淺談銅頂吹熔煉爐噴槍斷裂原因
閆茹
【摘要】Ausmelt銅頂吹熔煉爐噴槍采用AISI304耐熱鋼材料，在熔煉過程中時(shí)常發(fā)生斷裂事故，通過對(duì)斷裂鋼管進(jìn)行分析檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)造成噴槍斷裂的主要原因是噴槍反復(fù)敏化，造成晶界貧鉻在含有較高SO2、SO3等腐蝕性物質(zhì)的空氣中，產(chǎn)生晶間腐蝕，在其承受鼓風(fēng)作用及自重的作用下進(jìn)而發(fā)展成為應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞，最終導(dǎo)致斷裂�？刹捎酶鼡Q高等級(jí)材料，在噴槍停止使用時(shí)立即用偏堿性水冷卻等措施解決噴槍斷裂問題。
【關(guān)鍵詞】熔煉爐 噴槍 腐蝕 斷裂
1．簡(jiǎn)介
侯馬冶煉廠采用Ausmelt浸沒式頂吹熔煉工藝，銅精礦、還原煤、熔劑、返渣等混合料在Ausmelt熔煉爐內(nèi)經(jīng)噴槍高強(qiáng)度熔煉，生成的冰銅和爐渣。熔煉爐噴槍由四層鋼管加工組合而成，目前全部采用304不銹鋼制造，長(zhǎng)度約10余米，噴槍在作業(yè)過程中主要輸送富氧與粉煤，采用浸沒式作業(yè)，其在作業(yè)時(shí)呈輕微擺動(dòng)狀態(tài)。噴槍在服役過程中時(shí)常發(fā)生斷裂事故，使用時(shí)間為數(shù)日至十?dāng)?shù)日不等。2007年侯馬冶煉廠委托鋼鐵研究總院對(duì)噴槍已斷裂報(bào)廢的噴槍鋼管進(jìn)行了分析檢測(cè)，本文是對(duì)熔煉爐噴槍斷裂原因和防護(hù)措施進(jìn)行了探討。
2．分項(xiàng)檢測(cè)及結(jié)果
2.1取樣
在噴槍存放庫(kù)房已廢棄的噴槍管上取樣，列于表1。
表1取樣位置及說明
編號(hào) 取樣位置及說明
1# Ф325mm鋼管，位于噴槍下部，鋼管表面呈黑色，已斷裂，未斷開處布滿裂紋，裂紋呈龜裂狀。在此管上取樣約500cm2，帶有裂紋。
2# Ф273mm鋼管，是一段被管理人員收藏的斷裂管段，位于噴槍上部，斷口整齊，鋼管保持原有金屬光澤，肉眼未見裂紋。在此管段的斷裂面取樣約50cm，帶有斷口，未見裂紋。
3# Ф325mm鋼管，是一段被管理人員收藏的斷裂管段，位于噴槍上部，斷口整齊，鋼管保持原有金屬光澤，肉眼未見裂紋。在此管段的斷裂面取樣約50cm，帶有斷口，未見裂紋。
2.2化學(xué)成分分析
所取樣品化學(xué)成分分析結(jié)果及AISI304不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)成分列于表2。
表2化學(xué)成分分析結(jié)果
編號(hào) 化學(xué)成分（%）
C Si Mn S P Ni Cr Mo
1# 0.04 0.030 0.010 0.032 8.10 17.51 0.35
2# 0.05 0.39 0.003 0.019 8.13 18.45 0.20
3# 0.05 0.38 0.010 0.030 8.10 18.15
AISI304 ≤0.08 ≤1.0 1.0-2.0 ≤0.030 ≤0.035 8/10.5 18/20
結(jié)果表明，被檢測(cè)的三段鋼管的化學(xué)成分均符合AISI304不銹鋼的要求。
2.3金相分析
被檢樣品金相組織形貌示于圖1~3。
 

 

由上述金相圖可見：1#樣品晶粒粗大，顯示出已經(jīng)過過長(zhǎng)時(shí)間敏化后的組織形貌，樣品已產(chǎn)生嚴(yán)重的晶間腐蝕和沿晶應(yīng)力腐蝕，晶間腐蝕和沿晶應(yīng)力腐蝕均起始于鋼管外側(cè)，由外側(cè)向內(nèi)發(fā)展，許多裂紋已貫穿鋼管。2#、3#樣品晶粒粗大，金相組織顯示已經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間敏化，晶界上析出物甚多，晶界已遭受侵蝕，未見裂紋。
2.4端口分析
將所取樣品的斷口清洗后在掃描電子顯微鏡下進(jìn)行斷口分析，結(jié)果示于圖4~5。
 

 

斷口形貌為冰糖狀和解理形貌，顯示為階梯狀和扇形狀形貌，晶面已被嚴(yán)重侵蝕，所有樣品均未見塑性變形形貌。
3.結(jié)果討論
3．1關(guān)于幾種局部腐蝕類型的定義
晶間腐蝕：金屬材料在特定的腐蝕介質(zhì)中沿著材料的晶粒間界受到腐蝕，使晶粒之間喪失結(jié)合力的一種局部腐蝕現(xiàn)象。由于晶粒間結(jié)合力遭受破壞，材料幾乎完全喪失了強(qiáng)度。
應(yīng)力腐蝕：應(yīng)力腐蝕破裂是指金屬材料在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用下，產(chǎn)生的一種破壞形式，這種破壞通常會(huì)在沒有任何先兆的情況下突然的發(fā)生，沒有或有很少的宏觀塑性變形，斷口通常呈解理或冰糖狀。
腐蝕疲勞：在交變應(yīng)力和腐蝕的聯(lián)合作用下產(chǎn)生的材料破壞，稱為腐蝕疲勞。斷口和應(yīng)力腐蝕相似，不銹鋼對(duì)這類的腐蝕不敏感。
3．2關(guān)于AISI304（0Cr18Ni9）耐熱鋼
耐熱鋼是屬于18-8型奧氏體耐熱鋼的一種。這類耐熱鋼是在該類不銹鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。這類鋼具有優(yōu)良的抗氧化性能，良好的高溫力學(xué)性能和優(yōu)異的加工性能。鋼中有一定的碳含量即可獲得較為穩(wěn)定的γ相區(qū)。 在時(shí)效過程中又可析出碳化物強(qiáng)化相，從而提高其高溫強(qiáng)度。該類鋼在500~800℃敏化處理時(shí)，易于形成碳化物在晶界上析出，造成碳化物周圍產(chǎn)生貧鉻現(xiàn)象而引起晶間腐蝕。
3．3熔煉爐噴槍的服役過程
工作狀態(tài)的環(huán)境溫度可達(dá)900~1000℃或更高，工作一段時(shí)間后要拆下來冷卻至室溫后進(jìn)行修復(fù)，這種工作→修復(fù)→工作的過程是反復(fù)進(jìn)行的，也就是說噴槍由工作高溫到室溫修復(fù)的降溫過程，必定要經(jīng)過500~800℃的敏化溫度區(qū)，這一過程的反復(fù)進(jìn)行，使噴槍反復(fù)的進(jìn)行敏化，為此使碳化物得以充分的析出，造成晶界貧鉻，促進(jìn)晶間腐蝕的發(fā)生；同時(shí)，噴槍是由四層鋼管組合而成，噴槍下端為自由端，為此噴槍既承受鼓風(fēng)的工作應(yīng)力，還有自重的拉應(yīng)力及交變應(yīng)力等；另外，噴槍的工作環(huán)境和熔煉爐車間的空氣中均含有較高的SO2、SO3等，遇到潮濕空氣中的水分可轉(zhuǎn)化為亞硫酸、連多硫酸等酸性物質(zhì)，提供了不銹鋼產(chǎn)生腐蝕的介質(zhì)環(huán)境。
4、結(jié)論
噴槍所用的材料確實(shí)為AISI304（0Cr18Ni9）鋼。金相組織顯示已經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的敏化過程，并已遭受嚴(yán)重的晶間腐蝕和沿晶間腐蝕和沿晶應(yīng)力腐蝕，斷口形貌為冰糖狀和解理形貌，未見塑性變形形貌，由此可見噴槍斷裂的原因是：鋼管經(jīng)反復(fù)敏化使晶界碳化物大量析出，造成晶界貧鉻，在熔煉爐內(nèi)、外的腐蝕性環(huán)境作用下產(chǎn)生晶間腐蝕，進(jìn)而在其工作應(yīng)力及自重應(yīng)力的作用下，發(fā)展成為應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞，導(dǎo)致斷裂。
5、改進(jìn)意見
①更換高等級(jí)材料，例如：316L、317L、0Cr25Ni20等；
②噴槍停止使用時(shí)立即用偏堿性水冷卻；
③為節(jié)省成本，可考慮上部選用高等級(jí)材料，下面選用低等級(jí)材料。

參考資料：
中鋼研究院《侯馬冶煉廠噴槍斷裂原因分析》

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