轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道失效分析

孟雪海，王鎖濤，岳立濤

（1.秦皇島北方管業(yè)有限公司，河北 秦皇島 066004；2.燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004；3.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200）

0 引言

轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道又稱余熱鍋爐，整體結(jié)構(gòu)由Q235鋼板和20G冷卻管拼焊而成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。在轉(zhuǎn)爐吹煉過程中產(chǎn)生大量的高溫高壓煙氣，溫度高達(dá)1400～1600℃。這些煙氣在循環(huán)風(fēng)機(jī)的作用下，沿著汽化冷卻煙道流通、冷卻；與此同時(shí)，軟化水經(jīng)由高壓循環(huán)水泵輸送進(jìn)入煙道冷卻管路，并迅速吸熱汽化轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏赫羝?。在這一過程中，汽化冷卻煙道內(nèi)側(cè)與高溫?zé)煔庵苯咏佑|，工作溫度從300～1600 ℃急劇變化，管路內(nèi)部還要承受高壓蒸汽的壓力，工況條件復(fù)雜[1-3]。

圖1 煙道結(jié)構(gòu)示意圖

國內(nèi)某鋼鐵公司汽化冷卻煙道正常使用壽命平均為4～5 a，然而最近新更換的煙道在使用0.5 a左右就頻繁出現(xiàn)泄漏,每次停產(chǎn)對(duì)漏點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)焊不久，其余部位管段又出現(xiàn)泄漏，對(duì)正常生產(chǎn)造成極大影響。煙道破損情況如圖2所示，在整體更換新煙道后，上述問題依然存在。

圖2 更換下來的煙道

1 失效原因分析

1.1 宏觀形貌

失效煙道的宏觀形貌如圖3所示。圖3（a）為煙道破損的局部照片，表面附有煙塵和氧化層，破損集中在煙道冷卻管中間的隔板上，局部形成較大的孔洞，上下兩側(cè)的冷卻管基本完好。圖3（b）為破損隔板縱向取樣的斷面放大圖像，腐蝕形貌呈溝壑狀，深度從2 mm至5 mm不等，并且集中在煙道的內(nèi)側(cè)。通過觀察發(fā)現(xiàn)，煙道破損部位集中在隔板內(nèi)側(cè)表面，冷卻管表面有少量腐蝕坑，但整體管路尚且完好；同時(shí)，觀察各部位腐蝕痕跡附近都沒有裂紋產(chǎn)生。

圖3 煙道破損部位宏觀形貌

1.2 微觀形貌

煙道表面的微觀形貌如圖4所示。圖4（a）為煙道表面的SEM圖，表面不規(guī)則分布著許多黑色的腐蝕坑；圖4（b）為腐蝕坑內(nèi)部SEM圖，發(fā)現(xiàn)附著的腐蝕產(chǎn)物較多，呈團(tuán)狀形態(tài)。所有觀察到的腐蝕坑附近都沒有裂紋出現(xiàn)，結(jié)合宏觀形貌分析說明沒有應(yīng)力腐蝕的作用。

圖4 煙道表面的SEM圖像

1.3 金相及元素分析

在失效冷卻管直管段取樣品，同時(shí)取20G原料管材進(jìn)行金相分析對(duì)比，如圖5、圖6所示。基體組織均為鐵素體+滲碳體，原料樣品鐵素體直徑約10 μm，失效樣品鐵素體直徑約15 μm，相比失效樣品晶粒有長大趨勢(shì)，但不明顯。從金相分析結(jié)果可以排除過熱失效的可能。

圖5 失效冷卻管金相分析

圖6 20G管材金相分析

同時(shí)，對(duì)失效樣品晶體表面進(jìn)行元素掃描分析，未發(fā)現(xiàn)有害元素，如圖7及表1所示，可以排除材質(zhì)不合格造成失效的原因。

表1 失效冷卻管元素分析結(jié)果

圖7 失效冷卻管元素分析

1.4 腐蝕產(chǎn)物能譜分析

對(duì)煙道表面不同部位腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表2所示。分析表明，腐蝕產(chǎn)物中含有較多Cl、S元素。

表2 腐蝕產(chǎn)物成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

1.5 腐蝕產(chǎn)物XPS分析

對(duì)煙道多個(gè)部位的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行XPS測(cè)試并進(jìn)行分析。結(jié)合前面的分析，著重分析Fe、Cl、S的窄區(qū)XPS能譜圖。因各部位分析結(jié)果類似，以下舉例示意說明。

圖8（a）為煙道腐蝕產(chǎn)物的XPS全譜圖，從中能夠看出腐蝕產(chǎn)物主要含有Fe、Cr、O、C、Cl、S、P、Si等元素。圖8（b）為Fe的窄區(qū)XPS能譜圖，譜圖中峰能夠被擬合為2個(gè)擬合峰，這2個(gè)擬合峰的中心位置分別為712.7、725.9 eV，其中712.7 eV的峰與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中的Fe3+的化合物對(duì)應(yīng)。圖8（c）為S的窄區(qū)XPS能譜圖，譜圖中峰能夠被擬合為3個(gè)擬合峰，這3個(gè)擬合峰的中心位置分別為165.9、169.5、176.2 eV，說明腐蝕產(chǎn)物中有明顯的硫化物存在。圖8（d）為Cl的窄區(qū)XPS能譜圖，譜圖中峰能夠被擬合為2個(gè)擬合峰，這2個(gè)擬合峰的中心位置分別為198.3、199.8 eV，說明腐蝕產(chǎn)物中存在含Cl-的化合物。

圖8 腐蝕產(chǎn)物XPS分析

通過比較煙道不同部位腐蝕產(chǎn)物的XPS分析，發(fā)現(xiàn)各部位的腐蝕產(chǎn)物中S和Cl元素含有量較多，其中Cl元素大多是以Cl-形式存在，并與Fe、Ca、Na、Cu等元素形成氯的化合物，極少數(shù)是和氧結(jié)合形成氯氧化合物；S元素主要是和氧結(jié)合形成SO42-，再和Fe、Ca、Na等元素形成化合物。這就進(jìn)一步說明煙道的腐蝕是由S和Cl元素引起的。

1.6 Cl和S元素的來源

分別對(duì)轉(zhuǎn)爐同期生產(chǎn)中使用的40號(hào)鋼渣、冷卻造渣、球團(tuán)、堿泥、酸泥5種輔助爐料進(jìn)行X熒光分析，其中Cl和S含量如表3所示。從中可以發(fā)現(xiàn)球團(tuán)和40號(hào)鋼渣的Cl和S含量很少，而冷卻造渣劑、堿泥、酸泥的Cl和S含量相對(duì)較高，尤其是酸泥的Cl含量非常高。這說明腐蝕物中的Cl和S主要來自酸泥，其次是堿泥及冷卻造渣劑。通過生產(chǎn)操作人員了解得知，所謂酸泥是冷軋酸洗線回收酸洗液過濾收集的含鐵泥塊，酸洗線使用鹽酸作為酸洗劑，所以回收的酸泥不可避免地含有大量的Cl-。

表3 物料的Cl和S含量

2 結(jié)論及原因探討

以上的分析結(jié)果可以判定汽化冷卻煙道失效是由S和Cl元素腐蝕造成的，并且通過對(duì)爐料的成分分析準(zhǔn)確地尋找到腐蝕介質(zhì)的來源。通過跟蹤后續(xù)生產(chǎn)情況，在消除這些高腐蝕性原料后，轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)恢復(fù)正常，也印證了這一判斷。但是其中的腐蝕機(jī)理，仍舊存在值得探討的地方。

轉(zhuǎn)爐吹氧冶煉是一個(gè)強(qiáng)氧化反應(yīng)，在這一過程中爐料中的S氧化生成SO3、SO2進(jìn)入煙氣中，Cl元素以單質(zhì)形式進(jìn)入煙氣；產(chǎn)生的煙氣溫度在1400～1600 ℃之間變化，成分以CO為主，是還原性氛圍。在煙道內(nèi)SO3、SO2及Cl2在高溫催化作用下與煙道內(nèi)側(cè)表面的氧化鐵膜、鐵單質(zhì)反應(yīng)生產(chǎn)硫酸鹽、氯化鹽等。Fe2（SO4）3的分解點(diǎn)為480 ℃，F(xiàn)eSO4沸點(diǎn)為330 ℃，F(xiàn)eCl2熔點(diǎn)為677 ℃，沸點(diǎn)為1023 ℃，F(xiàn)eCl3熔點(diǎn)為304 ℃，約316 ℃分解[4]。在冷卻水的作用下，煙道內(nèi)表面溫度大約在100～600 ℃之間循環(huán)變化，這個(gè)溫度范圍正好覆蓋了生成的硫酸鹽、氯化鹽的熔點(diǎn)或沸點(diǎn)。隨著生產(chǎn)周期的循環(huán)，當(dāng)溫度再次超過它們的熔點(diǎn)或沸點(diǎn)，這些硫酸鹽、氯化鹽或熔化被氣流帶離原位或氣態(tài)揮發(fā)，使底層金屬重新暴露在腐蝕環(huán)境中，循環(huán)往復(fù)直至腐蝕穿孔。由于隔板處于兩根冷卻管之間，冷卻效果最差，溫度最高，相應(yīng)的腐蝕也最為嚴(yán)重。同時(shí)，在冶煉周期中，煙道的溫度波動(dòng)及冷卻管道內(nèi)部蒸汽壓力變化造成熱脹冷縮，使表面腐蝕層開裂、脫落，加速了這一腐蝕進(jìn)程[6-8]。

3 改進(jìn)建議

經(jīng)過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[9-13]并結(jié)合工作實(shí)踐，為了預(yù)防汽化冷卻煙道的腐蝕穿孔，提高煙道的使用壽命，提出的改進(jìn)建議如下：1）控制煉鋼爐料中腐蝕性成分的含量，要對(duì)原料成分進(jìn)行分析、篩選，重點(diǎn)關(guān)注爐料中的Cl和S元素含量；2）煙道主體選用鉻鎳奧氏體不銹鋼, 如0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti、0Cr25Ni20等，增強(qiáng)材料抗腐蝕性能和熱交換性能；3）穩(wěn)定煉鋼工藝，避免操作不當(dāng)發(fā)生的劇烈噴濺、結(jié)渣，減少對(duì)煙道部位的熱沖擊；4）提高并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟水流量、壓力等，增強(qiáng)冷卻系統(tǒng)的換熱能力，避免虧水、缺水情況發(fā)生。