,母體上也存在部分裂紋。

        2高爐熱風爐爐殼焊縫開裂的原因

        2.1化學成分的影響

                碳:鋼中含碳量增加,屈服點和抗拉強度升高,但塑性降低,焊接性能變差。因此,用于焊接的低合金結構鋼含碳量一般不超過0.2%,含碳量高還會降低鋼的耐大氣腐蝕能力。

                錳:錳是良好的脫氧劑和脫硫劑。鋼中含有一定量的錳,能消除或減弱由于硫所引起的熱脆性,從而改善鋼的熱加工性能。

        磷:在一般情況下,鋼中的磷能全部溶于鐵素體中。磷有強烈的固溶強化作用,使鋼的強度、硬度增加,但塑性、韌性則顯著降低。這種脆化現象在低溫時更為嚴重,故稱為冷脆性。磷在結晶過程中,由于容易產生晶內偏析,使局部含磷量偏高,導致韌脆轉變溫度升高,從而發生冷脆。冷脆對高寒地帶和其它低溫條件下工作的結構件具有嚴重的危害性。此外,磷偏析還使鋼材在熱軋后形成帶狀組織。嚴重時導致鋼的脆裂,即所謂的“冷脆”現象。磷對焊接性能也有不良影響。

                硫:是一種有害元素。在固態下,硫在鐵中的溶解度極小,主要以FeS形態存在于鋼中。由于FeS的塑性差,則含硫量較多的鋼脆性較大。更嚴重的是,FeS與Fe可形成低熔點(985℃)的共晶體,分布在奧氏體晶界上。當鋼加熱到約1200℃進行熱壓加工時,晶界上的共晶體已熔化,晶粒間結合被破壞,使鋼在加工過程中沿晶界開裂,硫在鋼中偏析嚴重,惡化鋼的質量,在高溫下降低塑性。它以熔點較低的FeS的形式存在,在鋼中與鐵形成共晶體。當鋼凝固時,FeS析集在原晶界處,當鋼在1100-1200℃時,晶界上的鐵就熔化,這樣大大削弱晶粒之間的結合力,導致鋼的“熱脆”現象。因此,若鋼中含硫量偏高,對鋼的焊接性有不良影響,即容易導致焊縫熱裂。同時在焊接過程中,硫易于氧化,生成SO2氣體,以致焊縫中產生氣孔和疏松。因此一般將硫看作鋼中的有害元素。

                根據以上四種元素對鋼的影響分析,含碳量高了影響鋼的耐大氣腐蝕能力;磷偏析嚴重,降低鋼的塑性和韌性,導致鋼的冷脆現象,對焊接性能也有不良影響。硫在鋼中偏析嚴重,惡化鋼的質量,在高溫下降低鋼的塑性。若鋼中含硫量偏高,焊接時由于SO2的產生,將在焊接金屬內形成氣孔和疏松。

            2.2金相組織的影響

                焊接接口的金相組織包括宏觀組織和顯微組織。其中宏觀組織的接口一般具有粗大的柱狀晶組織外,還可能由于各種原因產生的裂縫、氣泡、夾渣、偏析等缺陷。

                焊接通常是將焊條熔化成液滴,并與被焊金屬(母材)已熔化的焊區熔合在一起的一種操作。由于焊區熔池周圍的母材也被加熱到很高的溫度,因此,焊縫組織中不會出現因急冷而形成的細晶區;而且由于焊區熔池中的液體金屬處于很高的溫度(可達2000℃以上),母材本身又具有良好的導熱性,這樣,當熔池金屬冷凝時,便有利于形成柱狀晶,而且柱狀晶的生長方向基本上與熔池界面相垂直。另外,過高的熔池溫度還會使更多的外來雜質被熔化,從而大大減少異質形核的晶核數目,所以大多數焊縫都具有比較粗大的穿晶組織(金屬學)。

        2.3爐內壓力的影響

                如果在焊接過程中出現了氣泡、疏松、夾渣、焊縫熱裂等缺陷,在熱風爐運行過程中,爐殼內又存在有周期性3—5Kg/cm2的交變負荷應力,在交變負荷應力作用下,會導致焊縫缺陷形成微裂紋,首先在微裂紋尖端處必然存在應力集中,從而形成應力場。由于裂紋擴展總是從裂紋尖端開始向前推進的,裂紋能否擴展與裂紋尖端處的應力場大小有直接關系。當應力場的應力值增大到臨界值時,就能使裂紋尖端附近的內應力達到焊縫的斷裂強度,從而導致裂紋擴展,最終使焊縫開裂。

        2.4腐蝕的影響

        鋼的腐蝕類型大概有以下幾種:

                (1)一般腐蝕:又稱總腐蝕,一般是均勻地分布在整個金屬的內外表面上。他對金屬的機械性能影響不大,危險性也最小。通過用腐蝕速度,(單位面積金屬在單位時間內的失重,克/m2.小時)或腐蝕率(每年腐蝕掉的金屬深度,毫米/年)來表示腐蝕程度。這種腐蝕在大多數爐殼使用過程中都會出現。為了避免或減少這種腐蝕,大部分企業都選擇涂抹防腐涂料,降低腐蝕速度。

                (2)晶間腐蝕:腐蝕沿晶界進行,這種腐蝕危險性很大,因為它通常不引起金屬外形的任何變化,但卻使金屬的機械性能急劇降低,以致引起突然破壞(這種破壞往往使人始料不及,它讓你看到的都是完好光亮無損的金屬表面,但金屬間結合力被破壞,材料幾乎喪失強度,嚴重者會喪失金屬聲音,輕輕敲擊便成為粉末)。產生的原因,一般認為是鋼中的碳與鉻形成(Cr23C6)鉻碳化物,這類鉻的碳化物沿晶界析出時,就會造成碳化物周圍局部貧鉻區域。當鉻的含量降低到不銹鋼耐腐蝕所需的最低含量以下,就會產生晶間腐蝕,即“晶間貧鉻理論”。不銹鋼爐殼在焊接時應特別注意預防焊接過程中出現晶間腐蝕。

                (3)點腐蝕:腐蝕集中在金屬表面某些地方并往深度擴展,最后甚至穿透金屬。點腐蝕與金屬表面狀態有關,金屬的表面缺陷以及疏松、夾雜等產生微電池作用,從而產生點腐蝕(微電池作用:空氣中經常含有水蒸氣和二氧化硫氣體,很容易在金屬表面形成一層極薄的導電膜。單一的金屬構件與水或潮濕的泥土相接觸時,就會發生一種電化學腐蝕,因為工業用金屬通常含有各種雜質,如普通鋼,當其和潮濕的金屬相接觸時,在金屬內部就會形成無數個微電池??傊?,金屬的腐蝕主要是電化學過程,這個過程要有水和氧存在的條件下才能進行。因此,阻止水和氧與金屬接觸就可以盡可能避免電化學腐蝕)。

                (4)應力腐蝕與腐蝕疲勞:在靜應力(金屬的內外應力)作用下金屬在腐蝕介質中的破壞稱為應力腐蝕;在交變應力作用下金屬在腐蝕介質中的破壞稱為腐蝕疲勞。它們是應力與介質兩種因素共同作用下所產生的破壞形式,破壞一般是穿過晶粒的(即穿晶腐蝕)。

        綜合上述熱風爐爐殼焊縫開裂的原因分析,充分說明焊縫開裂首先是由多種原因造成焊接缺陷,然后在熱風爐運行過程中,爐殼內同時存在周期性3—5kg/cm2交變負荷壓力,導致焊接缺陷處應力集中,形成微裂紋,造成腐蝕介質侵襲后,才有可能發生爐殼焊縫開裂,甚至爐殼拱頂與殼體分離的危險情況。

        2.5環境的影響

        2.5.1相對濕度的影響

                空氣中相對濕度越高,金屬表面水膜越厚,空氣中的氧透過水膜到金屬表面作用。相對濕度達到一定數值時,腐蝕速度大幅上升,這個數值稱為世界相對濕度,鋼的臨界相對濕度約為70%。

        2.5.2溫度影響

                環境溫度與相對濕度關聯,干燥的環境下,氣溫再高也不容易銹蝕。當相對濕度達到臨界值時,溫度的影響明顯加劇,溫度敏感增加10℃,銹蝕速度提高兩倍。因此,在濕熱帶或雨季,氣溫越高,銹蝕越嚴重。

        2.5.3大氣其它物質的影響

                大氣中含有鹽霧、二氧化硫、硫化氫和灰塵時,會加速腐蝕,因此,不同環境下受腐蝕的大小差別是明顯的。城市高于農村、沿海高于內陸、高粉塵高于低粉塵。

                這些影響應該根據熱風爐加工、焊接、安裝的具體位置,當下的氣候環境條件進行具體分析,采取具體措施加以避免。

        3、防止熱風爐焊縫開裂的措施

                除了硫、磷偏析可能會造成焊接氣泡、疏松、夾渣等缺陷外,關鍵在于(1)嚴把爐殼加工硬化消除應力處理和焊接消除應力處理質量關。(2)嚴把爐殼焊接質量關,制定合理的高空焊接作業工藝,調用高空焊接經驗豐富的技術工人,提高焊接技術水平,保證焊接質量,防止因焊接缺陷造成焊縫開裂,確保爐殼長期在3—5kg/cm2工作壓力作用下的使用壽命。才是最重要的。下面介紹幾種預防措施。

                冷裂紋:防止冷裂紋的措施有,選用合理的焊接工藝。采用低氫型焊條,經嚴格烘干,保存溫度為350—400℃,隨取隨用。

                結晶裂紋:結晶裂紋的產生與防止焊縫結晶的設計有關,為防止產生結晶空穴,應使設計的焊縫截面能得到殘留溶液填補空穴。焊縫的寬與深度之比控制在1:1~1.4:1之間。為此,可通過調整焊接速度和焊接電流來達到所要求的寬深比。在某些情況下,對接接頭需要設計斜坡口接頭,以改善寬深比。為了保證焊接的寬深比,避免產生裂紋,寧可采取凹面焊縫,而不用凸面焊縫。窄焊道易產生中心裂紋。

                氣孔:堿性焊條按規定在350—400℃下,烘干1.5—2.5小時。酸性焊條按規定在200—250℃下,烘干1—1.5小時。焊接的地方保持干凈清潔,焊接過程中,焊接電流要適當,避免焊接速度過快,熔池內氣體要完全放出。一旦余存氣體就可能影響焊接質量。焊接過程產生的氣孔主要有CO、N2、H2氣孔。CO氣孔出現,主要和焊接材料的含C量有一定的關系。解決辦法是在焊絲中添加合金元素。N2氣孔出現,主要是由于空氣的擾動現象所致。解決辦法是在焊接時,給操作區域增加一個擋風屏障。H2氣孔出現,主要是焊接面可能有水或者油污。解決辦法是嚴格控制CO2氣體純度。

                焊縫夾渣:焊縫夾渣主要是坡口地方不干凈或者尺寸不合適,清渣不徹底,焊縫散熱速度太快,使用焊條藥皮成分不對,熔渣難以上浮等。

                未焊透:未焊透的主要原因是坡口和間隙的尺寸不合適,磁偏吹影響,焊條偏心度大,焊接根處及層間清理不當。防治辦法是焊接時,使用較大的線能量。

                根據高爐熱風爐爐殼焊縫開裂的原因和防止熱風爐焊縫開裂的措施可知,要想防止熱風爐爐殼焊縫開裂,首先選擇合適的原材料,創造合適的環境條件,編制合理的熱加工工藝,編制合理的安裝、焊接工藝及去應力處理工藝,調用高空焊接作業經驗豐富的技術工人,加工出既沒有焊接缺陷又沒有應力集中的熱風爐爐殼,就會減少和避免各種腐蝕的發生。以提高爐殼的使用壽命。

        4、低碳鋼的焊接

                低碳鋼的含碳量≤0.2%,可焊性良好。低碳鋼的弧焊工藝應保證接頭與母材等強度,接頭應具有較低的脆性轉變溫度,避免超過允許尺寸的缺陷,以提高結構的工作可靠性。

                低碳鋼弧焊焊縫金屬中的含碳量一般均低于母材。焊縫依靠提高Si、Mn含量和弧焊所具有的較高的冷卻速度而達到與母材等強度。冷卻速度高會使塑性及韌性降低,但對單層焊縫的脆性轉變程度無明顯影響。焊縫冷卻速度取決于母材板厚,焊接工藝參數及起焊時的焊件溫度。厚板單層角焊縫及厚板多層角焊縫或多層對接焊的最后一層,如果是焊在已經冷卻的焊縫上時,則由于冷卻速度快,焊縫的機械性能會有比較顯著的影響。因此,厚板單層角焊縫的焊角尺寸不得過小,多層焊應盡量連續焊完最后一層,表面缺陷的補焊焊縫應具有正常的焊縫尺寸,長度不能過短,必要時還應采用100~150℃局部預熱等。多層焊縫的脆性轉變溫度比單層焊低些。

                低碳鋼弧焊焊縫一般具有較高的抗熱裂能力。但當母材含碳量接近(0.21~0.25%)時,遇下列情況時應注意在工藝上避免窄而深的焊縫,否則可能出現熱裂縫:角焊縫,對接多層焊的第一道,整個板厚焊透的單面焊縫,大間隙對接焊的第一道焊縫。采用堿性低氫焊條亦有助于避免熱裂縫。

                低碳鋼弧焊的各種規范對熱影響區的性能無明顯影響,但仍應避免接頭嚴重過熱。

        沸騰鋼含氧量較高,鋼板厚度中心有顯著偏析帶,焊接時易產生裂縫,厚板焊接還有層狀撕裂傾向,其時效傾向也較大,焊接接頭的脆性轉變溫度較高,故一般不宜用作承受動載或在嚴寒下工作的重要結構。

        5、爐殼材料的選擇

                根據我國2008年9月1日實施的《GB713-2008鍋爐和壓力容器用鋼板》的新分類,16Mng和16MnR、19Mng合并為Q345R。Q345R是普通低合金結構鋼,是鍋爐和壓力容器常用鋼材。首鋼生產的Q345LK和Q345R都屬于低碳低合金結構鋼。

                選擇不銹鋼制作熱風爐爐殼。其優點是:(1)焊接性能好。(2)抗氧化能力強。其缺點是:(1)含鉻量高,焊接過程中(450~850℃范圍)易出現晶間腐蝕傾向。(2)材料價格昂貴。

        總之,Q345R、Q345LK和不銹鋼都應該是熱風爐爐殼制作的好材料。

        6參考文獻

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        [3]合金鋼編寫組編.合金鋼[M].機械工業出版社, 1978-09.

        [4]金屬材料及熱處理編寫組編.金屬材料及熱處理[M].上海人民出版社,1973.

        [5]金屬學編寫組編.金屬學[M].上海人民出版社,2009.

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        [7] 張金鳳主編.模具材料與熱處理[M].機械工業出版社, 2010-2-1.

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