鋼包檢驗(yàn)檢測(cè)要素分析

摘" 要：鋼包在工作中不僅承受著自身和鋼水的重力，還承受著鋼水的高溫及熱膨脹，因此容易出現(xiàn)破損，其損壞失效可能帶來重大財(cái)產(chǎn)損失及人身傷亡。目前，我國并沒有相關(guān)法律法規(guī)明確規(guī)定鋼包屬于特種設(shè)備。生產(chǎn)企業(yè)往往只對(duì)鋼包進(jìn)行日常維護(hù)保養(yǎng)，沒有嚴(yán)格對(duì)其進(jìn)行定期檢驗(yàn)和檢測(cè)，若要確保鋼包安全運(yùn)行，必須定期對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)檢測(cè)。該文以某鋼廠120 t鋼包精煉爐為研究對(duì)象，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)實(shí)際，對(duì)其檢驗(yàn)檢測(cè)過程中各個(gè)要素進(jìn)行全面系統(tǒng)分析。鋼包檢驗(yàn)檢測(cè)要素主要包括資料審查、宏觀檢驗(yàn)、光譜分析、磁粉檢測(cè)、超聲波探傷和紅外熱成像檢測(cè)等。

關(guān)鍵詞：鋼包；檢驗(yàn)；檢測(cè)；要素；系統(tǒng)分析

中圖分類號(hào)：TF341" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）25-0105-04

Abstract： In the work， the ladle bears not only the gravity of itself and the molten steel， but also the high temperature and thermal expansion of the molten steel， so it is easy to be damaged， and its damage and failure may lead to heavy property losses and personal casualties. At present， there are no relevant laws and regulations that clearly stipulate that ladle belongs to special equipment. Manufacturing enterprises often only carry out daily maintenance of the ladle and do not strictly carry out regular inspection and testing of it. In order to ensure the safe operation of the ladle， it must be inspected and tested regularly. In this paper， taking the 120t ladle refining furnace in a steel plant as the research object， based on the field inspection practice， comprehensive and systematic analysis are conducted to the various elements in the inspection and testing process. Ladle inspection and testing elements mainly include data review， macro testing， spectral analysis， magnetic particle testing， ultrasonic flaw detection， infrared thermal imaging testing and so on.

Keywords： ladle; inspection; testing; elements; systematic analysis

鋼包是煉鋼廠及鑄造廠等作為鋼水運(yùn)輸過程中必不可少的工具，具有儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)鋼水的功能[1]。隨著現(xiàn)代冶金技術(shù)的不斷發(fā)展，鑄造水平的不斷提高，鋼包在冶金行業(yè)中的地位和作用變得日益突出[2]，同時(shí)市場(chǎng)對(duì)鋼水的要求也越來越高，鋼包從一開始只是單純的儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)運(yùn)鋼水的作用，逐步演變成了進(jìn)行爐外二次精煉的精煉爐[3]。

鋼包在工作過程中，不僅要承受自身和鋼水的重力，而且還要承受鋼水的高溫及熱膨脹[4]。鋼包在高溫和重載的工作條件下容易產(chǎn)生破損，其損壞失效可能帶來重大損失及災(zāi)難性后果。2007年4月18日，遼寧一鋼鐵公司煉鋼車間因鋼包脫落造成32人死亡、6人重傷的特別重大事故；2017年3月20日，云南某公司發(fā)生鋼包嚴(yán)重傾斜、鋼水外溢，造成5人死亡、2人受傷。2018年5月17日，河南一特鋼公司由于模鑄鋼包滑板穿鋼，導(dǎo)致1死14傷。2021年4月12日，山東某公司連鑄車內(nèi)9號(hào)鋼包停放了半個(gè)多月后重新啟用，在清除鋼水時(shí)發(fā)生噴濺，造成4人受傷。這些血淋淋的教訓(xùn)引起了全社會(huì)的高度重視，對(duì)鋼包使用過程中的安全生產(chǎn)性能提出了更高的要求。

目前，我國并沒有相關(guān)法律法規(guī)明確規(guī)定鋼包屬于特種設(shè)備。生產(chǎn)企業(yè)往往只對(duì)鋼包進(jìn)行日常維護(hù)保養(yǎng)，而沒有嚴(yán)格對(duì)其進(jìn)行定期檢驗(yàn)和檢測(cè)[5]。要確保鋼包安全有效運(yùn)行，僅僅對(duì)其進(jìn)行日常安全維護(hù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須定期對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)檢測(cè)。我國安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AQ7011—2018《高溫熔融金屬吊運(yùn)安全規(guī)程》[6]中明確規(guī)定：高溫熔融金屬罐應(yīng)定期進(jìn)行檢查檢驗(yàn)，且每年應(yīng)至少對(duì)耳軸做一次無損探傷檢查，并存檔。因此，對(duì)鋼包檢驗(yàn)檢測(cè)過程中的各個(gè)要素進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析研究顯得尤為重要。

1" 鋼包綜述

本文以某鋼廠120 t鋼包精煉爐為研究對(duì)象，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢驗(yàn)檢測(cè)情況，對(duì)其檢驗(yàn)檢測(cè)過程中各個(gè)要素進(jìn)行系統(tǒng)分析。圖1是檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)120 t鋼包實(shí)物圖，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。鋼包包殼由材質(zhì)為Q345B的鋼板焊接而成，是鋼包的主體部分，在承受自身和鋼水重量的同時(shí)還要承受高溫及熱膨脹作用。耳軸是鋼包兩側(cè)的橫梁，材質(zhì)18MnMoNb；耳軸上配有耳軸套，材質(zhì)45鋼，其作用是保護(hù)耳軸，避免其與吊鉤內(nèi)襯直接接觸摩擦；耳軸通過耳軸座插裝固連在包殼上，能減輕耳軸根部的應(yīng)力集中。耳軸用于固定和支撐鋼包，同時(shí)也是吊運(yùn)鋼包的關(guān)鍵部件。在起吊瞬間，耳軸根部會(huì)產(chǎn)生沖擊載荷和應(yīng)力集中[7]；在吊運(yùn)過程中，鋼包所有的重量全部由耳軸與耳軸座來承受，加之耳軸是懸空的，耳軸相對(duì)于鋼包的重心就會(huì)產(chǎn)生很大的力矩，使得最大應(yīng)力發(fā)生在耳軸與包殼的交界處[8]。耳軸根部是整個(gè)鋼包的應(yīng)力集中區(qū)，在工作循環(huán)過程中，交替受到?jīng)_擊載荷、熱應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和剪應(yīng)力的作用，焊接面極易萌生疲勞裂紋[9]。

圖1" 檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)120 t鋼包實(shí)物圖

鋼包內(nèi)襯由保溫層、永久層和工作層組成。保溫層緊貼外殼鋼板；保溫層往里是永久層；與鋼液、爐渣直接接觸的是工作層。工作中的鋼包工序復(fù)雜、熱循環(huán)周期長(zhǎng)，要經(jīng)歷烘烤預(yù)熱、轉(zhuǎn)爐出鋼、爐外精煉和連鑄等階段，整個(gè)過程不僅要承受巨大的熱沖擊還要遭受鋼水的侵蝕[10]。耐火內(nèi)襯在鋼水長(zhǎng)期的熱沖擊與侵蝕作用下，極易產(chǎn)生熱震損傷，嚴(yán)重時(shí)能使耐火材料剝落、包殼熔損，造成鋼水外泄。鋼包內(nèi)襯損壞的直接原因是機(jī)械熱應(yīng)力的產(chǎn)生；損壞的機(jī)制是內(nèi)襯材料受到溫度的急劇變化而產(chǎn)生熱應(yīng)力，使材料內(nèi)部的微裂紋逐漸擴(kuò)展[11]，導(dǎo)致內(nèi)襯材料剝落與斷裂。除此之外，鋼包常見的失效形式還有：開裂、鼓包、變形、磨損及熔損等。熔損是指鋼包運(yùn)行操作過程中鋼水外溢造成包沿、包殼、加強(qiáng)箍和耳軸等部分燒損[12]或因內(nèi)襯耐材損壞脫落導(dǎo)致鋼水穿過內(nèi)襯燒傷包殼[13]。鋼包失效造成的災(zāi)難性后果無法估量，企業(yè)在做好鋼包定期安全檢查的同時(shí)每年應(yīng)自覺做好鋼包的檢驗(yàn)檢測(cè)，并對(duì)受損程度不同的鋼包進(jìn)行相應(yīng)的大修、中修、小修，以確保鋼包正常運(yùn)行。

2" 鋼包檢驗(yàn)檢測(cè)要素分析

鋼包檢驗(yàn)檢測(cè)要素主要包括資料審查、宏觀檢驗(yàn)、光譜分析、磁粉檢測(cè)、超聲波探傷和紅外熱成像檢測(cè)等。其中光譜分析、磁粉檢測(cè)、超聲波探傷和紅外熱成像檢測(cè)等無損檢測(cè)應(yīng)在宏觀檢驗(yàn)合格之后進(jìn)行。下面對(duì)鋼包檢驗(yàn)檢測(cè)各要素進(jìn)行逐一分析。

2.1" 資料審查

資料審查有助于確保鋼包的設(shè)計(jì)、制造和使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)，從而降低事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。鋼包制造過程中的質(zhì)量控制資料是反應(yīng)鋼包質(zhì)量的重要證明材料，鋼包投入使用后的使用管理資料、修理資料、檢驗(yàn)檢查資料等是反應(yīng)鋼包運(yùn)行過程中安全受控狀態(tài)的重要證明材料，通過審查這些資料可以有效識(shí)別和評(píng)估與鋼包相關(guān)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，從而采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，減少可能的損失。資料審查主要是檢查鋼包使用單位有沒有建立安全技術(shù)檔案，并著重審查檔案中的以下資料：設(shè)計(jì)資料，包括設(shè)計(jì)單位資質(zhì)證明、設(shè)計(jì)圖樣、強(qiáng)度計(jì)算書和使用維護(hù)說明書；制造資料，包括制造單位資質(zhì)證明、產(chǎn)品合格證、質(zhì)量證明書（含過程質(zhì)量控制資料）和竣工圖；使用管理資料，包括鋼包安全管理制度、安全操作規(guī)程、開停車記錄、運(yùn)行故障和事故記錄、事故應(yīng)急預(yù)案和演練記錄；大修、中修、小修資料，包括修理方案和見證資料；檢驗(yàn)檢查資料，包括歷次定期檢驗(yàn)報(bào)告和定期自行安全檢查記錄。鋼包的設(shè)計(jì)資料和制造資料在鋼包投用后首次檢驗(yàn)時(shí)必須進(jìn)行審查，以后的檢驗(yàn)視需要（如使用單位發(fā)生變更、鋼包大修等）進(jìn)行審查。

2.2" 宏觀檢驗(yàn)

宏觀檢驗(yàn)是鋼包質(zhì)量控制過程中重要的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，通過對(duì)鋼包進(jìn)行全面的外觀和尺寸檢查，發(fā)現(xiàn)并消除其運(yùn)行后產(chǎn)生的宏觀缺陷，以確保鋼包質(zhì)量符合設(shè)計(jì)和使用要求，保障生產(chǎn)安全。宏觀檢驗(yàn)主要是采用目視檢驗(yàn)方法，必要時(shí)可借助內(nèi)窺鏡、放大鏡或者其他儀器設(shè)備輔助檢驗(yàn)。宏觀檢驗(yàn)前使用單位應(yīng)做好鋼包外表面必要的清理打磨工作，也便于后面的無損檢測(cè)。宏觀檢驗(yàn)內(nèi)容主要包括：鋼包唯一性標(biāo)志完好情況；包殼、包沿、包底外表面開裂、鼓包、變形、熔損情況；包殼上排氣孔的布置及堵塞情況；加強(qiáng)箍、耳軸、耳軸套、耳軸座、加強(qiáng)筋、傾翻機(jī)構(gòu)及底座的熔損、變形、破損情況；耳軸、耳軸套、傾翻機(jī)構(gòu)的銷軸磨損情況；需指出的是，耳軸磨損超過原軸直徑的10%應(yīng)報(bào)廢[6]，銷軸參照?qǐng)?zhí)行；包殼主焊縫，以及包殼、加強(qiáng)箍、耳軸、耳軸座、加強(qiáng)筋、傾翻機(jī)構(gòu)和底座等各部件之間連接焊縫的布置及開裂、受損情況；螺栓緊固件松動(dòng)、脫落情況；鋼包底部水口、水口磚、透氣口、透氣磚的開裂和破損情況；鋼包襯里耐火層的破損、侵蝕、脫落情況。鋼包宏觀檢驗(yàn)可參照NB/T 47013.7—2012《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第7部分：目視檢測(cè)》[14]標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2.3" 光譜分析

光譜分析通過測(cè)量材料發(fā)出或吸收的光譜線來確定材料中合金元素的種類和含量，從而確認(rèn)材料是否符合設(shè)計(jì)要求和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，避免錯(cuò)誤用材導(dǎo)致的鋼包性能問題。文本中鋼包耳軸材質(zhì)為18MnMoNb，屬于合金材料，另外，隨著鋼包容量不斷增大，如350 t超大鋼包，其包殼材質(zhì)使用15CrMo等合金材料，那么首次檢驗(yàn)時(shí)，對(duì)于鋼包中的合金材料包括與其相連的焊縫應(yīng)進(jìn)行光譜分析復(fù)核，確保材質(zhì)與設(shè)計(jì)相符或滿足使用要求。光譜分析可參照DL/T 991—2022《電力設(shè)備金屬發(fā)射光譜分析技術(shù)導(dǎo)則》[15]標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2.4" 磁粉檢測(cè)

對(duì)鐵磁性材料的表面和近表面缺陷進(jìn)行無損檢測(cè)應(yīng)優(yōu)先選用磁粉檢測(cè)。本文中鋼包包殼、耳軸的材質(zhì)分別為Q345B、18MnMoNb，都屬于鐵磁性材料，并且鋼包在運(yùn)行過程中耳軸、水口、透氣口和焊縫等部位容易產(chǎn)生裂紋、損傷等缺陷。因此，對(duì)于耳軸套缺失或損壞的，耳軸外表面應(yīng)進(jìn)行磁粉檢測(cè)；鋼包底部的水口、透氣口及其附近母材區(qū)域也應(yīng)進(jìn)行磁粉檢測(cè)。對(duì)包殼主焊縫，包殼、加強(qiáng)箍、耳軸、耳軸座、加強(qiáng)筋、傾翻機(jī)構(gòu)和底座等各部件之間連接焊縫及本體外表面宏觀檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)有懷疑的區(qū)域，應(yīng)進(jìn)行磁粉檢測(cè)復(fù)核，以進(jìn)一步確認(rèn)是否有缺陷。若因結(jié)構(gòu)原因無法進(jìn)行檢測(cè)的，可用滲透檢測(cè)代替，或輔之以其他檢測(cè)方法。磁粉檢測(cè)可參照NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第4部分：磁粉檢測(cè)》[16]標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，I級(jí)合格。

2.5" 超聲波探傷

超聲波探傷主要用于金屬部件或焊縫內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，可預(yù)防因內(nèi)部缺陷導(dǎo)致的安全事故。鋼包耳軸在承受交變應(yīng)力和循環(huán)熱應(yīng)力的情況下容易產(chǎn)生橫向疲勞裂紋，因此，耳軸及其連接焊縫是超聲波檢測(cè)的重點(diǎn)?？捎弥碧筋^超聲波檢測(cè)方法從耳軸端面進(jìn)行掃查，以檢測(cè)耳軸內(nèi)部的橫向缺陷。對(duì)于耳軸、耳軸座與包殼相連接的焊縫則應(yīng)采用斜探頭超聲波檢測(cè)方法。在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，因結(jié)構(gòu)問題，耳軸與包殼的連接焊縫被包裹在耳軸座和耐火磚內(nèi)而使得常規(guī)超聲波檢測(cè)和相控陣超聲檢測(cè)無法實(shí)施時(shí)，有條件的話可輔之以聲發(fā)射檢測(cè)[9]。對(duì)于包殼上其余的連接焊縫，若宏觀檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)有懷疑的地方，應(yīng)使用斜探頭超聲波檢測(cè)方法進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)。另外，對(duì)鼓包、變形、熔損等壁厚有懷疑的區(qū)域可采用直探頭超聲波檢測(cè)方法對(duì)其壁厚進(jìn)行確認(rèn)，看看厚度是否異常。超聲波探傷可參照NB/T 47013.3—2023《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》[17]標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，I級(jí)合格。

2.6" 紅外熱成像檢測(cè)

對(duì)于鋼包內(nèi)襯的檢驗(yàn)檢測(cè)是個(gè)難點(diǎn)，因?yàn)樵谟娩摪Ｏ聛砝鋮s后，內(nèi)表面被鋼膜覆蓋，除非內(nèi)襯大面積破損脫落否則無法直接觀察到內(nèi)襯耐材的破損脫落情況。然而，鋼包內(nèi)襯與高溫鋼水、爐渣長(zhǎng)時(shí)間接觸，受到主流沖刷和爐渣侵蝕嚴(yán)重，容易破損脫落。在鋼包工作過程中（鋼包內(nèi)裝有鋼水）對(duì)其外表面進(jìn)行紅外熱成像檢測(cè)，即進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)和成像，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼包外表面溫度場(chǎng)分布的顯示和精確測(cè)量，可反推分析鋼包內(nèi)襯的溫度場(chǎng)分布和鋼包各部位的受侵蝕情況。檢測(cè)過程中注意多角度布控成像，確保覆蓋到整個(gè)鋼包外表面和底部。紅外熱成像檢測(cè)可由使用單位進(jìn)行也可由檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行，主要用在定期巡檢、重點(diǎn)跟蹤和配合檢修等情形中。紅外熱成像檢測(cè)可參照GB/T 28706—2012《無損檢測(cè) 機(jī)械及電氣設(shè)備紅外熱成像檢測(cè)方法》[18]標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，具體的判斷依據(jù)可由檢測(cè)機(jī)構(gòu)和使用單位雙方協(xié)商確定。鼓勵(lì)使用單位建立鋼包紅外熱成像在線監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼包壁溫全程實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄和預(yù)警，以便采取相應(yīng)的維護(hù)保養(yǎng)措施，防止穿包事故發(fā)生。

關(guān)于檢驗(yàn)周期，資料審查、磁粉檢測(cè)和超聲波探傷每年至少進(jìn)行一次；光譜分析在鋼包首次檢驗(yàn)時(shí)進(jìn)行；宏觀檢驗(yàn)一般每半年進(jìn)行一次并根據(jù)需要及時(shí)開展；紅外熱成像檢測(cè)一般每個(gè)季度進(jìn)行一次并根據(jù)需要及時(shí)開展。當(dāng)鋼包使用頻繁時(shí)，企業(yè)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況合理縮短檢驗(yàn)周期。每次定期檢驗(yàn)均應(yīng)作好記錄并出具相應(yīng)報(bào)告以備查，同時(shí)也為下次定期檢驗(yàn)提供參考。

3" 結(jié)束語

鋼包檢驗(yàn)檢測(cè)要素主要包括資料審查、宏觀檢驗(yàn)、光譜分析、磁粉檢測(cè)、超聲波探傷和紅外熱成像檢測(cè)等。其中，無損檢測(cè)應(yīng)在宏觀檢驗(yàn)合格之后進(jìn)行，并應(yīng)對(duì)宏觀檢驗(yàn)中可疑部位進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)。資料審查有助于確保鋼包的設(shè)計(jì)、制造和使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)。宏觀檢驗(yàn)是鋼包質(zhì)量控制過程中重要的基礎(chǔ)性環(huán)節(jié)。光譜分析、磁粉檢測(cè)、超聲波探傷可分別檢測(cè)鋼包材質(zhì)成分、表面及近表面缺陷、內(nèi)部缺陷。紅外熱成像檢測(cè)可通過監(jiān)測(cè)裝有鋼水的鋼包外表面溫度，反推分析鋼包內(nèi)襯的溫度場(chǎng)分布和鋼包各部位的受侵蝕情況，是保障在線鋼包安全的一種可靠手段。鼓勵(lì)使用單位建立鋼包紅外熱成像在線監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼包壁溫全程實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄和預(yù)警。企業(yè)在做好鋼包定期安全檢查的同時(shí)每年應(yīng)自覺做好鋼包的檢驗(yàn)檢測(cè)，對(duì)不同程度受損的鋼包及時(shí)進(jìn)行修復(fù)或更換，避免事故發(fā)生。

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