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高爐熱風爐爐殼焊縫裂紋腐蝕分析與控制

時間:2020-05-18 15:47來源:河南省豫興熱風爐工程技 作者:劉世聚 符政學 點擊:
摘要:根據(jù)對高爐熱風爐爐殼加工焊接情況、腐蝕情況等分析結(jié)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(huán)境條
  • 摘要:根據(jù)對高爐熱風爐爐殼加工焊接情況、腐蝕情況等分析結(jié)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(huán)境條件、焊條質(zhì)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(xiàn)。

    關鍵詞    爐殼    裂紋    控制

    1目前我國熱風爐爐殼應用現(xiàn)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(xiàn)焊縫開裂 ,甚至爐殼拱頂與殼體分離等危險現(xiàn)象發(fā)生。不但導致熱風爐溫度長期處于不穩(wěn)定狀態(tài),甚至停產(chǎn)檢修。有不少企業(yè)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(xiàn)象。使熱風爐的使用壽命也得到了不斷提高。有的企業(yè)熱風爐運行一段時間,爐殼焊縫出現(xiàn)了裂紋,經(jīng)處理后,運行一段時間,拱頂又出現(xiàn)焊縫開裂的問題。對拆除的殼體進行無損檢測探傷,其結(jié)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(jié)構(gòu)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(xiàn)象在低溫時更為嚴重,故稱為冷脆性。磷在結(jié)晶過程中,由于容易產(chǎn)生晶內(nèi)偏析,使局部含磷量偏高,導致韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高,從而發(fā)生冷脆。冷脆對高寒地帶和其它低溫條件下工作的結(jié)構(gòu)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(xiàn)象。磷對焊接性能也有不良影響。

    硫:是一種有害元素。在固態(tài)下,硫在鐵中的溶解度極小,主要以FeS形態(tài)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,F(xiàn)eS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(jié)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(zhì)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,F(xiàn)eS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(jié)合力,導致鋼的“熱脆”現(xiàn)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(chǎn)生氣孔和疏松。因此一般將硫看作鋼中的有害元素。

    根據(jù)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(xiàn)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(zhì)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(chǎn)生,將在焊接金屬內(nèi)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(chǎn)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(qū)熔合在一起的一種操作。由于焊區(qū)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(xiàn)因急冷而形成的細晶區(qū);而且由于焊區(qū)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(zhì)被熔化,從而大大減少異質(zhì)形核的晶核數(shù)目,所以大多數(shù)焊縫都具有比較粗大的穿晶組織(金屬學)。

    2.3爐內(nèi)壓力的影響

    如果在焊接過程中出現(xiàn)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(shù)爐殼使用過程中都會出現(xiàn)。為了避免或減少這種腐蝕,大部分企業(yè)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(jié)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(chǎn)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(qū)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(chǎn)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(xiàn)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(tài)有關,金屬的表面缺陷以及疏松、夾雜等產(chǎn)生微電池作用,從而產(chǎn)生點腐蝕(微電池作用:空氣中經(jīng)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(gòu)件與水或潮濕的泥土相接觸時,就會發(fā)生一種電化學腐蝕,因為工業(yè)用金屬通常含有各種雜質(zhì),如普通鋼,當其和潮濕的金屬相接觸時,在金屬內(nèi)部就會形成無數(shù)個微電池。總之,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(nèi)外應力)作用下金屬在腐蝕介質(zhì)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(zhì)中的破壞稱為腐蝕疲勞。它們是應力與介質(zhì)兩種因素共同作用下所產(chǎn)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(nèi)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(zhì)侵襲后,才有可能發(fā)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(huán)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(shù)值時,腐蝕速度大幅上升,這個數(shù)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(huán)境溫度與相對濕度關聯(lián),干燥的環(huán)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(zhì)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(huán)境下受腐蝕的大小差別是明顯的。城市高于農(nóng)村、沿海高于內(nèi)陸、高粉塵高于低粉塵。

        這些影響應該根據(jù)熱風爐加工、焊接、安裝的具體位置,當下的氣候環(huán)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(zhì)量關。(2)嚴把爐殼焊接質(zhì)量關,制定合理的高空焊接作業(yè)工藝,調(diào)用高空焊接經(jīng)驗豐富的技術工人,提高焊接技術水平,保證焊接質(zhì)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(jīng)嚴格烘干,保存溫度為350—400℃,隨取隨用。

    結(jié)晶裂紋:結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生與防止焊縫結(jié)晶的設計有關,為防止產(chǎn)生結(jié)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(diào)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(chǎn)生裂紋,寧可采取凹面焊縫,而不用凸面焊縫。窄焊道易產(chǎn)生中心裂紋。

    氣孔:堿性焊條按規(guī)定在350—400℃下,烘干1.5—2.5小時。酸性焊條按規(guī)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(nèi)氣體要完全放出。一旦余存氣體就可能影響焊接質(zhì)量。焊接過程產(chǎn)生的氣孔主要有CO、N2、H2氣孔。CO氣孔出現(xiàn),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(xiàn),主要是由于空氣的擾動現(xiàn)象所致。解決辦法是在焊接時,給操作區(qū)域增加一個擋風屏障。H2氣孔出現(xiàn),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(jù)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(chuàng)造合適的環(huán)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(diào)用高空焊接作業(yè)經(jīng)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(fā)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(zhuǎn)變溫度,避免超過允許尺寸的缺陷,以提高結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(shù)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(jīng)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(xù)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(zhuǎn)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(xiàn)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(guī)范對熱影響區(qū)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(chǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。

    5、爐殼材料的選擇

    根據(jù)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(jié)構(gòu)鋼,是鍋爐和壓力容器常用鋼材。首鋼生產(chǎn)的Q345LK和Q345R都屬于低碳低合金結(jié)構(gòu)鋼。

    選擇不銹鋼制作熱風爐爐殼。其優(yōu)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(xiàn)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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    [2]上海理工大學,王運炎,葉尚川主編.機械工程材料(第2版) [M].機械工業(yè)出版社,2004-01-01.

    [3]合金鋼編寫組編.合金鋼[M].機械工業(yè)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.

    [6] 日本:吉田亨等著,張克儉譯.預防熱處理廢品的措施[M].機械工業(yè)出版社, 1979-11.

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

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