淺談銅頂吹熔煉爐噴槍斷裂原因
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，在熔煉過程中時常發(fā)生斷裂事故，通過對斷裂鋼管進行分析檢測，發(fā)現造成噴槍斷裂的主要原因是噴槍反復敏化，造成晶界貧鉻在含有較高SO2、SO3等腐蝕性物質的空氣中，產生晶間腐蝕，在其承受鼓風作用及自重的作用下進而發(fā)展成為應力腐蝕和腐蝕疲勞，最終導致斷裂�？刹捎酶鼡Q高等級材料，在噴槍停止使用時立即用偏堿性水冷卻等措施解決噴槍斷裂問題。
【關鍵詞】熔煉爐 噴槍 腐蝕 斷裂
1．簡介
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熔煉爐內經噴槍高強度熔煉，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)時呈輕微擺動狀態(tài)。噴槍在服役過程中時常發(fā)生斷裂事故，使用時間為數日至十數日不等。2007年侯馬冶煉廠委托鋼鐵研究總院對噴槍已斷裂報廢的噴槍鋼管進行了分析檢測，本文是對熔煉爐噴槍斷裂原因和防護措施進行了探討。
2．分項檢測及結果
2.1取樣
在噴槍存放庫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 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化學成分分析
所取樣品化學成分分析結果及AISI304不銹鋼標準成分列于表2。
表2化學成分分析結果
編號 化學成分（%）
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
結果表明，被檢測的三段鋼管的化學成分均符合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，顯示出已經過過長時間敏化后的組織形貌，樣品已產生嚴重的晶間腐蝕和沿晶應力腐蝕，晶間腐蝕和沿晶應力腐蝕均起始于鋼管外側，由外側向內發(fā)展，許多裂紋已貫穿鋼管。2#、3#樣品晶粒粗大，金相組織顯示已經過長時間敏化，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行斷口分析，結果示于圖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，晶面已被嚴重侵蝕，所有樣品均未見塑性變形形貌。
3.結果討論
3．1關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中沿著材料的晶粒間界受到腐蝕，使晶粒之間喪失結合力的一種局部腐蝕現象。由于晶粒間結合力遭受破壞，材料幾乎完全喪失了強度。
應力腐蝕：應力腐蝕破裂是指金屬材料在應力和腐蝕介質的聯(lián)合作用下，產生的一種破壞形式，這種破壞通常會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：在交變應力和腐蝕的聯(lián)合作用下產生的材料破壞，稱為腐蝕疲勞。斷口和應力腐蝕相似，不銹鋼對這類的腐蝕不敏感。
3．2關于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)。 在時效過程中又可析出碳化物強化相，從而提高其高溫強度。該類鋼在500~800℃敏化處理時，易于形成碳化物在晶界上析出，造成碳化物周圍產生貧鉻現象而引起晶間腐蝕。
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900~1000℃或更高，工作一段時間后要拆下來冷卻至室溫后進行修復，這種工作→修復→工作的過程是反復進行的，也就是說噴槍由工作高溫到室溫修復的降溫過程，必定要經過500~800℃的敏化溫度區(qū)，這一過程的反復進行，使噴槍反復的進行敏化，為此使碳化物得以充分的析出，造成晶界貧鉻，促進晶間腐蝕的發(fā)生；同時，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的工作應力，還有自重的拉應力及交變應力等；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化為亞硫酸、連多硫酸等酸性物質，提供了不銹鋼產生腐蝕的介質環(huán)境。
4、結論
噴槍所用的材料確實為AISI304（0Cr18Ni9）鋼。金相組織顯示已經過較長時間的敏化過程，并已遭受嚴重的晶間腐蝕和沿晶間腐蝕和沿晶應力腐蝕，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：鋼管經反復敏化使晶界碳化物大量析出，造成晶界貧鉻，在熔煉爐內、外的腐蝕性環(huán)境作用下產生晶間腐蝕，進而在其工作應力及自重應力的作用下，發(fā)展成為應力腐蝕和腐蝕疲勞，導致斷裂。
5、改進意見
①更換高等級材料，例如：316L、317L、0Cr25Ni20等；
②噴槍停止使用時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材料，下面選用低等級材料。
參考資料：
中鋼研究院《侯馬冶煉廠噴槍斷裂原因分析》
