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高炉热风炉炉壳焊缝裂纹腐蚀分析与控制

高炉热风炉炉壳焊缝裂纹腐蚀分析与控制

  • 分类:技术研发
  • 作者:符政学 刘世聚
  • 来源:
  • 发布时间:2021-06-10 09:27
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【概要描述】

高炉热风炉炉壳焊缝裂纹腐蚀分析与控制

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摘要:根据对高炉热风炉炉壳加工焊接情况、腐蚀情况等分析结果,提出造成高炉热风炉炉壳焊缝裂纹、腐蚀的主要原因是热风炉炉壳加工、热处理、焊接工艺、焊接工况条件、环境条件、焊条质量等多种因素造成焊接缺陷所致。所以应通过对具体情况进行分析,制定一系列有效的具体措施,即可避免和减少高炉热风炉炉壳焊缝裂纹的出现。

关键词    炉壳    裂纹    控制

1目前我国热风炉炉壳应用现状 

        目前我国炼铁高炉所配套的热风炉炉壳材料品种比较多。如:Q235B、Q345C(旧牌号16Mn)、BB41-BF、ALK420、WSM41C、Q345R(旧牌号16Mng)以及不锈钢等多样化的炉壳材料。

        在我国炼铁高炉热风炉的运行过程中,炉壳会不时出现焊缝开裂 ,甚至炉壳拱顶与壳体分离等危险现象发生。不但导致热风炉温度长期处于不稳定状态,甚至停产检修。有不少企业对炉壳裂纹进行检测分析,也采取了具体措施,相应也减少了一些焊缝开裂现象。使热风炉的使用寿命也得到了不断提高。有的企业热风炉运行一段时间,炉壳焊缝出现了裂纹,经处理后,运行一段时间,拱顶又出现焊缝开裂的问题。对拆除的壳体进行无损检测探伤,其结果显示靠近炉壳板焊缝位置存在大量裂纹,母体上也存在部分裂纹。

2高炉热风炉炉壳焊缝开裂的原因

2.1化学成分的影响

        碳:钢中含碳量增加,屈服点和抗拉强度升高,但塑性降低,焊接性能变差。因此,用于焊接的低合金结构钢含碳量一般不超过0.2%,含碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力。

        锰:锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。钢中含有一定量的锰,能消除或减弱由于硫所引起的热脆性,从而改善钢的热加工性能。

        磷:在一般情况下,钢中的磷能全部溶于铁素体中。磷有强烈的固溶强化作用,使钢的强度、硬度增加,但塑性、韧性则显著降低。这种脆化现象在低温时更为严重,故称为冷脆性。磷在结晶过程中,由于容易产生晶内偏析,使局部含磷量偏高,导致韧脆转变温度升高,从而发生冷脆。冷脆对高寒地带和其它低温条件下工作的结构件具有严重的危害性。此外,磷偏析还使钢材在热轧后形成带状组织。严重时导致钢的脆裂,即所谓的“冷脆”现象。磷对焊接性能也有不良影响。

        硫:是一种有害元素。在固态下,硫在铁中的溶解度极小,主要以FeS形态存在于钢中。由于FeS的塑性差,则含硫量较多的钢脆性较大。更严重的是,FeS与Fe可形成低熔点(985℃)的共晶体,分布在奥氏体晶界上。当钢加热到约1200℃进行热压加工时,晶界上的共晶体已熔化,晶粒间结合被破坏,使钢在加工过程中沿晶界开裂,硫在钢中偏析严重,恶化钢的质量,在高温下降低塑性。它以熔点较低的FeS的形式存在,在钢中与铁形成共晶体。当钢凝固时,FeS析集在原晶界处,当钢在1100-1200℃时,晶界上的铁就熔化,这样大大削弱晶粒之间的结合力,导致钢的“热脆”现象。因此,若钢中含硫量偏高,对钢的焊接性有不良影响,即容易导致焊缝热裂。同时在焊接过程中,硫易于氧化,生成SO2气体,以致焊缝中产生气孔和疏松。因此一般将硫看作钢中的有害元素。

        根据以上四种元素对钢的影响分析,含碳量高了影响钢的耐大气腐蚀能力;磷偏析严重,降低钢的塑性和韧性,导致钢的冷脆现象,对焊接性能也有不良影响。硫在钢中偏析严重,恶化钢的质量,在高温下降低钢的塑性。若钢中含硫量偏高,焊接时由于SO2的产生,将在焊接金属内形成气孔和疏松。

    2.2金相组织的影响

        焊接接口的金相组织包括宏观组织和显微组织。其中宏观组织的接口一般具有粗大的柱状晶组织外,还可能由于各种原因产生的裂缝、气泡、夹渣、偏析等缺陷。

        焊接通常是将焊条熔化成液滴,并与被焊金属(母材)已熔化的焊区熔合在一起的一种操作。由于焊区熔池周围的母材也被加热到很高的温度,因此,焊缝组织中不会出现因急冷而形成的细晶区;而且由于焊区熔池中的液体金属处于很高的温度(可达2000℃以上),母材本身又具有良好的导热性,这样,当熔池金属冷凝时,便有利于形成柱状晶,而且柱状晶的生长方向基本上与熔池界面相垂直。另外,过高的熔池温度还会使更多的外来杂质被熔化,从而大大减少异质形核的晶核数目,所以大多数焊缝都具有比较粗大的穿晶组织(金属学)。

2.3炉内压力的影响

        如果在焊接过程中出现了气泡、疏松、夹渣、焊缝热裂等缺陷,在热风炉运行过程中,炉壳内又存在有周期性3—5Kg/cm2的交变负荷应力,在交变负荷应力作用下,会导致焊缝缺陷形成微裂纹,首先在微裂纹尖端处必然存在应力集中,从而形成应力场。由于裂纹扩展总是从裂纹尖端开始向前推进的,裂纹能否扩展与裂纹尖端处的应力场大小有直接关系。当应力场的应力值增大到临界值时,就能使裂纹尖端附近的内应力达到焊缝的断裂强度,从而导致裂纹扩展,最终使焊缝开裂。

2.4腐蚀的影响

钢的腐蚀类型大概有以下几种:

        (1)一般腐蚀:又称总腐蚀,一般是均匀地分布在整个金属的内外表面上。他对金属的机械性能影响不大,危险性也最小。通过用腐蚀速度,(单位面积金属在单位时间内的失重,克/m2.小时)或腐蚀率(每年腐蚀掉的金属深度,毫米/年)来表示腐蚀程度。这种腐蚀在大多数炉壳使用过程中都会出现。为了避免或减少这种腐蚀,大部分企业都选择涂抹防腐涂料,降低腐蚀速度。

        (2)晶间腐蚀:腐蚀沿晶界进行,这种腐蚀危险性很大,因为它通常不引起金属外形的任何变化,但却使金属的机械性能急剧降低,以致引起突然破坏(这种破坏往往使人始料不及,它让你看到的都是完好光亮无损的金属表面,但金属间结合力被破坏,材料几乎丧失强度,严重者会丧失金属声音,轻轻敲击便成为粉末)。产生的原因,一般认为是钢中的碳与铬形成(Cr23C6)铬碳化物,这类铬的碳化物沿晶界析出时,就会造成碳化物周围局部贫铬区域。当铬的含量降低到不锈钢耐腐蚀所需的最低含量以下,就会产生晶间腐蚀,即“晶间贫铬理论”。不锈钢炉壳在焊接时应特别注意预防焊接过程中出现晶间腐蚀。

        (3)点腐蚀:腐蚀集中在金属表面某些地方并往深度扩展,最后甚至穿透金属。点腐蚀与金属表面状态有关,金属的表面缺陷以及疏松、夹杂等产生微电池作用,从而产生点腐蚀(微电池作用:空气中经常含有水蒸气和二氧化硫气体,很容易在金属表面形成一层极薄的导电膜。单一的金属构件与水或潮湿的泥土相接触时,就会发生一种电化学腐蚀,因为工业用金属通常含有各种杂质,如普通钢,当其和潮湿的金属相接触时,在金属内部就会形成无数个微电池。总之,金属的腐蚀主要是电化学过程,这个过程要有水和氧存在的条件下才能进行。因此,阻止水和氧与金属接触就可以尽可能避免电化学腐蚀)。

        (4)应力腐蚀与腐蚀疲劳:在静应力(金属的内外应力)作用下金属在腐蚀介质中的破坏称为应力腐蚀;在交变应力作用下金属在腐蚀介质中的破坏称为腐蚀疲劳。它们是应力与介质两种因素共同作用下所产生的破坏形式,破坏一般是穿过晶粒的(即穿晶腐蚀)。

综合上述热风炉炉壳焊缝开裂的原因分析,充分说明焊缝开裂首先是由多种原因造成焊接缺陷,然后在热风炉运行过程中,炉壳内同时存在周期性3—5kg/cm2交变负荷压力,导致焊接缺陷处应力集中,形成微裂纹,造成腐蚀介质侵袭后,才有可能发生炉壳焊缝开裂,甚至炉壳拱顶与壳体分离的危险情况。

2.5环境的影响

2.5.1相对湿度的影响

        空气中相对湿度越高,金属表面水膜越厚,空气中的氧透过水膜到金属表面作用。相对湿度达到一定数值时,腐蚀速度大幅上升,这个数值称为世界相对湿度,钢的临界相对湿度约为70%。

2.5.2温度影响

        环境温度与相对湿度关联,干燥的环境下,气温再高也不容易锈蚀。当相对湿度达到临界值时,温度的影响明显加剧,温度敏感增加10℃,锈蚀速度提高两倍。因此,在湿热带或雨季,气温越高,锈蚀越严重。

2.5.3大气其它物质的影响

        大气中含有盐雾、二氧化硫、硫化氢和灰尘时,会加速腐蚀,因此,不同环境下受腐蚀的大小差别是明显的。城市高于农村、沿海高于内陆、高粉尘高于低粉尘。

        这些影响应该根据热风炉加工、焊接、安装的具体位置,当下的气候环境条件进行具体分析,采取具体措施加以避免。

3、防止热风炉焊缝开裂的措施

        除了硫、磷偏析可能会造成焊接气泡、疏松、夹渣等缺陷外,关键在于(1)严把炉壳加工硬化消除应力处理和焊接消除应力处理质量关。(2)严把炉壳焊接质量关,制定合理的高空焊接作业工艺,调用高空焊接经验丰富的技术工人,提高焊接技术水平,保证焊接质量,防止因焊接缺陷造成焊缝开裂,确保炉壳长期在3—5kg/cm2工作压力作用下的使用寿命。才是最重要的。下面介绍几种预防措施。

        冷裂纹:防止冷裂纹的措施有,选用合理的焊接工艺。采用低氢型焊条,经严格烘干,保存温度为350—400℃,随取随用。

        结晶裂纹:结晶裂纹的产生与防止焊缝结晶的设计有关,为防止产生结晶空穴,应使设计的焊缝截面能得到残留溶液填补空穴。焊缝的宽与深度之比控制在1:1~1.4:1之间。为此,可通过调整焊接速度和焊接电流来达到所要求的宽深比。在某些情况下,对接接头需要设计斜坡口接头,以改善宽深比。为了保证焊接的宽深比,避免产生裂纹,宁可采取凹面焊缝,而不用凸面焊缝。窄焊道易产生中心裂纹。

        气孔:碱性焊条按规定在350—400℃下,烘干1.5—2.5小时。酸性焊条按规定在200—250℃下,烘干1—1.5小时。焊接的地方保持干净清洁,焊接过程中,焊接电流要适当,避免焊接速度过快,熔池内气体要完全放出。一旦余存气体就可能影响焊接质量。焊接过程产生的气孔主要有CO、N2、H2气孔。CO气孔出现,主要和焊接材料的含C量有一定的关系。解决办法是在焊丝中添加合金元素。N2气孔出现,主要是由于空气的扰动现象所致。解决办法是在焊接时,给操作区域增加一个挡风屏障。H2气孔出现,主要是焊接面可能有水或者油污。解决办法是严格控制CO2气体纯度。

        焊缝夹渣:焊缝夹渣主要是坡口地方不干净或者尺寸不合适,清渣不彻底,焊缝散热速度太快,使用焊条药皮成分不对,熔渣难以上浮等。

        未焊透:未焊透的主要原因是坡口和间隙的尺寸不合适,磁偏吹影响,焊条偏心度大,焊接根处及层间清理不当。防治办法是焊接时,使用较大的线能量。

        根据高炉热风炉炉壳焊缝开裂的原因和防止热风炉焊缝开裂的措施可知,要想防止热风炉炉壳焊缝开裂,首先选择合适的原材料,创造合适的环境条件,编制合理的热加工工艺,编制合理的安装、焊接工艺及去应力处理工艺,调用高空焊接作业经验丰富的技术工人,加工出既没有焊接缺陷又没有应力集中的热风炉炉壳,就会减少和避免各种腐蚀的发生。以提高炉壳的使用寿命。

4、低碳钢的焊接

        低碳钢的含碳量≤0.2%,可焊性良好。低碳钢的弧焊工艺应保证接头与母材等强度,接头应具有较低的脆性转变温度,避免超过允许尺寸的缺陷,以提高结构的工作可靠性。

        低碳钢弧焊焊缝金属中的含碳量一般均低于母材。焊缝依靠提高Si、Mn含量和弧焊所具有的较高的冷却速度而达到与母材等强度。冷却速度高会使塑性及韧性降低,但对单层焊缝的脆性转变程度无明显影响。焊缝冷却速度取决于母材板厚,焊接工艺参数及起焊时的焊件温度。厚板单层角焊缝及厚板多层角焊缝或多层对接焊的最后一层,如果是焊在已经冷却的焊缝上时,则由于冷却速度快,焊缝的机械性能会有比较显著的影响。因此,厚板单层角焊缝的焊角尺寸不得过小,多层焊应尽量连续焊完最后一层,表面缺陷的补焊焊缝应具有正常的焊缝尺寸,长度不能过短,必要时还应采用100~150℃局部预热等。多层焊缝的脆性转变温度比单层焊低些。

        低碳钢弧焊焊缝一般具有较高的抗热裂能力。但当母材含碳量接近(0.21~0.25%)时,遇下列情况时应注意在工艺上避免窄而深的焊缝,否则可能出现热裂缝:角焊缝,对接多层焊的第一道,整个板厚焊透的单面焊缝,大间隙对接焊的第一道焊缝。采用碱性低氢焊条亦有助于避免热裂缝。

        低碳钢弧焊的各种规范对热影响区的性能无明显影响,但仍应避免接头严重过热。

沸腾钢含氧量较高,钢板厚度中心有显著偏析带,焊接时易产生裂缝,厚板焊接还有层状撕裂倾向,其时效倾向也较大,焊接接头的脆性转变温度较高,故一般不宜用作承受动载或在严寒下工作的重要结构。

5、炉壳材料的选择

        根据我国2008年9月1日实施的《GB713-2008锅炉和压力容器用钢板》的新分类,16Mng和16MnR、19Mng合并为Q345R。Q345R是普通低合金结构钢,是锅炉和压力容器常用钢材。首钢生产的Q345LK和Q345R都属于低碳低合金结构钢。

        选择不锈钢制作热风炉炉壳。其优点是:(1)焊接性能好。(2)抗氧化能力强。其缺点是:(1)含铬量高,焊接过程中(450~850℃范围)易出现晶间腐蚀倾向。(2)材料价格昂贵。

总之,Q345R、Q345LK和不锈钢都应该是热风炉炉壳制作的好材料。

6参考文献

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[2]上海理工大学,王运炎,叶尚川主编.机械工程材料(第2版) [M].机械工业出版社,2004-01-01.

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[4]金属材料及热处理编写组编.金属材料及热处理[M].上海人民出版社,1973.

[5]金属学编写组编.金属学[M].上海人民出版社,2009.

[6] 日本:吉田亨等著,张克俭译.预防热处理废品的措施[M].机械工业出版社, 1979-11.

[7] 张金凤主编.模具材料与热处理[M].机械工业出版社, 2010-2-1.

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