盧正東-武鋼6號(hào)高爐冷卻壁破損調(diào)查

武鋼高爐冷卻壁破損調(diào)查盧正東2016年5月20日廈門個(gè)人簡(jiǎn)介

盧正東年齡32歲學(xué)歷碩士研究生畢業(yè)院校南京工業(yè)大學(xué)專業(yè)材料科學(xué)與工程研究方向高爐長(zhǎng)壽技術(shù)職稱工程師工作單位武鋼研究院-鐵前技術(shù)研究所-煉鐵技術(shù)領(lǐng)域工作經(jīng)歷2010年8月至2011年3月,武鋼煉鐵廠(基層鍛煉)2011年4月至今,武鋼研究院(從事高爐長(zhǎng)壽技術(shù)研究)工作導(dǎo)師:陳令坤、于仲潔、宋木森聯(lián)系方式TelE-mail:luzhengdong@163.com4武鋼高爐概況1235武鋼高爐存在的長(zhǎng)壽問題高爐冷卻壁破損調(diào)查及原因分析冷卻壁改進(jìn)優(yōu)化與服役效果6匯報(bào)內(nèi)容結(jié)論與展望1武鋼高爐概況表1武鋼高爐概況(青山本部,共7座)爐號(hào)有效容積服役時(shí)間裝備情況12200m32001年(第3代)軟水密閉循環(huán)（2號(hào)高爐采用工業(yè)水開路循環(huán)）磚壁合一薄爐襯;4、5、6、7、8號(hào)高爐爐腹、爐腰、爐身下部采用銅冷卻壁;（其中8號(hào)高爐在爐缸風(fēng)口帶應(yīng)用了鑄銅冷卻壁），其它位置采用球磨鑄鐵冷卻壁；爐缸采用超微孔(或微孔)炭磚;爐底上層采用超微孔(或微孔)炭磚；爐底下層采用石墨(或半石墨)炭磚；陶瓷杯采用微孔剛玉磚；21500m32010年(第5代)42600m32007年(第2代)53200m32007年(第2代)63200m32004年(新建)73200m32006年(新建)84117m32009年(新建)2武鋼高爐長(zhǎng)壽中存在的問題建廠初期至上世紀(jì)70年代末,爐缸爐底侵蝕燒穿問題嚴(yán)重，高爐整體服役壽命短。上世紀(jì)70～80年代，全炭磚水冷薄爐底技術(shù)應(yīng)用后，爐缸爐底短壽問題得到有效解決，但爐身壽命短問題依然存在，一代爐役需3～4次中修)3上世紀(jì)90年代～本世紀(jì)初,軟水密閉技術(shù)、球磨鑄鐵冷卻壁、優(yōu)質(zhì)耐火材料的應(yīng)用，高爐整體壽命大幅延長(zhǎng)。(長(zhǎng)壽典范:武鋼5號(hào)高爐3200m3一代爐齡15年8個(gè)月(無中修),單位爐容產(chǎn)鐵11096.6t/m3)42007年至今，隨著冶煉強(qiáng)度逐漸提高以及高風(fēng)溫、高富氧、大噴煤技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)用第一代銅冷卻壁高爐的爐腹?fàn)t缸銜接部位冷卻壁破損現(xiàn)象十分嚴(yán)重。2武鋼高爐長(zhǎng)壽中存在的問題20122014

武鋼1號(hào)高爐(第3代)2200m3,

于2001年5月投產(chǎn),爐腹?fàn)t缸冷卻壁自2003年起開始逐年破損，并于2007年起破損加重，于2011年2月停爐檢修并更換破損冷卻壁。

武鋼7號(hào)高爐3200m3

，于2006年6月投產(chǎn)，2009年后爐腹冷卻壁破損逐漸加重，爐殼發(fā)紅現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，于2012年3月對(duì)停爐檢修并更換破損冷卻壁。

武鋼6號(hào)高爐3200m3

，于2004年7月投產(chǎn)，2005年起出現(xiàn)爐腹冷卻壁水管破損現(xiàn)象，2012年起破損加重。于2014年11月停爐檢修并更換破損冷卻壁。2武鋼高爐長(zhǎng)壽中存在的問題表2高爐爐腹?fàn)t缸段冷卻壁水管破損數(shù)量統(tǒng)計(jì)武鋼1號(hào)高爐年份2001200220032004200520062007200820092010合計(jì)爐缸第4段1/11021/3/9爐腹第5段1/5621827244621150爐腹第6段//218818313616120武鋼6號(hào)高爐年份2005200620072008200920102011201220132014合計(jì)爐缸第5段235761457647爐腹第6段000100141211293.1武鋼1號(hào)高爐冷卻壁破損情況調(diào)查

圖1

圖2圖1為爐腹?fàn)t缸冷卻壁侵蝕破損照片，可以看到5段球磨鑄鐵冷卻壁侵蝕破損嚴(yán)重，部分破損部位進(jìn)行了穿管處理,以維持生產(chǎn)。從圖2是穿管冷卻壁停爐后照片。圖3圖4圖3為爐缸風(fēng)口照片,風(fēng)口上翹嚴(yán)重；圖4為爐身9段鑄鐵冷卻壁破損,水管破損漏水嚴(yán)重3高爐冷卻壁破損調(diào)查3.1武鋼1號(hào)高爐冷卻壁破損調(diào)查

圖5

圖6圖5為爐腰和爐身下部銅冷卻壁照片，燕尾槽清晰可見，未發(fā)生嚴(yán)重侵蝕破損；圖6為漏水銅冷卻壁剖面照片，內(nèi)部水道規(guī)整。圖7圖8圖7、圖8為破損銅冷卻壁通水檢測(cè)照片，僅在塞頭處有小股漏水，漏水量很小3高爐冷卻壁破損調(diào)查3.2武鋼6號(hào)高爐冷卻壁破損調(diào)查

圖9

圖10圖9、圖10為爐腹?fàn)t缸冷卻壁侵蝕破損照片，可以看到6段銅冷卻壁底部侵蝕破損嚴(yán)重，5段鑄鐵冷卻壁熱面頂部已被侵蝕，冷卻水管直接裸露在外。圖11圖12圖11、圖12為爐身中部和上部冷卻壁侵蝕破損照片，可以看到9段、10段鑄鐵冷卻壁表面龜裂嚴(yán)重，部分冷卻壁水管裸露在外，侵蝕嚴(yán)重部位的水管已經(jīng)斷裂漏水。3高爐冷卻壁破損調(diào)查3.2武鋼6號(hào)高爐冷卻壁破損調(diào)查

圖13

圖14圖13、圖14為爐腹破損嚴(yán)重的銅冷卻壁取樣照片，冷卻壁熱面肋條已被刷平，進(jìn)水管處被燒損，水管處做了灌漿處理。圖15圖16圖15、圖16為爐缸鑄鐵冷卻壁取樣照片，冷卻壁熱面頂部已被侵蝕，水管直接裸露在外。3高爐冷卻壁破損調(diào)查3.3破損調(diào)查小結(jié)1.

近年來武鋼高爐冷卻壁破損嚴(yán)重部位主要位于爐腹?fàn)t缸銜接部位。2.

爐缸段球墨鑄鐵冷卻壁熱面上部已被侵蝕，冷卻水管直接裸露出來，預(yù)計(jì)生產(chǎn)中主要依靠其表面覆蓋的渣皮維持工作，一旦爐況發(fā)生波動(dòng)，造成渣皮脫落，便極易造成冷卻壁水管的燒蝕破損。3.部分6段銅冷卻壁底部和熱面侵蝕嚴(yán)重，且底部破損嚴(yán)重的銅冷卻壁都出現(xiàn)了底部進(jìn)水管被燒損的現(xiàn)象。初步判斷是6段銅冷卻壁底部破損后，高溫煤氣流竄入冷卻壁冷面進(jìn)水管處，將其燒壞。排除施工安裝及人為操作不當(dāng)，冷卻壁底部破損原因應(yīng)從材質(zhì)性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面考慮。3高爐冷卻壁破損調(diào)查冷卻壁檢測(cè)分析項(xiàng)目爐缸球墨鑄鐵冷卻壁金相分析球磨鑄鐵冷卻壁的高溫相變是導(dǎo)致本體龜裂和破損的重要原因。爐腹銅冷卻壁力學(xué)性能

開展了銅冷卻壁高溫力學(xué)性能研究，評(píng)估高溫服役效果。爐腹銅冷卻壁化學(xué)指標(biāo)分析銅冷卻壁重點(diǎn)分析銅含量與氧含量銅冷卻壁氧含量如果超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致“氫病”，“氫病”可以導(dǎo)致冷卻壁出現(xiàn)微裂紋，進(jìn)而造成冷卻壁壁體的侵蝕破損。爐腹銅冷卻壁金相和掃描電鏡分析分析銅冷卻壁表面裂紋的形成原因。3冷卻壁破損原因分析3.4球墨鑄鐵冷卻壁金相分析編號(hào)石墨形態(tài)及石墨化級(jí)別組織及鐵素體含量百分?jǐn)?shù)1-熱面蠕蟲狀、球狀（2級(jí)）,見圖17珠光體+鐵素體（約40%）+石墨2-過渡蠕蟲狀、球狀（2級(jí)）,見圖18珠光體+鐵素體（約40%）+石墨3-冷面團(tuán)絮狀、球狀（2級(jí)）,見圖19鐵素體（約90%）+珠光體+石墨圖17圖18圖193冷卻壁破損原因分析3.5銅冷卻壁力學(xué)性能分析編號(hào)11121341435153616263抗拉強(qiáng)度MPa203204204206206202207202203200延伸率%57565454545352555758

由檢測(cè)結(jié)果看，破損銅冷卻壁完好部位和侵蝕部位，冷面與熱面力學(xué)性能基本一致。其中，抗拉強(qiáng)度平均值為203MPa，延伸率平均值為54%。由于6號(hào)高爐銅冷卻壁采用的是軋銅材質(zhì)，所以其對(duì)應(yīng)的力學(xué)國家標(biāo)準(zhǔn)為銅及銅合金板材（GB/T-2040-2002），標(biāo)準(zhǔn)中要求抗拉強(qiáng)度≥205MPa，伸長(zhǎng)率≥30%，考慮到服役后的冷卻壁力學(xué)性能略有降低，故6號(hào)高爐銅冷卻壁力學(xué)性能基本符合國家標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足正常爐況下的服役要求。3冷卻壁破損原因分析3.5銅冷卻壁力學(xué)性能分析除常溫力學(xué)性能外，項(xiàng)目組還對(duì)銅冷卻壁試樣作了高溫力學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示銅冷卻壁隨著環(huán)境溫度升高，屈服強(qiáng)度逐漸下降，環(huán)境溫度為400℃，試樣屈服強(qiáng)度為107MPa。圖20銅冷卻壁高溫力學(xué)性能3冷卻壁破損原因分析3.6銅冷卻壁化學(xué)成分分析

氧在銅合金中很少固溶于銅，含氧銅冷凝時(shí)，氧呈共晶體（Cu+Cu2O）析出，分布在銅的晶界上。如果將含氧銅置于含H2還原氣氛中時(shí)，氫在高溫下滲入銅晶界內(nèi)，與Cu2O作用，產(chǎn)生高壓水蒸氣使銅破裂，這種現(xiàn)象稱為“氫病”。編號(hào)111213616263氧含量ppm10111591210

檢驗(yàn)結(jié)果表明，武鋼6號(hào)高爐銅冷卻壁氧含量已滿足國家關(guān)于無氧銅的標(biāo)準(zhǔn)。此外，根據(jù)洛陽銅加工集團(tuán)的研究結(jié)果，當(dāng)氧含量低于16ppm時(shí)，銅材在高溫還原氣氛下不會(huì)產(chǎn)生裂紋。3冷卻壁破損原因分析3.7銅冷卻壁金相與掃描電鏡分析

圖21

圖22圖21、圖22為爐腹銅冷卻壁侵蝕破損部位金相照片，可以看到破損部位邊緣存在微裂紋。圖23圖24

圖23、圖24為爐腹銅冷卻壁侵蝕破損部位掃描照片，可以看到部分裂紋和孔洞中有其它物質(zhì)沉積。3冷卻壁破損原因分析4冷卻壁改進(jìn)優(yōu)化與服役效果4.1冷卻壁破損分析小結(jié)

綜上所述，6號(hào)高爐銅冷卻壁材質(zhì)性能良好，銅冷卻壁本體材質(zhì)不是冷卻壁異常破損的主要原因。結(jié)合爐內(nèi)觀測(cè)和研究分析，其破損原因應(yīng)該在于高爐爐腹?fàn)t缸銜接部位冷卻壁結(jié)構(gòu)不合理。當(dāng)爐缸5段冷卻壁外部耐火磚襯侵蝕殆盡后，高溫煤氣流會(huì)沿著銜接部位的破損處竄入爐腹冷卻壁冷面，先將銅冷卻壁進(jìn)水管燒壞，然后燒壞整個(gè)冷卻壁，高爐被迫停產(chǎn)檢修。圖254.2冷卻壁結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化圖26為原有高爐爐腹?fàn)t缸銜接部位冷卻壁結(jié)構(gòu)示意圖。圖27為改進(jìn)后高爐爐腹?fàn)t缸銜接部位冷卻壁結(jié)構(gòu)示意圖。圖27中：1—爐腹冷卻壁壁體、2—爐腹冷卻壁燕尾槽、3—爐腹冷卻壁SiC鑲磚、4—爐腹冷卻壁凸臺(tái)、5—爐缸冷卻壁壁體、6—爐缸冷卻壁燕尾槽、7—爐缸冷卻壁SiC鑲磚、8—冷卻水管。圖26圖274冷卻壁改進(jìn)優(yōu)化與服役效果4冷卻壁改進(jìn)優(yōu)化與服役效果4.3冷卻壁數(shù)值模擬本研究以6號(hào)高爐5段風(fēng)口球墨鑄鐵冷卻壁和6段爐腹銅冷卻壁為原型，等比例建立計(jì)算模型，由于5段共有32塊球墨鑄鐵冷卻壁，6段共有48塊銅冷卻壁，即5段每?jī)蓧K球墨鑄鐵冷卻壁對(duì)應(yīng)6段3塊銅冷卻壁，故在建模時(shí)，將上述5塊冷卻壁作為一個(gè)整體予以考慮，最大程度模擬高爐實(shí)際應(yīng)用情況。圖28冷卻壁模型示意圖圖29網(wǎng)格劃分示意圖4.4冷卻壁結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后溫度場(chǎng)對(duì)比圖30原銜接部位溫度場(chǎng)圖31改后銜接部位溫度場(chǎng)

如圖30、31所示，新型銅冷卻壁在底部增設(shè)凸臺(tái)結(jié)構(gòu)后，5段、6段冷卻壁銜接部位溫度下降，溫度場(chǎng)分布更加合理，其中銜接部位爐內(nèi)熱面拐點(diǎn)處為溫度最高點(diǎn)，改進(jìn)前該點(diǎn)溫度為891℃，改進(jìn)后該點(diǎn)溫度降為723℃，下降168℃，溫度下降后，可以改善上述部位的工況，緩解冷卻壁的破損現(xiàn)象。4冷卻壁改進(jìn)優(yōu)化與服役效果