（载运工具运用工程专业论文）转炉烟罩冷却水管失效机理及新型防护涂层研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 转炉烟罩是转炉炼钢过程中的主要设备之一，转炉烟道汽化冷却的运行工 况随转炉冶炼工艺而周期性、急剧地变化。恶劣的运行条件对烟道的使用寿命 产生严重的危害，表现为烟罩水管爆裂漏水。炉口移动烟罩的运行条件更加恶 劣，其寿命只有1 年左右，且寿命期内事故率很高，经常检修，严重影响了钢 铁生产的正常进行，造成了重大的经济损失。本文以冷却水管的失效机理为依 据，设计烟罩水管新型防护热喷涂涂层，并通过试验对涂层的性能进行了研究， 以期能获取一种新型涂层，从而成功解决转炉烟罩爆管这一重大技术问题，延 长转炉移动烟罩的寿命。 通过会相显微镜、电子探针等设备对转炉移动烟罩进行分析，确定烟罩管 失效的原因为：在超温服役的情况下，烟罩管因受热不均匀而产生热应力，热 应力的作用使烟罩管表面生成横向裂纹，氧沿裂纹的渗入，使裂纹处强度变低， 裂纹得以进一步扩展，最终导致水管承受不了水压力而爆管。 根据水管失效机理、涂层的工件条件、涂层的使用性能、机械性能、工艺 性能的要求，设计了三种镍铬基金属涂层，并通过亚音速火焰喷涂制各了涂层。 并通过试验对涂层高温氧化、高温腐蚀、冲蚀磨损、涂层结合强度、涂层硬度、 涂层热循环及抗热震性等性能进行了研究，而且将涂层的使用性能与锅炉管道 常用材料2 0 g 的相应性能进行了比较。在此基础上，通过金相观察、扫描电镜 及电子探针分析技术对涂层的显微组织结构及元素分布进行了分析，探讨了涂 层的高温氧化和热腐蚀的机理。 综合各试验的结果，确定n i c r 一3 涂层是三种涂层中综合性能最优良的一种 涂层，它具备较高的结合强度、优良的抗热循环及抗热震性能，具有一定的抗 小角度冲蚀能力，且涂层具备优异的抗高温氧化性能和抗高温热腐蚀性能：同 时制备涂层消耗材料量小，制备简单，可进行现场施工，是一种针对转炉烟罩 经济的、操作简便且性能优良的保护涂层。 关键词：转炉烟罩，冷却水管，失效机理，涂层 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec h i m n e yo fc o n v e n e ri s o n eo ft h em a i ne q u i p m e n ti n s t e e l - m a k i n g f a c t o r i e st h eb o i l o f fa n dc o o l i n go f c o o l i n gw a t e r i nt h ec h i m n e yt u b e sc h a n g ew i t h s m e l t i n gp r o c e s sr a p i d l ya n dp e r i o d i c a l l y i nt h er u n t i m e ，t h ec h i m n e y f l u e ss u f f e ra v e r yb r u t a lc o n d i t i o n ，a n db r i n gas e v e r ed a m a g ew h i c h i sm a i n l yt h ee x p l o s i o no f t h et u b e sa n dw a t e rl e a k a g e a tt h ee n do ft h ec h i m n e yn e a rt h ec o n v e n e r , t h ew o r k c o n d i t i o ni sm u c hw o r s e a sar e s u l t ，t h el i f et i m eo ft h em o v a b l ec h i m n e yi sj u s t o n ey e a r , a n di nt h el i f et i m et h e r ea r es om a n ya c c i d e n t st h a te x a m i n i n ga n d r e p a i r m u s tb ed o n er e g u l a r l y t h en o r m a lo r d e ra n ds t e po ft h ep r o d u c t i o na r eb r o k e n d o w na n dt h i sr e s u l t si na g r e a t e c o n o m i c l o s s d e p e n d i n g o nt h ef a i l u r e m e c h a n i s m s ，t h i sp a p e rd e v e l o p ss o m en e wt y p et h e r m a ls p r a yp r o t e c t i o nc o a t i n g s ， a n d i n v e s t i g a t e s t h e p r o p e r t i e st h r o u g h as e r i e so f e x p e r i m e n t s t h ea i mo f i n v e s t i g a t i o ni st of i n do u ta n e w c o a t i n g ，a n ds o l v et h ep r o b l e mo f t h ee x p l o s i o no f t h et u b e sa n d p r o l o n g t h el i f et i m eo fm o v a b l ec h i m n e y s u c c e s s f u l l y t h ef a i l u r ec a u s e so ft h em o v a b l e c h i m n e y a r e a n a l y z e dt h r o u g h m e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p e ，e l e c t r o np r o b ex r a ym i c r o a n a l y z e r ( e p m a ) a n do t h e r a p p a r a t u s a n dt h e r ec o m e sac o n c l u s i o nt h a tt h ef a i l u r eo ft h et u b e si sd u et ot h e f o l l o w i n gc a u s e s ：d u r i n g t h e s e r v i c e ，t h et u b e sa r eu n d e rac o n d i t i o no fh i g h t e m p e r a t u r e w h i c hi sf a ro u to ft h en o r m a l r e q u i r e m e n t s ，t h ed i f f e r e n c e o f t e m p e r a t u r ec a u s e sh e a ts t r e s s e s ，a n dt h e nc a u s e st r a n s v e r s ec r a c k s t h r o u g ht h e c r a c k so x y g e np e n e t r a t e si n t ot h et u b e t h eo x i d a t i o no ft h et u b ei nt h ec r a c k s d e c r e a s e st h es t r e n g t ho ft h ep l a c ew h e r ec r a c k sl o c a t e s ，s oc r a c k se x t e n df o r w a r d ， a n dt h et u b ec a n ts t a n dt h ew a t e r p r e s s u r ea n d b r e a k s a c c o r d i n gt ot h ef a i l u r em e c h a n i s m so ft h et u b e s ，a n dt h er e q u i r e m e n t st ot h e w o r kc o n d i t i o n s ，t h ep e r f o r m a n c eo fm e c h a n i s ma n d p r a c t i c e ，t h ed e p o s i tp r o c e s so f t h e c o a t i n g ，t h r e e m e t a l l i c c o a t i n g s w h i c hh a v eah i g hc o n t a i no fn i c k e la n d c h r o m i u ma r ed e v e l o p e d ，a n dt h ec o a t i n g sa r ed e p o s i t e db ys u b s o n i cf l a m et h e r m a l s p r a y al o to fe x p e r i m e n t ss u c ha sh i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o na n dc o r r o s i o n ， e r o s i o n ，b o n d i n gs t r e n g t ha n dh a r d n e s so fc o a t i n g ，t h e r m a lc y c l i n ga n dt h e r m a l i i 武汉理工大学硕士学位论文 s h o c kt e s t sa r ec a r r i e do u ti nt h i ss t u d y t h em e c h a n i s m so fh o tc o r r o s i o na n dh i g h t e m p e r a t u r e o x i d a t i o nr e s i s t a n c eo ft h e s ea l l o y c o a t i n g s a r e e x p l o r e d a n dt h e i r p e r f o r m a n c ea r ec o m p a r e dw i t h2 0 9w h i c h i sn o w w i d e l yu s e da sak i n do fb o i l e r t u b em a t e r i a l s b ya n a l y z i n g t h em i c r o s t r u c t u r ea n dd i s t r i b u t i n go fe l e m e n to f c o a t i n g s w i t ht h e t e c h n i q u e s o f m e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i s ，s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) a n d e l e c t r o np r o b em i c r o - a n a l y s i s ( e p m a ) i nt h i sp a p e r c o n s i d e r i n gt h er e s u l t so f t h ea b o v et e s t sa l l a r o u n d ，n i c r - 3i st h eb e s tc o a t i n g o ft h et h r e ec o a t i n g s ，b e c a u s ei th a sb e t t e rb o n d i n gs t r e n g t h ，e x c e l l e n tt h e r m a l c y c l i n ga n d t h e r m a ls h o c kr e s i s t a n c e ，n o r m a le r o s i o nr e s i s t a n c ei nr o o m t e m p e r a t u r e a n de x c e l l e n th i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o na n dh o tc o r r o s i o nr e s i s t a n c e a tt h es a m e t i m e ，d e p o s i t i n gs u c hc o a t i n gc o n s u m eal i t t l e r a wa n dp r o c e s s e dm a t e r i a l s ，t h e p r o c e s si ns i m p l e ，a n dd e p o s i t i n gc a n b ec a r r i e do u to nt h es p o t i ti sae c o n o m i c a l ， s i m p l e a n ds u p e r p r o t e c t i o nc o a t i n gf o r t h ec h i m n e y o fc o n v e r t e r k e y w o r d s ：c h i m n e yo f c o n v e r t e r , w a t e r - w a l lt u b e s ，f a i l u r em e c h a n i s m s ，c o a t i n g s - i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题提出的背景及研究的意义 吹氧转炉炼钢是当今世界占主导地位的炼钢方法，在世界钢总产量中，转 炉钢的额份平均占7 0 左右，而一些发达国家则达到8 0 以上1 1 j 。我国在2 0 世纪8 0 年代后进入氧气转炉炼钢的大发展时期，1 9 9 6 年我国钢产量首次突破1 亿吨，成为世界第一产钢大国。2 0 0 0 年我国钢产量达1 28 5 0 万吨，其中重点 企业转炉钢为1 05 7 7 9 万吨，约占钢总产量的8 7 1 l 。平炉炼钢由于冶炼时间 长，生产率低，难以与连铸生产配合，已逐渐被转炉炼钢所代替【2 j 。 转炉炼钢过程中会产生有大量c o 、含铁粉尘的高温烟气。如果采用未燃 法，c o 在烟气中的含量随着吹炼时间的增加而增加，达到高峰后又渐渐地降 下来，含量最高可达到9 0 ，平均7 0 左右。c 0 2 在转炉( 未燃法) 烟气中， 一般含1 0 左右。转炉烟气在炉口处的温度通常为1 4 5 0 。因此，对烟气进行 冷却可以获得大量的过热蒸汽，作为二次能源，供其它设备使用1 3 “。 由于保护环境与回收利用能源、资源的三重要求，转炉煤气的回收工作己 在世界范围内普遍展开，世界大多数大型转炉炼钢厂都已有了煤气回收设施。 而在转炉炼钢中产生的大量的热( 称为余热) 属于二次能源，具有很大的利用 价值。在这种情况下，世界各国基本上都采用转炉余热锅炉来冷却烟气，并通 过余热锅炉末端的除尘设备及煤气回收设备回收煤气【3 ，6 7 。 转炉余热锅炉是一种烟道式余热锅炉，余热锅炉的烟罩在恶劣的工况下工 作，很容易发生爆管事故。目前，一些转炉平均每月漏水一到二次，严重时一 周漏水三、四次。频繁的爆管使大量的水进入转炉，使生产经常停顿，缩短了 停产检修的时间间隔，既严重影响钢铁的产量，又对严重威胁了生产人员的生 产安全。每次停炉时都要对漏点进行焊补或更换水管，除去更换水管、补焊及 每次丌炉时烘炉所耗几十吨燃油的费用，一台2 5 0 吨转炉因爆管停产一次所造 成的钢铁生产损失就可达1 0 0 万元。至2 0 0 0 年，我国7 4 个转炉炼钢厂共有转 炉2 0 7 座转炉，其中1 0 0 3 0 0 吨的大型转炉2 8 座。因此，对余热锅炉烟罩进 行防护的需求日益迫切。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 转炉烟罩冷却水管存在问题 转炉余热锅炉也称烟道式余热锅炉，是炼钢车间主要设备之一，其冷却烟 道起着收集、冷却与输送烟气多方面的作用。转炉烟道汽化冷却的运行工况随 转炉冶炼工艺而周期性、急剧地变化。恶劣的运行条件对烟道的使用寿命产生 严重的危害，表现为烟罩水管爆裂漏水。目前，转炉烟道的使用寿命很短上 段烟道的平均寿命为6 年左右，下段烟道的寿命为2 3 年，炉口移动烟罩的运 行条件更加恶劣，寿命只有1 年左右。寿命期内事故率很高，经常检修捧1 。 目前国内研究认为烟罩水管爆管的原因有： ( 1 ) 由于转炉余热锅炉的热源的载体为转炉炼钢过程中产生的高温烟气， 这些烟气中含有一些腐蚀性极强的组分，因而转炉余热锅炉的高温腐蚀问题比 较严重【8 , 9 , 1 0 。 ( 2 ) 由于转炉冶炼工艺操作的周期性，吹氧时烟气量处于最大，其最高温 度达1 6 5 0 ，热负荷增大，管壁温度升高，停吹时烟气总量下降为零，热负荷 减小，管壁温度随之降低，使受热管产生周期性的热交变应力，极易造成热疲 劳破坏，在水冷壁管上会出现横向裂纹，直至破裂 3 , 8 , 9 , 1 0 - 1 4 】。 ( 3 ) 由于转炉余热锅炉的工作温度高，因此在上升管中不可避免地要产生 水蒸汽。根据汽液两相流原理，汽液两相在斜管内或水平管内流动时，由于蒸 汽的密度比水的密度小，因此蒸汽主要浮在水的上面。对于烟罩斜管段的下沿， 当高温烟气通过辐射将热量传给水冷壁管表面时，在水冷壁管内由于蒸汽的位 置和其热传导性差的原因，水冷壁管因此容易发生传热恶化，造成其管壁超温 工作。这种情况下，即使采取高压强制水循环也不能有效地解决水管超温工作。 同时，由于各管中水分布不均匀，致使有些水管内水流量不足，导致水冷壁超 温工作。另外，由于水面的波动，辐射受热面交替地与蒸汽、水接触，使管壁 温度交替变化，也容易导致金属发生疲劳破坏。水质不佳导致水冷壁内壁结垢， 使传热能力下降，水冷壁工作温度上升；水内腐蚀物质也易使水冷壁内壁产生 腐蚀裂纹，加速水冷壁爆管【1 5 - ”】。 ( 4 ) 转炉烟气中含有大量的烟尘。烟尘的主要成分是铁及其氧化物，其成 分与冶炼操作制度、原材料质量以及炉气的燃烧率紧密相关，浓度是随吹炼时 间而变化的，一般为1 2 0 1 5 0 9 m 3 。由于采用未燃法，因此烟尘的主要成分是 低价氧化铁( f e o ) ，约占7 0 。烟气在烟罩中流动时，粉尘与受热面管子产生 一2 - 武汉理工大学硕士学位论文 摩擦而使受热管磨损。磨损程度与烟气流速有关，一般烟气流速控制在2 0 2 5 m s 左右 8 , 1 0 , 2 0 1 。 ( 5 ) 由于目前大部分炼钢厂都采用溅渣护炉工艺，在用高压氮气冲击炉渣 时，高温炉渣不可避免的要飞溅到余热锅炉的下部烟罩上，对烟罩造成冲击， 并在烟罩上产生挂渣现象，因此烟罩易产生麻点和穿孔，热疲劳裂纹也增多。 同时，在检修时，有时要敲掉烟罩上的钢渣，可能会发生机械损伤。另外，由 于钢渣附在水冷壁外，导致水冷壁增厚，而且钢渣较为疏松，此两项严重降低 了水冷壁的传热能力，使水冷壁管要在高温下工作 8 , 2 1 , 2 2 】。 1 3 国内外对转炉烟罩的防护措施 1 3 1 国内对转炉烟罩的防护措施及其局限 目前，国内在转炉烟罩的维修使用上是处于由事后维修、更换新设备阶段 向主动进行表面防护的转型阶段。大部分炼钢厂所采取的措施有： l 、改善转炉烟罩的结构，增大受热面，减小热负荷豫9 1 6 1 。 2 、改善移动烟罩的水循环，使烟罩受热均匀 8 , 9 , 1 6 , 1 8 , 2 3 】。 3 、改善管内工质参数，对工质水进行严格处理，如除氧，脱盐等 4 , 1 7 1 。 4 、提高焊接质量，减少焊接缺陷 2 4 1 。 5 、整体去应力退火i ”。 6 、更换水冷壁管的材料，采用c r m o 钢等制造水冷壁管 9 , 2 3 1 。 7 、在烟罩冷却水管表面进行喷涂处理，如马钢、宝钢均采用喷涂k f 3 9 合 金 9 , 2 5 - 2 7 。 从结构设计和水循环方面进行改进，是以前采取最多的两种方法。虽然这 两种方法可在一定程度上提高烟罩的寿命，而且也是在设计时必须注意的问题， 但是这两种方法存在着不可避免的缺陷，使得烟罩的寿命不能得到很大程度上 的提高。 1 、烟罩的结构决定了烟罩的斜管段是必然存在的。而在烟罩的斜管段在工 作时必然会产生汽水分离，汽水分离是在高压强制水循环下也不可壁免的，这 就决定了烟罩斜管段的局部区域必然会在高温工况下工作。事实也说明：烟罩 斜管段也是烟罩爆管事故发生最多的部位。 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 、烟罩在高温烟气下受到烟尘的冲蚀是不可避免的。通常认为冲蚀是烟罩 水冷壁管减薄的主要原因之一。 3 、在吹炼刚开始时，及由于氧枪打不着火时，烟气的含氧量较高，在水冷 壁上易发生高温氧化，生成疏松的氧化物，使水冷管的传热能力下降，水冷管 易在高温下工作 2 8 1 。 4 、为提高转炉炉龄而进行的溅渣护炉使炉渣不可避免的要溅射到移动烟罩 上，增加烟罩的厚度，而且这种非致密性的炉渣内气孔较多，因此会大大降低 水管的传热能力，使水管局部在高温下工作的概率增大。 针对水冷壁爆管问题，一般较为有效的防护方法是表面处理。国内从二十 世纪八十年代末开始就展了热喷涂技术在余热锅炉烟罩上的应用研究，但一直 没有得到大面积的推广。目前，转炉烟罩喷涂只在国内的几家大型钢铁厂得到 应用，如：鞍钢、马钢等。喷涂材料主要采用了火焰喷熔镍基合金及电弧喷涂 铁基合金工艺，这在一定程度上提高了烟罩的使用寿命，但与国外的先进涂层 系统相比，涂层性能仍存在一定的差距。随着表面工程的迅速发展，以热喷涂 为主的表面技术在烟罩管表面防护中正在得到逐步的应用【1 6 】。 1 3 2 国外对转炉烟罩的防护措施 美国的绝大多数烟罩都使用管膜板管结构，材质为碳钢或c r m o 钢。美 国2 0 0 0 年的一份调查显示：裂纹是最常见的烟罩故障( 4 1 ) ，其次就是冲蚀 为3 7 ，一般性腐蚀为2 2 。调查还发现焊接是最常用的烟罩修理方式，但更 换烟罩膜板也相当普遍。目前美国主要用合金6 2 5 或3 0 9 s s 对锅炉的水冷壁进 行堆焊防护。在早期堆焊只是作为一种暂时的、包扎式的修理而应用在烟罩上， 后来随着堆焊技术的发展，堆焊技术被采取用作为大型工业设备提供表面保护， 防止腐蚀或冲蚀损害的系统方法，堆焊技术在锅炉上也得到广泛应用。1 9 9 4 年 美国中西部一座钢厂，对其氧气顶吹转炉烟罩的“y ”型接头堆焊了c 2 2 ( 一 种镍基合金n i 一2 2 c r - 1 4 m o 2 w ) ，在使用4 年后，检查发现焊道的波纹依然清 晰可见。而另一座钢厂进行的并列式试验中，用镍基合金6 2 5 ( n i 2 1 c r - 9 m o 一3 5 n b ) 以及马氏体不锈钢4 2 0 s s ( f e 1 3 c r 一0 2 c ) 对转炉烟罩 进行堆焊，在使用l o 个月后，发现合金6 2 5 基本上无变化，而4 2 0 s s 则出现 轻微的冲蚀和氧化，但没有裂纹和其它形式的破损。1 9 9 8 年9 月以来，美国利 用自动堆焊技术进行了大面积的烟罩堆焊保护，绝大多数都是采用合金6 2 5 ， 4 武汉理工大学硕士学位论文 调查表明，所有这些堆焊过的烟罩在运行近两年后都状况良好 2 9 1 。 其它国家从二十世纪八十年代开始也将表面工程技术应用于余热锅炉水冷 壁管的防护中。例如：瑞典采用电弧喷涂和火焰喷涂工艺在余热锅炉水冷壁管 上制各层f e c r a l 涂层，这一涂层可显著的提高了水冷壁管的使用寿命。目前 对转炉烟罩的防护，国外也采用火焰喷熔n i c r b s i 型自熔性合金及高速火焰喷 涂n i c r 基合金等工艺方法【2 ”。 1 4 热喷涂技术及其在锅炉管道防护领域的应用 1 4 1 热喷涂技术 热喷涂是利用热源将喷涂材料加热到熔化或半熔化状态，借助于焰流或外 加的推力将熔滴雾化或推动熔粒成喷射的粒束，以一定速度喷射到经过制备的 基体表面形成某种功能的涂层。 热喷涂技术是一种重要的表面工程技术，它可以在普通的基体材料表面上， 获得具有耐磨、耐蚀、抗氧化、耐高温、隔热、导电、绝缘、减摩、润滑、防 辐射及其它特殊的物理、化学性能的涂层。这一优势使得热喷涂技术在重大材 料科学课题中逐渐确立自己的地位。在近2 0 多年里，热喷涂技术作为一种新的 表面防护和强化工艺得到了迅速的发展。在内容方面也由早期制各一般的装饰 性和防护性涂层发展到包括产品失效分析、表面预处理、喷涂材料和设备的选 择、涂层系统设计和涂层后加工等在内的热喷涂系统工程。目前热喷涂技术已 成为材料表面科学领域中的一个十分活跃的独立学科。其主要工艺包括：火焰 喷涂( 丝材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂) 、电弧喷涂、 等离子喷涂等。 热喷涂技术与其他各种表面技术相比，有许多自身的特点： ( 1 ) 喷涂材料的选择范围广泛，它几乎包括所有的固体材料。 ( 2 ) 选择合适的工艺方法几乎能在任何固体材料表面上进行喷涂，这是其 它表面技术无法实现的。 ( 3 ) 一般不受施工场所的限制，既可以在室内喷涂，又可以现场施工。 ( 4 ) 对工件进行整体喷涂，也可以对工件进行局部喷涂。 ( 5 ) 涂层厚度可以在几十微米到几毫米范围内控制。 ，5 一 武汉理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 除喷熔外，热喷涂工艺对基体材料热影响小，并且可以进行控制，它 不会影响基体金属的金相组织和机械性能。 ( 7 ) 热喷涂的生产率高。 ( 8 ) 表面成形平整、光滑、加工余量少。 ( 9 废旧件采用热喷涂修复后，还能比新件具有更高的性能和更长的使用 寿命。 随着现代工业不断向着调试自动化和高速化方向发展，电脑已经进入产业 部门，这就要求各种机械零部件能长期稳定地工作。因此，对于新材料的要求 已经不再限于那些尖端的工业部门，而且已经涉及到许多工业领域。另一方面， 世界各国普通受到资源、能源短缺的压力，降低材料和能源的消耗已成为各国 共同关心的问题。热喷涂作为一门表面强化技术，比起整体地提高材质的性能 无疑要经济得多，而且在许多场合，由于采用了特殊涂层而降低了对部件材质 的要求，使它的总成本还可能有所下降。因此，热喷涂技术既可用来恢复因表 面损坏而报废的零件，也可用于新产品的制造以提供预防性保护，它已成为一 门具有重大技术经济效益的应用技术。 从热喷涂技术的应用角度看，在过去主要用于装饰性涂层，或者以喷锌和 铝为主的防腐蚀涂层和喷涂钢来修复一些一般的机械零件。今天热喷涂技术修 复的零件已经有了新的意义，即由于涂层材料性能优异，而使得修复的机件的 使用寿命在许多情况下已经超过了新品的使用寿命，这就促使喷涂技术直接在 新产品上的应用，提供预防性保护的比重目益增长。因此，从发展观点看，热 喷涂技术必将会改变许多新产品的结构和设计，有远见的设计师们已经开始对 自己的产品进行重新评价和审查，以便使自己的设计如何能采用热喷涂技术和 适应于热喷涂的施工要求。 总之，热喷涂技术由于有巨大的技术经济效益，已经引起人们的广泛重视， 已用于包括各个尖端技术部门在内的许多工业领域，其应用的深度和广度还在 继续发展。 1 4 2 热喷涂技术在锅炉管道防护领域的应用 国际上先进的工业国家，对锅炉管道的表面防护技术比较重视。美国、英 国、瑞士、同本等国从六十年代就开始研究把热喷涂技术应用于锅炉管道预保 护上。早在上世纪六十年代，美国燃烧工程公司( c o m b u s t i o ne n g i n e e r i n g ) 就 6 - 武汉理工大学硕士学位论文 尝试用火焰喷涂金属涂层体系- n i a l 粘结底层，18 8 不锈钢a i a i s i 封孔剂一 一保护重油余热锅炉水冷壁和过热器管道。八十年代，美国热喷涂技术专业公 司( t a f a ) 把t a f a l o y 4 5 c t 作为锅炉管道高温含硫气氛中的耐蚀防护涂层口0 川。 英国在八十年代开始进行热喷涂涂层防治锅炉管道的冲蚀和受热面腐蚀的小规 模工业试3 2 , 3 3 ，他们以等离子喷涂a 1 2 0 3 和7 5 c r 3 c 2 2 5 n i c r 作为抗飞灰冲蚀 涂层以等离子喷涂5 0 c r 5 0 n i 作为受热面耐腐蚀防护涂层。瑞典综合运用电 弧加火焰丝材喷涂技术在八十年代中期先后对数台重油余热锅炉二级过热器管 道喷涂f e 一2 2 c r - 6 a l 合金，制备出具有较高结合强度和低的孑l 隙率与氧化物含 量的涂层，其耐热腐蚀和抗冲蚀性能优于m e t c o 多层涂层口”。美国金属喷涂 ( m e t a ls p r a y ) 公司在九十年代初用h v o f 制备的d s 2 0 0 抗冲蚀涂层【3 ”，己 用于燃烧锅炉、流化床锅炉、垃圾焚烧锅炉和旋流锅炉炉管高温抗冲蚀磨损防 护。九十年代末该公司又推出高速火焰电弧喷涂涂层新技术，如d u o c o r 涂层h ”， 显著降低了涂层的孑l 隙率，炉灰冲蚀抗力显著改善。 随着各国著名的热喷涂公司相继推出新材料、新工艺、新设备，预保护技 术进入实用化阶段，管道喷涂得到大面积的应用，使工件寿命得到了大幅度的 提高 3 0 , 3 7 - 4 1 1 。瑞士卡斯特林一厄特蒂( c a s t o l i n e u t e c t i c ) 公司进行了十多 种用于管道预保护涂层材料试验，该公司喷涂管道几千平方米，涂层平均磨蚀 率小于0 1 毫米年，多数情况下可连续使用了3 - 6 年；美国苏尔寿一美科( s u l z e r - - m e t c o ) 公司相继推出的m e t c 0 4 4 4 ，c e 2 1 4 8 ，c e 2 1 8 5 等复合涂层粉末，特别 是铁铬基复合粉末c e 2 1 8 5 ，采用等离子喷涂工艺，涂层致密，结合强度高， 具有良好的抗磨蚀性能，管道涂层年磨损速度为o ，0 2 5 毫米左右，工作寿命5 1 0 年；美国t a f a 公司设计出的热喷涂用焊丝新材料t a f a l o y 4 5 c t ，在实际样 品或喷涂应用中经测定涂层厚度的平均磨蚀损失小于0 0 2 5 毫米年，已得到国 际上的承认，被许多国家所采用。由于电弧喷涂、等离子喷涂工艺能形成高结 合强度、低孔隙度和最少氧化物的涂层，因此目前各大热喷涂公司均采用此两 种工艺进行管道喷涂。 1 5 本论文的主要工作和研究内容及其意义 本论文的主要工作内容包括以下几个方面： ( 1 ) 利用金相分析等技术对爆裂水管的残片进行分析，确定转炉烟罩水冷 7 一 武汉理工大学硕士学位论文 壁管爆管失效的原因。 ( 2 ) 根据失效原因，在目前国内外现有的高温材料的基础上，寻找一种可 对转炉移动烟罩进行有效保护的涂层材料。 ( 3 ) 进行涂层性能实验，以确定涂层材料在高温下的抗氧化性能，抗冲蚀 性能，抗腐蚀性能，以及与基体的结合强度，涂层的抗剥落性能。 ( 4 ) 优化表面喷涂的工艺，以保证涂层能达到设计的性能，从而最终有效 地解决转炉移动烟罩的失效问题。 本论文工作具有两方面的意义： ( 1 ) 本论文的研究扩展了热喷涂技术在冶金方面的应用基础研究，有益于 热喷涂技术的应用和推广。 ( 2 ) 本论文研究的成功将有效地延长转炉烟罩冷却水管的使用寿命，从而 大大降低由于爆管而造成的停工检修，维持了钢铁生产的正常工作秩序，提高 了钢铁产量，大大降低了爆管造成的经济损失，同时还提高了钢铁生产的安全 性。 1 6 本章小结 本章阐明了课题提出的背景和研究的意义，详细介绍了转炉移动烟罩存在 的问题，并概述了目前国内外对该问题的解决方法及其优缺点，提出了课题研 究的方向及工作内容，对拟采用的热喷涂技术的原理、工艺方法、作用、应用 发展及前景进行了介绍，并介绍了目前该技术在相关领域研究的状况。 - 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章转炉烟罩冷却水管的失效分析 2 1 烟罩工作原理、结构、作用 2 1 1 锅炉的结构及工作原理 锅炉是由“锅”和“炉”以及为保证“锅”与“炉”安全运行所必需的附 件、控制仪表、附属设备等三大部分组成。其中“锅”是指锅炉中盛水和蒸汽 的密封受压部分，其作用是吸收“炉”释放出的热量。从而使低温水变成高温 水( 热水锅炉) ，或者变成具有一定压力和温度的蒸汽( 蒸汽锅炉中) ，其主要部件 包括：锅筒、上升管、下降管、上集箱、下集箱、过热器和省煤器等。“炉”是 指锅炉中燃料进行燃烧产生热源的部分。 “锅”吸收畔j 。 锅炉中的工质的自然循环是在循环 回路中进行的。简单的循环回路由上锅 筒、下降管、上集箱、下集箱、上升管 构成，如图2 1 所示，是一个闭合的回 路。其中上升管不是单根的管子，而是 并联工作的管组，上升管汇集予上集箱， 再由汽水引出管将上集管与上锅筒连接 起来；下降管可以是单根的管子，但多 数情况下也是由数根并联工作的管子以 至管束构成。下集箱是连接、沟通下降 管与上升管的下端结合部，一般情况下， 每个循环回路具有其专用的下集箱。当 上升管和下降管都是管束时，下集箱改 其作用是将燃料燃烧释放出的热量供 1 锅筒；2 一下降管；3 下集箱：4 一 上井管；5 一上集箱；6 汽水引出管 图2 1 锅炉简单循环回路 为下锅筒。上锅筒是全锅炉所有循环回路共用的，是上升管与下降管的上端结 合部。上锅筒不仅是循环回路的组成部分，而且也是连接省煤器、汽化受热面 和蒸汽过热器的枢纽，又是进行汽水分离过程的场所4 3 1 。 - 9 - 武汉理工大学硕士学位论文 按锅炉的工作原理，可将锅炉分为两大类：自然水循环类和强制水循环类。 自然水循环类锅炉的工作原理为：循环回路充水后，在未进行加热时，回 路内的工质是静止的。当上升管受热而下降管不受热( 或上升管受热强而下降 管降受热弱) 时，上升管内工质的密度小而下降管内工质的密度大，在此密度 差的作用下，形成工质从下降管通过下集箱( 或下锅筒) 向上升管的定向流动。 在加热工况稳定的情况下，流动工况也逐渐达到稳定。此时，上升管内的工质 处于汽水混合物的双相状态而下降管内则是单相的水( 或者上升管内是含汽率 较大的双相流体而下降管内是含汽率较小的双相流体) 。出自上升管的双相流体 经过汽水分离后，饱和汽上升到上锅筒的汽空间，而饱和水则通过上锅筒的水 空间再回到下降管，从而形成水的循环流动。 但工质在循环回路中形成自然循环必须满足两个条件：( 1 ) 上升管与下降 管受热不同：上升管受热而下降管不受热，或者上升管受热强而下降管受热弱。 ( 2 ) 由上升管进入到上锅筒内的汽水混合物要经过良好的汽水分离，使进入下 降管进行循环的工质只是锅水，而不含蒸汽。 强制水循环类锅炉从汽水系统上看，和自然循环锅炉是相似的，区别只是 在循环回路上串接一个专门的循环泵，因此，水循环的动力不再是冷热管中水 的重度差，而是泵产生的压力，循环泵的使用可以使在低负荷或启动时的水强 制流动，从而使各承压部件得到均匀冷却，大大提高启动及升降负荷的速度。 余热锅炉也称废热锅炉，它的原理和结构基本上与普通工业、动力锅炉相 同。它们不同之处在于余热锅炉的热源大部为某些生产过程中的剩余热量或过 程尾部排出的热量，而不是燃煤而释放出的热量。余热锅炉可分为烟道式和管 壳式余热锅炉。转炉烟罩就是一种烟道式余热锅炉。 2 1 2 转炉烟罩的结构与作用 武钢三炼钢现有两座2 5 0 吨的顶底复吹氧气转炉，于1 9 9 6 年投入生产。这 2 台2 5 0 t 转炉的余热锅炉系统是从德国引进的，采用了欧洲比较先进的转炉烟 道汽化冷却技术。烟罩由裙罩、移动烟罩、固定烟罩及尾部烟道组成( 其结构 如图2 2 所示) 。烟罩的主要作用是：( 1 ) 防止烟气漏入空气中，同时也防止外 部空气进入而使c o 烧损。( 2 ) 使高温烟气降温，便于回收。( 3 ) 利用高温烟 气与锅炉冷却水的热交换产生蒸汽，回收二次能源以供各厂使用。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 转炉移动烟罩由3 1 2 根中4 2 4 4 5 的钢管和扁钢焊成，固定烟罩由1 6 8 根 中6 0 3 4 的钢管和扁钢焊成。由于出钢 的需要，裙罩被设计为上下移动式；而 为了进行吹氧和加料，移动烟罩上还设 置有氧枪孔、副氧枪孔和加料槽等；尾 部烟道后接有洗涤、除尘和煤气回收设 备。 根据转炉烟道和烟罩的结构特点及 运行工况，转炉烟罩被分为三个独立的 单元，分别采用了不同的循环方式。固 定烟罩和尾部烟道采取自然循环方式， 移动烟罩采用高压强制循环方式，而裙 罩、氧枪套、副枪套、下料溜槽为低压 强制循环方式。整个烟罩的高压循环系 统由3 根下降管和4 根上升管通过汽包 1 裙罩；2 、4 一移动烟罩一、二段； 3 氧枪口；5 、6 固定烟罩一、二段 7 一尾部烟道；8 一烟罩爆管严重部位 图2 - 2 转炉烟罩结构图 连接。烟罩位于转炉炉口的上方，尾部与除尘设备连接。既保证了转炉生产的 安全性，提高了烟道和烟罩的工作寿命，而且也比较充分的回收了烟气中的余 热：同时，该转炉烟道汽化冷却系统的系统结构较为简单，附属设备较少。 2 2 烟罩管道的材质、工作特性参数、工作环境及问题 1 、烟罩管道材质 烟罩管道采用锅炉钢2 0 g ，其成分如下表2 1 ： 表2 - 1 锅炉钢2 0 g 的成分 2 、烟罩主要特性参数 烟罩的主要特性参数主要是指：烟罩炉口工作温度、烟罩出口排烟温度、 烟气量、吹氧工作时间、冶炼时间、每炉蒸汽量、平均蒸发量、瞬时最大蒸发 量、高压系统工作压力、高压下烟罩工质水最高工作温度、低压系统工作压力、 武汉理工大学硕士学位论文 低压下烟罩工质水最高工作温度。各参数的值如表2 2 。 表2 2 烟罩主要特性参数 参数名称参数值参数名称参数值 炉气温度 1 6 5 0 平均蒸发量3 0 4 0 t 炉 烟罩出口排烟温度9 0 01 0 5 0 瞬时最大蒸发量1 6 0 “h 烟气量 18 2 0 0 0 n m 3 h 高压系统工作压力 1 2 29 m p a 吹氧时间 1 5 5 m i n 最高工作温度 2 5 5 冶炼时间 3 0 4 0 m i n 低压系统工作压力 0 2 o 4 m p a 每炉产蒸汽量 16 2 4 5 t 炉 最高工作温度 1 5 8 3 、转炉烟罩工作环境及出现问题 转炉烟罩在使用过程由于高温腐蚀烟气的腐蚀氧化、低周热疲劳、水循环 问题、烟气冲刷及溅渣护炉的原因使得烟罩经常爆管，详细情况请参阅1 2 节。 2 台烟罩投入使用后，烟罩管水冷壁管就存在漏水的问题。漏水部位主要 集中在烟道的斜管段下沿部位( 如图2 2 中8 所示) 。近几年来漏水问题越来越 严重，每次停炉后，都要对漏点进行焊补。 2 3 烟罩管道失效分析 在2 0 0 0 年投入使用的且使用2 年后材质为2 0 g 的转炉移动烟罩二段上部 下沿部位( 如图2 2 中8 所示) ，切下爆管后的残片，用以观察并研究其失效原 因。 2 3 1 冷却水管残片宏观形貌特征 对所截取转炉烟罩上失效水管进行 宏观检查，肉眼观察到：正对烟气的管 子外层中间部位大部分呈黑色，局部表 面有一层很薄的红褐色物质，如图2 3 所示，表面一段( a 段) 沿轴向呈波浪 形，在有些波谷底有较为粗大的横向裂 纹，在两侧，波纹状起伏突然消失，由 于波浪起伏的存在，管子的厚度并不均 1 2 1 一a 段外表面粗大裂纹；2 一b 段外表 面细小裂纹；3 一内表面细小横向裂纹 图2 3 转炉移动烟罩水管结构示意图 武汉理工大学硕士学位论文 匀，最厚处达到6 r a m 另一段( b 段) 表面圆整，但上面分布着较多的横向细 小裂纹，该段管子厚度较为均匀，为3 5 m m 。管子内表面呈红褐色，内表面中 央部分分布有较多的横向细小裂纹，两侧则无裂纹存在，同时管予内侧有垢状 物质脱落后的断层痕迹。而未曾使用的新管壁厚均匀，内外表面圆整，且均无 氧化物附着。 2 3 2 冷却水管残片微观分析 在a 段和b 段分别取样，得试样1 和试样2 。两试样在腐蚀后，均可发现 清晰的分层现象，分层处到内壁表面距离大致相等，在1 0 0 倍的金相显微镜下， 可观察到分层处两侧的晶粒大小差别较大，向火侧晶粒大小约为向水侧晶粒的 3 4 倍。试样l 向水侧( 靠近水的一侧) 晶界清晰，晶粒为非等轴晶粒，在大 晶粒之间夹杂着放多小品粒( 如图2 - 4 ( a ) ) ；而向火侧( 靠近烟气的一侧) 的 晶界模糊( 如图2 - 4 ( b ) ) ；在5 0 0 倍的金相显微镜下可发现向水侧晶界处夹杂 物分散分布，而向火侧晶界处聚集有大量的夹杂物，夹杂物在晶界处星链状存 分布( 如图2 4 ( c ) ( d ) 所示) 。 ( a ) 向水侧金相组织( 1 0 0 )( b ) 向火侧金相组织( 1 0 0 ) k ) 向水侧金相组织( 5 0 0 )( d ) 向火侧金相组织( x5 0 0 ) 图2 - 4 试样1 金相组织 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( a ) 向水侧裂纹( 1 0 0 )( b ) 向火侧裂纹( 2 0 0 ) 图2 5 试样2 裂纹处金相图片 ( a ) ( 1 0 0 )( b ) ( 5 0 0 ) 图2 - 62 0 g 新管金相图 试样2 内外侧的晶界均较清晰，其向水侧晶粒大小与试样1 基本相同，但 其向火侧的晶粒则比试样1 要稍小。同时，在试样2 上发现了沿晶裂纹的存在 ( 如图2 5 所示) 。 与新的2 0 g 钢管( 如图2 - 6 所示) 相比，使用后的烟罩水管晶粒明显长大， 但在分层处两侧的晶粒长大幅度不同，根据y b t5 1 4 8 1 9 9 3 金属平