丁立軒，于占忠，李倩倩，靳曉爽，馬 召，趙 波，王桂林

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063200）

1 煉鐵熱風(fēng)爐使用現(xiàn)狀

高爐熱風(fēng)爐是煉鐵行業(yè)的重要生產(chǎn)設(shè)備，它是通過消耗煤氣燃燒產(chǎn)生的熱量來為高爐提供高溫?zé)犸L(fēng)。首鋼京唐2 號(hào)高爐于2010 年投產(chǎn)，投產(chǎn)初期熱風(fēng)爐使用效果較好，但服役3～4 年之后陸續(xù)出現(xiàn)爐殼開裂問題（圖1），并有逐漸加劇趨勢，經(jīng)過實(shí)施整帶更換爐殼板等措施仍無法徹底解決，嚴(yán)重時(shí)威脅高爐的正常生產(chǎn)[1]。

圖1 熱風(fēng)爐爐殼開裂狀態(tài)

隨著熱風(fēng)爐的頻繁破損、修復(fù)、再破損，熱風(fēng)爐爐齡均有縮短趨勢，局部挖補(bǔ)更換爐殼無法從根本上消除隱患，有燒出風(fēng)險(xiǎn)，可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸、中毒、燒傷及影響高爐生產(chǎn)等嚴(yán)重后果。

2 煉鐵熱風(fēng)爐問題分析

對(duì)熱風(fēng)爐爐殼開裂焊縫解剖和顯微觀察，發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)爐爐殼焊縫部位存在明顯的未熔合缺陷，且爐殼裂紋靠近焊縫并沿焊縫發(fā)展，局部跨越焊縫，形成垂直和平行于焊縫的兩種裂紋。兩種類型的裂紋均起源于爐殼內(nèi)壁，并向爐殼外壁呈樹枝狀發(fā)展，裂紋內(nèi)部發(fā)生明顯氧化（圖2）。從開裂面裂斷口微觀形貌來看，裂紋首先在爐殼內(nèi)壁沿晶擴(kuò)展，然后穿晶擴(kuò)展，補(bǔ)焊過的平行裂紋處發(fā)現(xiàn)裂紋從補(bǔ)焊的熱影響區(qū)再次發(fā)生沿晶擴(kuò)展，并在爐殼內(nèi)壁、裂紋及開裂面中發(fā)現(xiàn)S、P、Cl 等腐蝕性元素。

圖2 熱風(fēng)爐爐殼內(nèi)壁形貌

爐殼開裂的機(jī)理為：①焊接質(zhì)量差，焊縫存在咬邊、未熔合、焊渣等明顯焊接缺陷，造成應(yīng)力集中、焊接殘余應(yīng)力高；②焊縫附近的大裂紋起始于焊縫與母材咬邊處，該位置集聚的應(yīng)力大，是開裂的誘因；③S、Cl 等腐蝕性介質(zhì)使?fàn)t殼發(fā)生點(diǎn)蝕與均勻腐蝕，形成較深的腐蝕坑，在其底部尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，誘發(fā)并加速開裂；④熱風(fēng)爐內(nèi)壓力周期性變化引起的交變應(yīng)力，促使應(yīng)力集中位置開裂或已開裂部位的裂紋擴(kuò)展。

綜上所述，焊接和母材缺陷是導(dǎo)致應(yīng)力集中和微裂紋的根本原因，并在交變應(yīng)力作用下加速疲勞損壞，導(dǎo)致預(yù)期壽命縮短。殘余應(yīng)力、交變應(yīng)力、腐蝕介質(zhì)是爐殼開裂的3 個(gè)因素[2]，爐殼開裂的機(jī)理為應(yīng)力腐蝕疲勞開裂。

3 熱風(fēng)爐復(fù)合鋼板及焊接方法的應(yīng)用

基于熱風(fēng)爐的工作特點(diǎn)，應(yīng)力的周期性變化，鋼結(jié)構(gòu)疲勞問題是熱風(fēng)爐的共性問題，不可避免，因此技術(shù)改進(jìn)重點(diǎn)放在減少腐蝕方面。

3.1 改善爐殼材料，提升抗腐蝕性能

不銹鋼復(fù)合板是碳鋼基層與不銹鋼復(fù)層牢固冶金結(jié)合而形成的復(fù)合鋼板，該材料兼具不銹鋼的耐腐蝕性和碳鋼良好的機(jī)械強(qiáng)度及加工性能。904L 是一種低碳、高鉻、高鎳、高鉬的超級(jí)奧氏體不銹鋼，對(duì)均勻腐蝕、點(diǎn)蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂和一般性腐蝕都有良好的耐腐蝕性能[3]。

在熱風(fēng)爐生產(chǎn)環(huán)境中，介質(zhì)對(duì)熱風(fēng)爐爐殼的腐蝕主要發(fā)生在熱風(fēng)爐爐殼內(nèi)表面[4]，因此本次大修高溫段采用復(fù)合板，材料為基板碳鋼+內(nèi)壁耐腐蝕不銹鋼的設(shè)計(jì)選擇，即熱風(fēng)爐9 帶以上爐殼往上至燃燒器下托磚圈部位為Q355R+904L 復(fù)合鋼板，將904L 較強(qiáng)的抗腐蝕能力與Q355R 較好的力學(xué)性能相結(jié)合。

3.2 復(fù)合鋼板的焊接

對(duì)不銹鋼層及過渡層焊接選擇熱絲TIG 焊方法，基層焊接采用CO2氣體保護(hù)焊焊接方法。復(fù)合鋼板的坡口加工采用等離子切割方式，普通碳鋼板的坡口則采用火焰切割的方式進(jìn)行加工（圖3）。切割坡口時(shí)保證坡口角度的精確、坡口面光潔度符合規(guī)范要求，對(duì)坡口進(jìn)行目視檢查和滲透檢測。坡口切割完畢后需對(duì)坡口面及坡口兩側(cè)邊緣不小于20 mm 范圍內(nèi)的油漆、油、銹、氧化皮、水等雜物進(jìn)行清除，保證焊接質(zhì)量。

圖3 坡口型式示意

如圖4 所示，爐殼不銹鋼復(fù)合板焊接首先在不銹鋼側(cè)采用CO2氣體保護(hù)焊焊接部件①，焊接至不銹鋼復(fù)合層下表面5～6 mm，在反面（碳鋼側(cè)）進(jìn)行碳弧氣刨清根部件②、打磨、合格后進(jìn)行焊接③，碳鋼側(cè)焊縫余高為1～3 mm，不銹鋼復(fù)合層焊接前對(duì)碳鋼焊縫表面進(jìn)行打磨光順，并進(jìn)行表面超聲檢測，合格后再采用鎢極氬弧焊進(jìn)行不銹鋼復(fù)合層的填充和蓋面焊接部件④。不銹鋼側(cè)焊縫余高為0.5～1.5 mm，打磨平整后進(jìn)行超聲二次檢測，打磨過程注意保護(hù)不銹鋼板表面。

圖4 復(fù)合鋼板焊接示意

各段焊接速度趨于一致，多層多道焊接頭相互錯(cuò)開50 mm以上，最大限度同時(shí)完成一面焊接，不能一次焊完的焊縫，停止焊接后立即加熱200～300 ℃保溫處理，再次焊接前重新預(yù)熱。

3.3 復(fù)合鋼板焊接技術(shù)熱處理

焊接殘余應(yīng)力是影響熱風(fēng)爐爐殼應(yīng)力的重要因素，需要按照技術(shù)要求進(jìn)行妥善的熱處理，降低爐殼在工作狀態(tài)下的應(yīng)力水平。復(fù)合鋼板焊接全部為中厚板焊接，為消除鋼板在彎制和焊接后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，要進(jìn)行焊前預(yù)熱和后熱處理。

焊前預(yù)熱方式為溫控電加熱法（圖5）。焊縫兩側(cè)約50 mm處用測溫槍測量溫度，加熱1～1.5 h 達(dá)到120～150 ℃溫度。加熱開始后，每隔10 min 測溫一次，并根據(jù)測量結(jié)果及時(shí)調(diào)整升溫速度?？v縫、環(huán)縫測溫位置必須在加熱面的反面（即爐殼內(nèi)側(cè)）進(jìn)行，縱縫測量點(diǎn)在距離施焊坡口兩側(cè)各約50 mm 處平均取6點(diǎn)，環(huán)縫測量位置在焊縫上、下兩側(cè)距焊縫100 mm 平均取32 點(diǎn)為測溫點(diǎn)，道間溫度的測量在距離待焊坡口兩側(cè)各約25 mm 處。

圖5 焊前余熱示意

為防止焊接裂紋的產(chǎn)生，爐殼體焊縫焊接、探傷結(jié)束后，對(duì)所有不銹鋼復(fù)合板環(huán)縫、縱縫進(jìn)行熱處理消除應(yīng)力。熱處理在爐殼外側(cè)采用焊口外敷設(shè)履帶式加熱板方法進(jìn)行[5]，采用專業(yè)加溫機(jī)加溫，按照圖6 所示的溫控曲線進(jìn)行把控，升溫速度不大于120 ℃/h，采用“低溫長時(shí)”的熱處理方式，適當(dāng)降低熱處理溫度，延長保溫時(shí)間，防止不銹鋼有晶間應(yīng)力腐蝕傾向造成的敏化問題，防止復(fù)層母材和焊接接頭鉻碳化合物的析出。爐殼焊接過程，CO2氣體保護(hù)焊及鎢極氬弧焊均采用多層多道焊接、窄道焊接，且填充每層焊道排列適當(dāng)，控制熱輸入，統(tǒng)一焊機(jī)參數(shù)，做好接頭、收弧工作，保證熔透焊，其中鎢極氬弧焊焊接時(shí)盡量減小擺動(dòng)幅度以保證焊接質(zhì)量。

3.4 復(fù)合鋼板焊接質(zhì)量管控

所有參與厚板焊接施工人員必須固定，派專人負(fù)責(zé)檢查記錄，對(duì)焊縫的焊道次數(shù)、溫度電流、電壓等數(shù)據(jù)記錄清楚。焊接完畢將焊工編號(hào)用鋼印打在每道焊縫附近，且焊接完成后進(jìn)行不銹鋼表面的修磨。焊接質(zhì)量管控措施流程如圖7 所示，具體措施包括：

圖7 焊接質(zhì)量控制流程

（1）制定防冷紋裂措施：用合理的焊接工藝，減小焊接應(yīng)力，采用低氫型焊材，干燥保存。

（2）防熱紋裂措施：在焊接過程中嚴(yán)格要控制焊道的寬深比在合理范圍內(nèi)，控制焊縫成型系數(shù)，控制焊接電流不宜過大。

（3）防出氣孔措施：焊接的地方保持干凈清潔，焊接過程中，焊接電流要適當(dāng)，避免焊接速度過快，熔池內(nèi)氣體要完全放出、嚴(yán)格把控焊材品質(zhì)、嚴(yán)格控制CO2氣體純度等。

（4）防出焊渣措施：在焊接施工前反復(fù)檢查施焊部位及周圍的清潔度。

（5）防未焊透措施：坡口和間隙的尺寸保證合格以及根部及層間清理徹底。

（6）放雨防風(fēng)措施：搭設(shè)防風(fēng)防雨棚和操作平臺(tái)等。

爐殼驗(yàn)收執(zhí)行全熔透焊縫100%滲透檢驗(yàn)+100%超聲波（復(fù)合板TOFD）無損探傷方式檢驗(yàn)，角焊縫及氣密焊縫100%滲透檢驗(yàn)+100%超聲波（復(fù)合板TOFD）無損探傷方式檢驗(yàn)，對(duì)于手工焊和半自動(dòng)焊的焊縫，取其長度10%進(jìn)行射線探傷，對(duì)于自動(dòng)焊的焊縫取其長度的5%進(jìn)行射線探傷。

4 效益效果

熱風(fēng)爐大修改造通過應(yīng)用復(fù)合鋼板和其焊接技術(shù)，熱風(fēng)爐爐殼使用壽命得到延長。通過爐殼材料的提升，降低爐殼內(nèi)壁腐蝕，從根源上解決了爐殼開裂問題，減少因爐殼開裂應(yīng)急處理的次數(shù)，節(jié)省檢修費(fèi)用，保證設(shè)備穩(wěn)定，也避免了由于處理故障甩爐對(duì)風(fēng)溫造成的影響。從復(fù)合鋼板應(yīng)用到焊接流程管理，實(shí)施全員全過程管控，不僅為大型高爐熱風(fēng)爐大修積累經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)降低了排放指標(biāo)，減少熱風(fēng)爐煙氣的硫排量。