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作者:永乐国际登录网站

  热风炉炉壳的安全是炼铁安全的基石,亦是和谐炼铁、智慧炼铁的重要组成部分。2021年年末,国外钢厂一座2000高炉配套热风炉炉体发生大爆炸的案例,引起了国内炼铁界的担心和关注。他们在热风炉生产安全自检自测工作中发现,拥有686座推广业绩的顶燃式热风炉,不仅具备低氮、节能、高风温的优良特性,而且是一款安全性很高的长寿热风炉。原来,人早就未雨绸缪,预先潜心开展热风炉炉壳防裂防爆的新理论、新举措、新技术研究,并刷新了超高风温热风炉炉壳安全长寿国际纪录。

  到今年3月末,山西建邦钢铁集团通才工贸有限公司炼铁厂1860m3高炉配套的豫兴悬链线顶燃式热风炉已经安全运行了整整10年之久。这只不过是686座豫兴顶燃式热风炉长寿、安全节能、环保、高风温生产的一个缩影。

  建邦集团通才公司这座高炉配套的豫兴顶燃式热风炉创造的月平均 1314.7℃最高风温中国历史纪录至今从未被超越。其炉壳耐高风温、抗开裂、抗腐蚀的特性已经过长期高风温验证。这座高炉热风炉和众多的豫兴热风炉安全长 寿的秘诀,在于其炉壳采用了低磷低硫具有承压和很好焊接性能的Q345R压力容器钢。豫兴公司的这种用材理念不仅贯彻于多年实践中,而且十多年来,持续不断在由中国金属学会召开的历届炼铁会和多种冶金报刊上刊发和呼吁选用这种材料的重要作用。

  今年2月8日,俄罗斯卡鲁金公司代表在炼铁热风炉微信公众号“与用户对话——我们需要了解的热风炉”第五篇 第十一节首次发出强烈呼吁“总结和展望:现在和未来的热风炉-炉壳材质标准应从Q345C/Q345B提高为Q345R压力容器钢”。这是该公司对此前炉壳100%使用Q345C普通机械钢进行总结和展望后首次提出炉壳材料标准提高为使用Q345R压力容器钢,这是避免炉壳开裂损坏的郑重声明。

  豫兴公司与俄罗斯卡鲁金公司这两家在国际国内具有较强影响力和引领顶燃式热风炉两大炉型发展的技术公司,对炉壳材质标准的提高和选用及实践遥相呼应,表明提高热风炉炉壳材质、解决高压超高风温顶燃式热风炉炉壳晶间腐蚀及开裂腐蚀、消除安全隐患已刻不容缓。

  近年来,随着我国强化炼铁、高炉高产、高风温热风炉以及节能环保的需要,高压超高风温热风炉成为大型高炉发展的趋势。其送风温度由原来的普通风温1250℃提高至超高风温1300℃~1310℃,最高风温已经实现1320℃。其风压也由传统的最高4.5kg/cm2提高到5.5kg/cm2,最高达5.8kg/cm2。风温和压力的提高,引发炉壳厚度的增加,但炉壳材质标准仍旧采用传统的Q345C结构钢板会加剧其固有的焊缝气孔、热脆、加工拘束应力开裂和晶间腐蚀缺陷,加快高压、超高风温热风炉炉壳在使用过程中的开裂腐蚀程度,从而使热风炉安全生产埋下了巨大事故隐患。这不是危言耸听,而是有下列设计风温低于1250℃、压力低于4.5kg/cm2、采用普通钢板的几例惊心动魄的案例:

  案例一,2021年底,国外一家钢铁厂2000m3高炉配套的顶燃式热风炉发生热风炉炉壳和格子砖炸飞事故,数百吨高温发红的耐火砖从炉膛冲天飞出,犹如一片红色的流星在热风炉炉膛前空间爆炸开花(见图1、图2、图3),目击者至今心有余悸。

  图2捷克一钢厂2000m3高炉顶燃式热风炉于2021年12月初发生的惊天炉体大爆炸安全事故,炉壳炸开一个面积约100-150平方米的大洞,热风炉蓄热室数百吨1000多摄氏度高温大墙砖和格子砖被炸出体外。

  图3爆炸后的热风炉格子砖、大墙砖像天女散花一样布满热风炉周围地面,确实是安全大事故。

  案例二,我国某钢铁企业一座2000m3级别高炉内燃式热风炉在使用13年后,其拱顶因炉壳焊缝开裂造成炉壳和拱顶耐材炸飞。

  案例三,我国某钢铁企业的2500m3高炉外燃式热风炉燃烧室炉壳在使用数年后也因焊缝开裂发生了拱顶炉壳和拱顶耐材炸飞。

  案例四,我国某钢铁企业的 1080m3高炉顶燃式热风炉炉壳在使用数年后焊缝开裂造成了拱顶炉壳和拱顶耐材炸飞。

  这仅仅是国际国内炉壳爆炸案例的缩影。上述案例 二、案例三、案例四热风炉炉壳均被甩飞到50米~60米远的距离。尤其是案例四,其热风炉炉顶壳体及耐材飞到60米开外的地方。依据其事故前送风压力和炉壳直径计算,其送风时炉壳内的盲板力约3000吨。经对事故的发生原因进行调查发现,炉壳的焊缝中有长为 250mm、宽度接近10mm的夹渣条,加之使用过程中的压力及焊缝腐蚀、氧化 等综合因素,导致焊缝强度减弱炉壳抗盲板力强度不足, 从而产生了开焊甩飞炉壳和耐材的结果。该公司亡羊补牢,将所有热风炉炉壳都焊接上了密密麻麻的焊缝加固件,才避免再出现类似事件发生。上述四个经典炉壳开裂引起的重大爆炸案例,也给我们的热风炉 安全防爆设计和炼铁使用者敲响了安全警钟。

  这三张图是我国另一座高压超高风温顶燃式热风炉预燃室炉壳焊缝两边母材脆裂、开裂现场状况。

  结合上述炉壳耐材炸飞案例和近几年高压超高风温顶燃式热风炉普遍存在的炉壳焊缝开裂腐蚀现象,豫兴技术团队在具有50年炼铁热风炉设计、使用和操作、管理经验的专家——符政学总工程师的精心指导下,早在十多年前就未雨绸缪,潜心跟踪调研,发现顶燃式热风炉炉壳开裂因素与选择Q345C炉壳材质、送风高压力、高风温NOx高排放、Q345C炉壳材料高氢含量、Q345C加工焊接拘束应力和应力腐蚀疲劳以及施工质量等因素有关。如果上述因素集中作用,在巨大送风盲板力作用下,肯定会导致爆炸事故发生。这一结论是豫兴人科学计算的结果:依据压力和燃烧室炉壳直径计算送风盲板力,以顶燃式热风炉燃烧室炉壳直径13.5m,送风压力4.5kg/cm2、5.5kg/cm2、5.8kg/cm2进行计算,由热风炉的4.5kg/cm2普通压力计算产生的6441吨盲板力,提高到7873吨、8302吨,盲板力分别比传统顶燃式热风炉增大了1432吨和1861吨。而盲板力如此之大,选用Q345C炉壳的厚度必将增厚,由原来常规壳厚 40mm 增加至 48mm~ 56mm。炉壳加厚导致加工安装拘束应力加大、 Q345C钢板的热脆、气孔、焊接瑕疵加剧。当实现 1280℃ ~1310℃超高风温时拱顶温度高达1400℃~1420℃(燃烧时拱顶温度大于1420℃时NOX大于300mg/m3,送风时NOX瞬间接近2000mg/m3),超高温产生的NOx中的NO2和低温炉壳与炉内高温温差形成的冷凝水珠反应生成 HNO3腐蚀Q345C 母材龟裂缝隙和焊缝缝隙,在数千吨盲板力、Q345C材质焊接瑕疵、其他腐蚀介质等综合因素作用下,加剧炉壳开裂缝隙腐蚀,这是严重的安全隐患(图2的开裂漏风点状焊缝,如热风炉临近大海旁边,空气中的钠离子和内部炉壳硝酸对内外壳体裂纹长期慢慢渗透腐蚀,终会使点状漏风点串为焊缝通裂裂缝,大幅度降低炉壳焊缝强度),对工作在一线生产工人人身安全产生严重威胁。上述理论与实践研发成果,不仅应该引起炼铁工作者的高度重视,而且随着高压超高风温的实现,热风炉炉壳 材质的标准应从普通机械钢Q345C提高至压力容器钢Q345R或者耐酸腐蚀压力容器钢Q345R(HIC),提上议事日程。

  事实胜于雄辩,十年前建成投产的山西建邦集团通才公司1860m3高炉配套豫兴悬链线顶燃式热风炉的炉壳材料摒弃传统的存在诸多缺陷易开裂腐蚀Q345C,而是改用具有良好焊接 性能和抗压力抗腐蚀的Q345R压力容器钢板,从而安全长寿应用至今,不仅炉壳完好无损,也没有出现炉壳焊缝腐蚀开裂和焊补现象发生,更没有发现热风出口炉壳部位高温发红现象。其充分证明:豫兴高风温热风炉不仅可使氮氧化物实现超低排放,而且创新采用的Q345R炉壳材质选择也是正确的。它同时也为近七百座国内外豫兴高风温顶燃式热风炉炉壳的稳定长寿安全设计提供了科学和实践依据。

  目前我国一些企业的顶燃式热风炉已经采取了类似豫兴公司的安全保护措施。如某钢铁企业一座大型高炉高压超高风温顶燃式热风炉在设计初期(刚好是另一企业高炉高压超高风温热风炉炉壳频繁开裂腐蚀严重期),热风炉设计时直接将锥形拱顶部位炉壳采用低合金高强度结构钢Q345C钢板与奥氏体不锈钢904L复合材料钢板Q345C+904L)。该套热风炉建成投产高压力超高风温运行数年后,整个锥形拱顶燃烧室炉壳除了一处不足一米的炉壳焊缝开裂腐蚀外,其他焊缝保持完好,没有开裂腐蚀痕迹,而燃烧室的上部预燃室部位炉壳则采用纯Q345C钢 板,出现了焊缝及母材开裂腐蚀,其开裂腐蚀不规则状态较严重,分布在横竖焊缝左右或上下两侧母材约200mm(见图3是典型的腐蚀状冷脆龟裂裂缝)。由此可以判断支撑预燃室的托板焊缝裂纹、热脆状也在所难免,其支撑板的支撑强度已经大大减弱,应该予以关注。通过对这套热风炉燃烧室炉壳几乎没有显示开裂腐蚀和燃烧室上部预燃室炉壳严重开裂腐蚀的反差症状对比,说明了两个问题:其一,(Q345C+904L)复合钢板具有抗硝酸抗硫酸腐蚀的突出特性;其二,说明下部燃烧室椎体壳内置不锈钢复合材料钢板表面形成的硝酸液及硫酸腐蚀介质转移至上部致预燃室外部炉壳开裂缝隙腐蚀开裂。同样几何尺寸和热风炉各种参数相同,但燃烧室炉壳和预燃室炉壳全部采用纯Q345C钢板、炉壳内没有设置防腐不锈钢904L内衬的高压超高风温热风炉在另一个企业使用,锥形燃烧室炉壳仍旧出现了很严重的焊缝开裂腐蚀、严重的母材裂缝腐蚀,证明高压超高风温热风炉气体中有较大量强腐蚀元素腐蚀炉壳龟裂缝隙和焊缝开裂缝隙,且是产生腐蚀的主要因素的事实。某钢铁公司高压超高风温顶燃式热风炉原炉壳材质采用Q345C,炉壳焊缝开裂频繁,开裂了就补焊,补焊了又开裂,在补焊过程中,还能听到焊缝缝隙处漏风的嗤嗤声。采用砂轮将炉壳的焊缝及母材局部切割出来,可 以肉眼清晰地看到壳体内侧网状裂纹,其裂纹分布在焊缝两侧母材约100mm处(冷脆龟裂裂缝 腐蚀)。为了消除安全隐患,该公司于2021年6月份将焊缝已严重损坏的纯Q345C材质的原热风炉炉壳进行切割更换为Q345C+904L复合钢板,实施不停产两烧一送一大修,单座热风炉大修三个月,四座热风炉大修期计划一年,其总工程大修费用和大修期间影响企业产能总效益损失也是一组天文数字。

  从上述三个企业三座大型高炉高压超高热 风炉炉壳损坏和大修案例,证明选用Q345C材质作为高压超高风温炉壳几乎100%存在炉壳应力裂纹腐蚀和加工焊接裂纹腐蚀,而开裂腐蚀严重程度与使用时间长短、风温、使用条件相关联。新建大型高炉高压超高风温热风炉采用(Q345C+904L)复合钢板或者 Q345R(HIC)可以阻隔腐蚀介质对损伤的焊缝腐蚀和母材龟裂缝隙腐蚀。如采用耐硝酸耐硫酸抗压承压抗龟裂、抗焊缝开裂材质Q345R(HIC)钢板炉壳,则一劳永逸。而Q345C+904L复合材质仅仅解决了阻隔了腐蚀介质对其外部的Q345C炉壳焊缝及龟裂裂缝的腐蚀,但外部钢壳Q345C的气孔、热脆、龟裂、焊接瑕疵、拘束应力导致的壳体 焊缝依然存在安全隐患,因而大大逊色于直接 采用Q345R(HIC)材质。如果采用将原炉壳切割更换为(Q345C+904L)或者 Q345R(HIC)材质壳体的方法,投入太大,经济损失太大。但无论是更换(Q345C+904L)复合钢板或者更换 Q345(HIC),都需要一座热风炉停产更换炉壳, 其大修周期较长,这将导致钢铁企业的投资增大、风温降低、经济效益损失太大且不可行。因此,豫兴公司的技术团队结合十几年来的深入研究和实践研发了一种保留原炉壳不动,保持正常生产不停,热风炉继续实施两烧两送正常运行的方法进行保护性大修(国家专利申请号65),大大降低了大修强度和大修投资费用,可减少因更换炉壳及大修造成的投资80%以上。其实施方法是:在原开裂腐蚀炉壳外部增加一层Q345R钢板,钢板的厚度依据送风压力和炉壳直径及高风温计算确定,在新增加的钢壳与原炉壳之间填充一层20mm~100mm的保温纤维棉,确保外部新增炉壳散热温度在80℃上下,内部原炉壳温度介于100℃至 200℃之间。内部原炉壳温度低于100℃条件下易产生冷凝水珠,冷凝水珠与高温大量生成的氮氧化物及硫化物结合形成硝酸和硫酸腐蚀介质是腐蚀炉壳裂缝造成炉壳焊缝腐蚀开裂加剧的主要元凶。通过增加一层炉壳和保温纤维棉的设置既可以保温节能,又可以避免内部原炉壳的开裂继续腐蚀,确保炉壳使用寿命(需要注明,炉内支撑板的温度均高于100℃以上,故支撑板不存在腐蚀介质的腐蚀损坏,其承重是安w的),同时外部炉壳材质仅仅采用Q345R钢板可以替代内部炉壳起到承压抗腐抗氧化作用,具有适应稳定长寿高压超高风温的工况条件。

  首先,Q345C钢板不是压力容器用钢板。具体有5个级别,分别为Q345A出厂前不要求做冲击功实验、Q345B出厂前要求常温冲击功试验、Q345C出厂前要求0℃冲击功实验、Q345D出厂前要求-20℃冲击功实验、Q345E出厂前要求-40℃冲击功实验,排序越靠后质量要求越高。说明Q345B钢板可以在常温环境中使用,Q345C钢板可以在0℃以上环境中使用。Q345R是压力容器钢材质。而热风炉属于压力容器,因为我国2008年9月1日实施的《GB713- 2008 锅炉和压力容器用钢板》规范中明确Q345R为压力容器专用钢材。首先,这两种钢材的主要区别是S、P的含量不同,其中Q345C的 S≤0.03、P≤0.03,而 Q345R 的 S≤0.01、P≤0.025。对于钢材而言,国家标准对压力容器钢板中S、P含量有严格限制。S极易产生热脆现象,同时S还会明显降低钢的焊接性能,致使焊缝产生气孔和疏松,从而降低焊缝强度;当钢中含P量高时,会发生冷脆现象,同时P还会降低钢的抗裂性能,提高钢的偏析度,促进晶粒粗化。

  其次,Q345C钢板发生焊缝严重开裂还有下列重要因素:一是焊缝中的氢含量高,氢含量来源于焊接材料中的水分、焊件坡口的铁锈、油污及环境湿度等。对于Q345C钢板来说,只要板厚不太大,且冷却速度控制得当,就不易在焊缝中产生残余氢,残余氢易产生冷裂纹或撕裂状裂纹。如果Q345C钢板材料中含氢量比较高, 就为焊缝及焊缝热影响区开裂创造了必要条件。

  二是拘束应力,拘束应力与板厚有关系,钢板厚度越大,拘束应力越大。板厚接近或者超过40mm,加工和焊接过程就容易出现较大的拘束应力,也会为焊缝及焊缝热影响区开裂创造充分条件。必要条件和充分条件都具备,焊缝和焊缝热影响区就会严重开裂。

  三是大型高炉高压超高风温顶燃式热风炉燃烧室炉壳钢板厚度应该在 40mm~56mm,压力5.5kg/cm2以上,超高风温在1280℃~1310℃,这样的工况条件计算的炉壳需要加厚,如继续采用钢板截面氢含量偏高的Q345C,就容易出现焊缝热影响区龟裂。在炉壳校对焊接过程中,焊接材料中的水分、焊件坡口的铁锈、油污及环境湿度等,都会给焊缝带来较大的拘束应力,会造成焊缝裂纹,在周期性压力、大量NOx综合作用下,增强了焊缝及焊缝热影响区的腐蚀作用,加快了炉壳焊缝及焊缝热影响区的开裂速度。因此,超大型高炉热风炉的焊缝及焊缝热影响区会出现严重的开裂现象。高炉热风炉在靠近海边,其空气中的钠离子对Q345C已经龟裂和焊缝开裂也具有腐蚀还有氧化损坏影响。

  四是Q345R钢板是锅炉和压力容器专用钢板。Q345R(HIC)是要求做氢致开裂检验、Q345R(R+HIC)要求做氢致开裂检验和硫化物(SSCC)应力腐蚀检验。我国于2008年9月1日实施的 GB713-2008《锅炉和压力容器用钢 板》和GB713—2014《锅炉和压力容器用钢板》规范中明确Q345R钢板是锅炉和压力容器专用钢板,因此Q345R钢板应该是最好的选择。特别是高压力超高风温大型高炉热风炉炉壳钢板厚度大、热风温度高、送风压力大,对焊接强度要求高,应该选择抗氢致开裂检验和硫化物腐蚀检验的Q345R(HIC)钢板或者Q345R(R+HIC)钢板作为炉壳材料。如果热风炉使用煤气含硫量偏高,可以考虑采用Q345R(R+HIC)作为热风炉炉壳材质使用。

  一、高压超高风温热风炉氮化物和硫化物腐蚀介质是造成炉壳母材开裂腐蚀和焊缝开裂 腐蚀及晶间腐蚀的重要因素;

  二、Q345C 钢壳材质由于 S、P 含量高存在 热脆、气孔、焊接瑕疵、钢板加厚加工拘束应力等固有的性能缺陷是造成高压超高风温大型热风炉炉壳开裂腐蚀的次要因素;

  三、高压超高风温大型顶燃式热风炉炉壳 钢板应该选择出厂进行抗氢致开裂检验和硫化 物腐蚀检验的Q345R(HIC)钢板或者 Q345R(R+HIC)钢板作为炉壳材料,可以抗硝酸抗硫酸腐蚀,并避免炉壳母材开裂腐蚀和焊缝开裂腐蚀损坏,消除重大安全隐患;

  四、Q345C+904L复合钢板内衬具有抗酸抗腐蚀突出作用,但是其外部炉壳Q345C板材经加工尚存拘束应力、龟裂、焊缝裂纹、气孔、热脆等综合应力内伤,其承压承重和抗外部氧化能力不足。Q345R+904L复合钢板内衬不锈钢炉壳是更安全更可靠的选项。

  五、对已开裂腐蚀损坏的炉壳,采用外贴一层Q345R炉壳加保温的不停产大修方法,是节能、高效、高产、节省投资、保持内部原炉壳裂纹腐蚀原状、外部承压抗腐蚀适应高压超高风温大修最佳方案。

  六、采用Q345C钢壳新建成投产使用周期较短高压超高风温热风炉,如果尚未出现龟裂裂缝腐蚀和焊缝裂缝腐蚀,切不可掉以轻心。因为热风炉建成投产时就已经存在母材龟裂裂纹和焊缝裂纹并正在逐渐被腐蚀介质渗进腐蚀;应采取外贴一层装饰壳体加保温的方法既美化又保温,确保已经存在应力裂纹和焊缝裂纹的炉壳温度高于100℃,堵截腐蚀介质渗透腐蚀龟裂裂缝 和焊接开裂裂缝,确保高压超高风温热风炉炉壳长寿稳定、承重承压在安全的状态。(刘世聚)

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