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熱風爐爐殼安全重于泰山

2022-04-07 16:24:00

  熱風爐爐殼的安全是煉鐵安全的基石,亦是和諧煉鐵、智慧煉鐵的重要組成部分。2021年年末,國外鋼廠一座2000m3高爐配套熱風爐爐體發生大爆炸的案例,引起了國內煉鐵界的擔心和關注。他們在熱風爐生產安全自檢自測工作中發現,擁有686座推廣業績的豫興頂燃式熱風爐,不僅具備低氮、節能、高風溫的優良特性,而且是一款安全性很高的長壽熱風爐。原來, 豫興人早就未雨綢繆,預先潛心開展熱風爐爐殼防裂防爆的新理論、新舉措、新技術研究,并刷新了超高風溫熱風爐爐殼安全長壽國際紀錄。

  熱風爐安全英雄所見略同

  豫興人用理念秘訣公開

  到今年3月末,山西建邦鋼鐵集團通才工貿有限公司鐵廠1860m3高爐配套的豫興懸鏈線頂燃式熱風爐已經安全運行了整整10年之久。這只不過是686座豫興頂燃式熱風爐長壽、安全節能、環保、高風溫生產的一個縮影。

  建邦集團通才公司這座高爐配套的豫興頂燃式熱風爐創造的月平均 1314.7℃最高風溫中國歷史紀錄至今從未被超越。其爐殼高風溫、抗開裂、抗腐蝕的特性已經過長期高風溫驗證。這座高爐熱風爐和眾多的豫興熱風爐安全長 壽的秘訣,在于其爐殼采用了低磷低硫具有承壓和很好性能的Q345R壓力容器鋼。興公司的這種用材理念不僅貫徹于多年實踐中,而且十多年來,持續不斷在由中國金屬學會召開的歷屆煉鐵會和多種冶金報刊上刊發和呼吁選用這種材料的重要作用。

  今年2月8日,俄羅斯卡魯金公司代表在煉鐵熱風爐信公眾號“與用戶對話——我們需要了解的熱風爐”第五篇 第十一節首次發出強烈呼吁“總結和展望:現在和未來的熱風-爐殼材質標準應從Q345C/Q345B提高為Q345R壓力容器”。這是該公司對此前爐殼100%使用Q345C普通機械進行總結和展望后首次提出爐殼材料標準提高為使用Q345R壓力容器鋼,這是避免爐殼開裂損壞的鄭重聲明。

  興公司與俄羅斯卡魯金公司這兩家在國際國內具有較強影響力和引領頂燃式熱風爐兩大爐型發展的技術公司,對爐殼材質標準的提高和選用及實踐遙相呼應,表明 高熱風爐爐殼材質、解決高壓超高風溫頂燃式熱風爐爐殼晶間腐蝕及開裂腐蝕、消除安全隱患已刻不容緩。

  爐體開裂爆炸驚心動魄

  爐殼用材切忌墨守成規

  近年來,隨著我國強化煉鐵、高爐高產、高風溫熱風爐以及節能環保的需要,高壓超高風溫熱風爐成為大型高爐發展的趨勢。其送風溫度由原來的普通風溫1250℃提高至超高風溫1300℃~1310℃,最高風溫已經實現1320℃。其風壓也由傳統的最高4.5kg/cm2提高到5.5kg/cm2,最高達5.8kg/cm2。風溫和壓力的提高,引發爐殼厚度的增加,但爐殼材質標準仍舊采用傳統的Q345C結構鋼板會加劇其固有的焊縫氣孔、熱脆、加工拘束應力開裂和晶間腐蝕缺陷,加快高壓、超高風溫熱風爐爐殼在使用過程中的開裂腐蝕程度,從而使熱風爐安全生產埋下了巨大事故隱患。這不是危言聳聽,而是有下列設計風溫低于1250℃、壓力低于4.5kg/cm2 、采用普通鋼板的幾例驚心動魄的案例:

  案例一,2021年底,國外一家鋼鐵廠2000m3高爐配套的頂燃式熱風爐發生熱風爐爐殼和格子磚飛事故,數百噸高溫發紅的耐火磚從爐膛沖天飛出,猶如一片紅色的流星在熱風爐爐膛前空間爆炸開花(見圖1、圖2、圖3),目擊者至今心有余悸。

  

  圖1這是發生爆炸的第二天,拍攝的爐殼爐體爆炸后的熱風爐狀態。

  

  圖2捷克一鋼廠2000m3高爐頂燃式熱風爐于2021年12月初發生的驚天爐體大爆炸安全事故,爐殼炸開一個面積約100-150平方米的大洞,熱風爐蓄熱室數百噸1000多攝氏度高溫大墻磚和格子磚被炸出體外。

  

  圖3爆炸后的熱風爐格子磚、大墻磚像天女散花一樣布滿熱風爐周圍地面,確實是安全大事故。

  案例二,我國某鋼鐵企業一座2000m3級別高爐內燃式熱風爐在使用13年后,其拱頂爐殼焊縫開裂造成爐殼和拱頂耐材飛。

  案例三,我國某鋼鐵企業的2500m3高爐外燃式熱風爐燃燒室爐殼在使用數年后也因焊縫開裂發生了拱頂爐殼和拱頂耐材飛。

  案例四,我國某鋼鐵企業的 1080m3 高爐頂燃式熱風爐爐殼在使用數年后焊縫開裂造成了拱頂爐殼和拱頂耐材飛。

  這僅僅是國際國內爐殼爆炸案例的縮影。上述案例 二、案例三、案例四熱風爐爐殼均被甩飛到50米~60米遠的距離。尤其是案例四,其熱風爐爐頂殼體及耐材飛到60米開外的地方。依據其事故前送風壓力和爐殼直徑計算,送風時爐殼內的盲板力3000噸。經對事故的發生進行調查發現,爐殼的焊縫中有長為 250mm、寬度接近10mm的夾渣,加之使用過程中的壓力及焊縫腐蝕、氧化 等綜合因素,導致焊縫強度減弱爐殼抗盲板力強度不足, 從而產生了開焊甩飛爐殼和耐材的結果。該公司亡羊補牢,將所有熱風爐爐殼焊接上了密密麻麻的焊縫加固件,才避免再出現類似事件發生。上述四個經典爐殼開裂引起的重大爆炸案例,也給我們的熱風爐 安全防爆設計和煉鐵使用者敲響了安全警鐘。

  

  這三張圖是我國另一座高壓超高風溫頂燃式熱風爐預燃室爐殼焊縫兩邊母材脆裂、開裂現場狀況。

  產生這種缺陷的該熱風爐爐殼材質就是傳統的具有爆炸隱患的Q345C。

  科學計算得出科學結論

  正確選材贏得爐殼安全

  結合上述爐殼耐材飛案例和近幾年高壓超高風溫頂燃式熱風爐普遍存在的爐殼焊縫開裂腐蝕現象,豫興技術團隊在具有50年煉鐵熱風爐設計、使用和操作、管理經驗的專家——符政學總工程師的精心指導下,早在十多年前就雨綢繆,潛心跟蹤調研,發現頂燃式熱風爐爐殼開裂因素與選擇Q345C爐殼材質、送風高壓力、高風溫NOx高排放、Q345C爐殼材料氫含量、Q345C加工焊接拘束應力和應力腐蝕疲勞以及施工質量等因素有關。如果上述因素集中作用,在巨大送風盲板力作用下,肯定會導致爆炸事故發生。這一結論是豫興人科學計算的結果:依據壓力和燃燒室爐殼直徑計算送風盲板力,以頂燃熱風爐燃燒室爐殼直徑13.5m,送風壓力4.5kg/cm2、5.5kg/cm2、5.8kg/cm2進行計算,由熱風爐的4.5kg/cm2普通壓力計算產生的6441噸盲板力,提高到7873噸、8302噸,盲板力分別比傳統頂燃式熱風爐增大了1432噸和1861噸。而盲板力如此之大,選用Q345C爐殼的厚度必將增厚,由原來常規殼厚 40mm 增加至 48mm~ 56mm。爐殼加厚導致加工安裝拘束應力加大、 Q345C鋼板的熱脆、氣孔、焊接瑕疵加劇。當 現 1280℃ ~1310℃超高風溫時拱頂溫度高達1400℃~1420℃(燃燒時拱頂溫度大于1420℃時NOX大于300mg/m3,送風時NOX瞬間接近2000mg/m3 ),超高溫產生的NOx中的NO2和低溫爐殼與爐內高溫溫差形成的冷凝水珠反應生成 HNO3腐蝕Q345C 母材龜裂縫隙和焊縫縫隙,在數千噸盲板力、Q345C材質焊接瑕疵、其他腐蝕介質等綜合因素作用下,加劇爐殼開裂縫隙腐蝕,這是嚴重的安全隱患(圖2的開裂漏風 焊縫,如熱風爐臨近大海旁邊,空氣中的鈉離子和內部爐殼硝酸對內外殼體裂紋長期慢慢腐蝕,終會使點狀漏風點串為焊縫通裂裂縫,大幅度降低爐殼焊縫強度),對工作在一線生產工人人身安全產生嚴重威脅。上述理論與實踐研發成果,不僅應該引起煉鐵工作者的高度重視,而且隨著高壓超高風溫的實現,熱風爐爐殼 材質的標準應從普通機械Q345C提高至壓力容器鋼Q345R或者耐酸腐蝕壓力容器鋼Q345R(HIC,提上議事日程。

  事實勝于雄辯,十年前建成投產的山西建邦集團通才公司1860m3高爐配套豫興懸鏈線頂燃式熱風爐的爐殼材料摒棄傳統的存在諸多缺陷易開裂腐蝕Q345C,而是改用具有良好焊接 性能和抗壓力抗腐蝕的Q345R壓力容器鋼板,從而安全長壽應用至今,不僅爐殼完好無損,也沒有出現爐殼焊縫腐蝕開裂和焊補現象發生,更沒有發現熱風出口爐殼部位高溫發紅現象。其充分證明:豫興高風溫熱風爐不僅可使氮氧化物實現超低排放,而且創新采用的Q345R爐殼材質選擇也是正確的。它同時也為近七百座國內外豫興高風溫頂燃式熱風爐爐殼的穩定長壽 設計提供了科學和實踐依據。

  科學選材理念廣泛傳播

  爐殼安保措施大放異彩

  目前我國一些企業的頂燃式熱風爐已經采取了類似興公司的安全保護措施。如某鋼鐵企業一座大型高爐高壓超高風溫頂燃式熱風爐在設計初期(剛好是另一企業高爐高壓超高風溫熱風爐爐殼頻繁開裂腐蝕嚴重期),熱風爐設計時直接將錐形拱頂部位爐殼采用低合金高強度結構鋼Q345C鋼板與奧氏體不銹鋼904L復合材鋼板Q345C+904L)。該套熱風爐建成投產高壓力超高風溫運行數年后,整個錐形拱頂燃燒室爐殼除了一處不足一米的爐殼焊縫開裂腐蝕外,其他焊縫保持完好,沒有開裂腐蝕痕跡,而燃燒室的上部預燃室部位爐殼則采用純Q345C鋼 板,出現了焊縫及母材開裂腐蝕,其開裂腐蝕不規則狀態較嚴重,分布在橫豎焊縫左右或上下兩母材約200mm(見圖3是典型的腐蝕狀冷脆 裂縫)。由此可以判斷支撐預燃室的托板焊縫裂紋、熱脆也在所難免,其支撐板的支撐強度已經大大減弱,應該予以關注。通過對這套熱風爐燃燒室爐殼幾乎沒有顯示開裂腐蝕和燃燒室上部預燃室爐殼嚴重開裂腐蝕的反差癥狀對比,說明了兩個問題:其一,(Q345C+904L)復合鋼板具有抗硝酸抗硫酸腐蝕的突出特性;其二,說明下部燃燒室椎體內置不銹鋼復合材料鋼板表面形成的硝酸液及硫酸腐蝕介質轉移至上部預燃室外部爐殼開裂縫隙腐蝕開裂。同樣幾何尺寸和熱風各種參數相同,但燃燒室爐殼和預燃室爐殼全部采用純Q345C鋼板、爐殼內沒有設置防腐不銹鋼904L內襯的高壓超高風溫熱風爐在另一個企業使用,錐形燃燒室爐殼仍舊出現了很嚴重的焊縫開裂腐蝕、嚴重的母材裂縫腐蝕,證明高壓超高風溫熱風爐氣體中有較大量強腐蝕元素 爐殼龜裂縫隙和焊縫開裂縫隙,且是產生腐蝕的主要因素的事實。某鋼鐵公司高壓超高風溫頂燃式熱風爐原爐殼材質采用Q345C,爐殼縫開裂頻繁,開裂了就補焊,補焊了又開裂,在焊過程中,還能聽到焊縫縫隙處漏風的嗤嗤聲。采用砂輪將爐殼的焊縫及母材局部切割出來,可 以肉眼清晰地看到殼體內側網狀裂紋,其裂紋分 在焊縫兩側母材約100mm處(冷脆龜裂裂縫 腐蝕)。為了消除安全隱患,該公司于2021年6月份將焊縫已嚴重損壞的純Q345C材質的原熱風爐爐殼進行切割更換為Q345C+904L復合鋼板,實施不停產兩燒一送一大修,單座熱風爐大修三個月,四座熱風爐大修期計劃一年,其總工程大修費用和大修期間影響企業產能總效益也是一組天文數字。

  從上述三個企業三座大型高爐高壓超高熱 風爐爐殼損壞和大修案例,證明選用Q345C材質作為高壓超高風溫爐殼幾乎100%存在爐殼應力裂紋腐蝕和加工焊接裂紋腐蝕,而開裂嚴重程度與使用時間長短、風溫、使用條件相關聯。新建大型高爐高壓超高風溫熱風爐采用(Q345C+904L)復合鋼板或者 Q345R(HIC可以阻隔腐蝕介質對損傷的焊縫腐蝕和母材龜裂縫隙腐蝕。如采用耐硝酸耐硫酸抗壓承壓抗龜裂、抗焊縫開裂材質Q345R(HIC鋼板爐殼,則一勞永逸。而Q345C+904L復合材質僅僅解決了阻隔了腐蝕介質對其外部的Q345C爐殼及龜裂裂縫的腐蝕,但外部鋼Q345C的氣孔、熱脆、龜裂、焊接瑕疵、拘束應力導致的殼體 焊縫依然存在安全隱患,因而大大遜色于直接 采用Q345R(HIC材質。如果采用將原爐殼更換為(Q345C+904L)或者 Q345R(HIC殼體的方法,投入太大,經濟損失太大。但無論是更換(Q345C+904L)復合鋼板或者更換 Q345(HIC),都需要一座熱風爐停產更換爐殼, 其大修周期較長,這將導致鋼鐵企業的投資增大、風溫降低、經濟效益損失太大且不可行。因此,興公司的技術團隊結合十幾年來的深入研究和實踐研發了一種保留原爐殼不動,保持正常生產不停,熱風爐繼續實施兩燒兩正常運行的方法進行保護性大修(國家專利申請號2022205581665),大大降低了大修強度和大修投資費用,可減少因更換爐殼及大修造成的投資80%以上。其實施方法是:在原開裂腐蝕爐殼外部增加一層Q345R鋼板,鋼板的厚度依據送風壓力和爐殼直徑及高風溫計算確定,在新增加的鋼殼與原爐殼之間填充一層20mm~100mm的保溫纖維棉,確保外部新增爐殼散熱溫度在80℃上下,內部原爐殼溫度介于100℃至 200℃之間。內部原爐殼溫度低于100℃條件下易產生冷凝水珠,冷凝水珠與高溫大量生成的氮氧化物及硫化物結合形成硝酸和硫酸腐蝕介質是腐蝕爐殼裂縫造成爐殼焊縫開裂加劇的主要元兇。通過增加一層爐殼和保溫纖維棉的設置既可以保溫節能,又可以避 內部原爐殼的開裂繼續腐蝕,確保爐殼使用壽命(需要注明,爐內支撐板的溫度均高于100℃以上,支撐板不存在腐蝕介質的腐蝕損壞,其承重是安w的),同時外部爐殼材質僅僅采用Q345R鋼板可以替代內部爐殼起到承壓抗腐抗氧化作用,具有適應穩定長壽高壓超高風溫的工況條件。

  爐殼新材理論基礎雄厚

  摒棄傳統科學分析透徹

  爐殼材料使用Q345R鍋爐和壓力容器鋼板的原因有以下幾點:

  首先,Q345C鋼板不是壓力容器用鋼板。具體有5個級別,分別為Q345A出廠前不要求做沖擊功實驗、Q345B出廠前要求常溫沖擊功試驗、Q345C出廠前要求0℃沖擊功實驗、Q345D出廠前要求-20℃沖擊功實驗、Q345E出廠前要求-40℃沖擊功實驗,排序越靠后質量要求越高。說明Q345B鋼板可以在常溫環境中使用,Q345C鋼板可以在0℃以上環境中使用。Q345R是壓力容器鋼材質。而熱風爐屬于壓力容器,因為我國2008年9月1日實施的《GB713- 2008 鍋爐和壓力容器用鋼板》規范中明確Q345R為壓力容器專用鋼材。首先,這兩種鋼材的主要區別是S、P的含量不同,其中Q345C的 S≤0.03、P≤0.03,而 Q345R 的 S≤0.01、P≤0.025。對于鋼材而言,國家標準對壓力容器鋼板中S、P含量有嚴格限制。S極易產生熱脆現象,同時S還會明顯降低鋼的焊接性能,致使焊縫產生氣孔和疏松,從而降低焊縫強度;當鋼中含P量高時,會發生冷脆現象,同時P還會降低鋼的抗裂性能,提高鋼的偏析度,促進晶粒粗化。

  其次,Q345C鋼板發生焊縫嚴重開裂還有下列重要因素:一是焊縫中的氫含量高,氫含量來源于焊接材料中的水分、焊件坡口的鐵銹、油及環境濕度等。對于Q345C鋼板來說,只要板厚不太大,且冷卻速度控制得當,就不易在中產生殘余氫,殘余氫易產生冷裂紋或撕裂狀裂紋。如果Q345C鋼板材料中含氫量比較高, 就為焊縫及焊縫熱影響區開裂創造了必要條件。

  二是拘束應力,拘束應力與板厚有關系,鋼板厚度越大,拘束應力越大。板厚接近或者超過40mm,加工和焊接過程就容易出現較大的應力,也會為焊縫及焊縫熱影響區開裂創造充分條件。必要條件和充分條件都具備,焊縫和焊縫熱影響區就會嚴重開裂。

  三是大型高爐高壓超高風溫頂燃式熱風爐燃燒室爐殼鋼板厚度應該在 40mm~56mm,壓力5.5kg/cm2以上,超高風溫在1280℃~1310℃,這樣的工況條件計算的爐殼需要加厚,如繼續采用鋼板截面氫含量偏高的Q345C,就容易出現焊縫熱影響區龜裂。在爐殼校對焊接過程中,焊接材料中的水分、焊件坡口的鐵銹、油污及環境濕度等,都會給焊縫帶來較大的拘束應力,會造成焊縫裂紋,在周期性壓力、大量NOx綜合作用下,增強了焊縫及焊縫熱影響區的腐蝕作用,加快了爐殼焊縫及焊縫熱影響區的開速度。因此,超大型高爐熱風爐的焊縫及 熱影響區會出現嚴重的開裂現象。高爐熱風爐在靠近海邊,其空氣中的鈉離子對Q345C已經龜裂和焊縫開裂也具有腐蝕還有氧化損壞影響。

  四是Q345R鋼板是鍋爐和壓力容器專用鋼板。Q345R(HIC)是要求做氫致開裂檢驗、Q345R(R+HIC)要求做氫致開裂檢驗和硫化物(SSCC)應力腐蝕檢驗。我國于2008年9月1日實施的 GB713-2008《鍋爐和壓力容器用鋼 板》和GB713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》規范中明確Q345R鋼板是鍋爐和壓力容器專用鋼板,因此Q345R鋼板應該是最好的選擇。特別是高壓力超高風溫大型高爐熱風爐爐殼 板厚度大、熱風溫度高、送風壓力大,對焊接 度要求高,應該選擇抗氫致開裂檢驗和硫化物腐蝕檢驗的Q345R(HIC)鋼板或者Q345R(R+HIC)鋼板作為爐殼材料。如果熱風爐使用煤氣含硫量偏高,可以考慮采用Q345R(R+HIC)作為熱風爐爐殼材質使用。

  通過上述科學理論分析,可對熱風爐爐殼安全做出以下結論:

  一、高壓超高風溫熱風爐氮化物和硫化物腐蝕介質是造成爐殼母材開裂腐蝕和焊縫開裂 腐蝕及晶間腐蝕的重要因素;

  二、Q345C 鋼材質由于 S、P 含量高存在 熱脆、氣孔、焊接瑕疵、鋼板加厚加工拘束應力等固有的性能缺陷是造成高壓超高風溫大型 風爐爐殼開裂腐蝕的次要因素;

  三、高壓超高風溫大型頂燃式熱風爐爐殼 鋼板應該選擇出廠進行抗氫致開裂檢驗和硫化 物腐蝕檢驗的Q345R(HIC)鋼板或者 Q345R(R+HIC)鋼板作為爐殼材料,可以抗硝酸抗酸腐蝕,并避免爐殼母材開裂腐蝕和焊縫開裂腐蝕損壞,消除重大安全隱患;

  四、Q345C+904L復合鋼板內襯具有抗酸抗腐蝕突出作用,但是其外部爐殼Q345C板材經加工尚存拘束應力、龜裂、焊縫裂紋、氣孔、熱等綜合應力內傷,其承壓承重和抗外部氧化能力不足。Q345R+904L復合鋼板內襯不銹鋼爐殼是更安全更可靠的選項。

  五、對已開裂腐蝕損壞的爐殼,采用外一層Q345R爐殼加保溫的不停產大修方法,是節能、高效、高產、節省投資、保持內部原爐殼裂紋腐蝕原狀、外部承壓抗腐蝕適應高壓超高風溫大修最佳方案。

  六、采用Q345C鋼新建成投產使用周期較短高壓超高風溫熱風爐,如果尚未出現龜裂 腐蝕和焊縫裂縫腐蝕,切不可掉以輕心。因為熱風爐建成投產時就已經存在母材龜裂裂紋和焊縫裂紋并正在逐漸被腐蝕介質滲進腐蝕;應采 外貼一層裝飾殼體加保溫的方法既美化又保溫,確保已經存在應力裂紋和焊縫裂紋的爐殼 度高于100℃,堵截腐蝕介質滲透腐蝕龜裂裂縫 和焊接開裂裂縫,確保高壓超高風溫熱風爐爐殼長壽穩定、承重承壓在安全的狀態。(劉世聚)

 

 

來源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網

編輯:溫曉霞

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