（机械工程专业论文）本钢180吨转炉余热锅炉冷却水管失效机理及防治研究.pdf

大连理t 大学专业学位硕士学位论文 摘要 本钢1 8 0 吨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。炉口固定段、可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，研究烟罩水管新型 防护热喷涂涂层，并通过试验对涂层的性能进行了研究，以期能延缓、控制劣化的发展， 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。 通过金相显微镜、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，烟罩冷却水管因受热不均匀而产生热应力，热应力的作用使 烟罩冷却水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，采用了三种镍铬基金属涂层，并通过亚音速火焰喷涂制备了涂层。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 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 s t u d y o nf a i l u r em e c h n a i s m sa n dp r e v e n t i o no nt h eb e n x is t e e lc o 18 0 t o n c o n v e r t o rc o o l i n gp i p eo ft h ew a s t eh e a tb o i l e r a b s t r a c t b e n x ii r o na n ds t e e l18 0t o n so fc o n v e r t e rh o o d sa r ei nt h ep r o c e s so fc o n v e r t e r s t e e l m a k i n g ，o n eo f t h em a i ne q u i p m e n t , c o n v e r t e rf l u ev a p o r i z e dc o o l i n go p e r a t i n gc o n d i t i o n s w i t ht h ec o n v e r t e r s m e l t i n gp r o c e s sa n dt h ec y c l i c a ln a t u r eo fr a p i d l yc h a n g i n g h a r s h o p e r a t i n gc o n d i t i o n so ft h ef l u el i f es e r i o u s l yh a r mt h ep e r f o r m a n c eo ft h eh o o d sb u r s tw a t e r p i p el e a k s f u r n a c em o u t hf i x e ds e c t i o na n dm o v a b l eh o o d so p e r a t i n gc o n d i t i o n se v e nw o r s e ， t h e i rl i f ee x p e c t a n c yi so n l yay e a ro rs o ，a n dt h el i f eo fah i g ha c c i d e n tr a t ed u r i n gt h er e g u l a r m a i n t e n a n c e ，h a ss e r i o u s l ya f f e c t e dt h en o r m a li r o na n ds t e e lp r o d u c t i o n , c a u s i n gs i g n i f i c a n t e c o n o m i cl o s s e s i nt h i sp a p e r ，t h ec o o l i n gp i p ef a i l u r em e c h a n i s ma st h eb a s i st os t u d yt h e h o o d so fn e w p r o t e c t i v et h e r m a ls p r a yc o a t i n gp i p e ，a n dt h r o u g ht e s t so nt h ec o a t i n gp r o p e r t i e s w e r es t u d i e dw i t hav i e wt od e l a ya n dc o n t r o lt h ed e v e l o p m e n to fd e t e r i o r a t i o n t os u c c e s s f u l l y s o l v et h ec o n v e r t e rh o o d ss q u i bt h i sm a j o rt e c h n i c a lp r o b l e m s ，t oe x t e n dt h el i f eo fc o n v e r t e r m o b i l eh o o d s t h r o u g h t h eo p t i c a l m i c r o s c o p e ，e l e c t r o nm i c r o p r o b ea n d o t h e re q u i p m e n tt ot h ec o n v e r t e r m o b i l eh o o da n a l y s i st od e t e r m i n et h er e a s o nf o rt h eh o o dt u b ef a i l u r e ：i nt h ec a s eo f o v e r - t e m p e r a t u r es e r v i c e ，h o o d su n e v e nc o o l i n gp i p eh e a tg e n e r a t e dd u et oh e a ts t r e s s h e a tt h e r o l eo fs t r e s ss ot h a th o r i z o n t a lh o o ds u r f a c eo ft h e c o o l i n gw a t e rp i p ec r a c k s 。o x y g e n p e n e t r a t i o na l o n gt h ec r a c k , s ot h a ti n t e n s i t yc h a n g e sa tl o wc r a c k ，c r a c kc a l lb ef u r t h e r e x p a n d e d ，e v e n t u a l l yl e a d i n gt op i p ec o u l dn o tw i t h s t a n dt h ep r e s s u r eo ft h ew a t e rp i p e sb u r s t f a i l u r em e c h a n i s mu n d e rt h ew a t e r ，c o a t i n gt h ew o r k p i e c ec o n d i t i o n s ，t h eu s eo fc o a t i n g p e r f o r m a n c e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，p r o c e s sp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ，u s i n gt h r e ek i n d so f n i c k e l 。c h r o m i u mb a s em e t a lc o a t i n ga n d ，t h r o u g hs u b s o n i cf l a m e s p r a y i n gt h ec o a t i n g t h r o u g ht h et e s tc o a t i n gh i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o n ，h i l g ht e m p e r a t u r ec o r r o s i o n ，e r o s i o n w e a r ，c o a t i n ga d h e s i o ns t r e n g t h ，c o a t i n gh a r d n e s s ，c o a t i n gt h e r m a lc y c l i n ga n dt h e r m a ls h o c k r e s i s t a n c ea n do t h e rp r o p e r t i e sw e r es t u d i e d ，b u ta l s ot h eu s eo fc o a t i n gp e r f o r m a n c ea n d b o i l e rt u b e sc o m m o nm a t e r i a l s2 0 g c o m p a r e dw i t ht h ec o r r e s p o n d i n gp e r f o r m a n c e o nt h i s b a s i s ，t h r o u g hm e t a l l o g r a p h i co b s e r v a t i o n , s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ea n de l e c t r o n m i c r o p r o b ea n a l y s i so ft h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ec o a t i n gs t r u c t u r ea n de l e m e n td i s t r i b u t i o n w e r ea n a l y z e dt o e x p l o r et h ec o a t i n gh 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 n m e c h a n i s m 一i i 大连理工大学专业学位硕+ 学位论文 i n t e g r a t e dt h er e s u l t so fe a c ht e s tt od e t e r m i n et h en i c r 一3c o a t i n g sa l et h r e ek i n d so f c o a t i n g ，t h eb e s to v e r a l lp e r f o r m a n c eo fac o a t i n g ，a n di t h a sah i g h e rb o n d i n gs t r e n g t h ， e x c e l l e n tr e s i s t a n c et ot h e r m a lc y c l ea n dt h e r m a ls h o c kr e s i s t a n c e 、航t hac e r t a i nd e g r e eo fo f a n t i e r o s i o nc a p a c i t yo fs m a l la n g l e ，a n dt h ec o a t i n gh a se 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 n r e s i s t a n c ea n dr e s i s t a n c et oh i 曲t e m p e r a t u r eh e a tr e s i s t a n c e ；t h es a m et i m e ，c o n s u m p t i o no f m a t e r i a l sp r e p a r e db yc o m i n gas m a l la m o u n to fp r e p a r a t i o ns i m p l ea n dc a l lb eo n - s i t e c o n s t r u c t i o n ，i sak i n do fc o n v e r t e rh o o d sf o rt h ee c o n o m ye a s yo p e r a t i o na n de x c e l l e n t p e r f o r m a n c eo ft h ep r o t e c t i v ec o a t i n g k e y w o r d s ：c o n v e r t e rh o o d s ；c o o l i n gw a t e rp i p e ；f a i l u r em e c h a n i s m ；c o m i n g - 1 1 1 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：奎钢! 墨q ! 虫鳖煌金热锅烂猃塑丞篮塞效扭理区陵渔珏究 作者签名： 笺盏逸础一一一日期：4 年生月上日 大连理工大学硕十学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：奎鲴! 墨q 吐蓥烂金热锅嫂整塑丞篮失效扭理及陵渔珏究 作者签名： 茎警趔到日期：竺j 年l 月j 卫日 导师签名：重筮日期：竺兰年丝月上日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1引言 1 1 课题提出的背景及研究的意义 吹氧转炉炼钢是本钢主要的炼钢方法。1 9 7 4 年以来，本钢炼钢厂有3 台转炉，年钢 产量为2 0 0 万吨。转炉自动化改造后，年钢产量达到4 3 0 万吨。2 0 0 4 年至2 0 0 6 年，我 厂陆续新建了4 群、5 拌、6 ：j f i 转炉，到2 0 0 6 年炼钢厂的钢产量达到6 0 0 万吨，并且钢产量 逐年提高，预计到2 0 1 0 年钢产量达到1 0 0 0 万吨。 转炉余热锅炉是一种烟道式余热锅炉，余热锅炉的余热锅炉在恶劣的工况下工作， 很容易发生爆管事故。目前，每台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，少则1 0 多吨4 , 时，多则8 0 9 0 吨d , 时，使生产 经常中断，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、补焊的 进行费用，一台1 8 0 吨转炉因爆管停产一次所造成的钢铁生产损失就可达5 0 万元。到 2 0 0 6 年，我厂共有6 座转炉。因此，对余热锅炉余热锅炉进行防护的需求日益迫切。 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10 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i l - 4 j 。 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【l 2 4 1 。 转炉余热锅炉也称烟道式余热锅炉，是炼钢车间和动力车间主要设备之一，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 现为余热锅炉水管爆裂漏水。目前，转炉烟道的使用寿命很短，上段烟道的平均寿命为 3 年左右，下段烟道的寿命为2 年，炉口固定段、可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【5 】。通过对余热锅炉冷却水管失效研 究并且防治，可以提高余热锅炉的使用寿命，上部烟道的平均寿命可以达到5 年左右， 本钢18 0 吨转炉余热锅炉冷却水管失效机理及防治研究 下部烟道可以达到4 年左右，可移动烟罩的使用寿命可以达到3 年左右，炉口固定段的 使用寿命可以达到2 年。同时在使用寿命期内的故障率可以大大降低，同时，减少故障 处理时间，并且可以在使用寿命中末期利用生产间歇时间进行修补，延缓余热锅炉的劣 化速度。 1 2 转炉余热锅炉冷却水管失效原因 目前研究认为余热锅炉冷却水管爆管的原因有： ( 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【5 - 7 】。 ( 2 ) 由于转炉冶炼工艺操作的周期性，吹氧时烟气总量处于最大，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1 1 , 5 - 1 1 j 。 ( 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。对于余热锅炉斜管段的下沿，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 2 16 】。 ( 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 。 烟气在余热锅炉中流动时，粉尘与受热面管子产生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【5 7 1 。 ( 5 ) 由于目前本钢炼钢厂采用溅渣护炉工艺，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余热锅炉上，对余热锅炉造成冲击，并在余热锅炉 上产生挂渣现象，因此余热锅炉易产生麻点和穿孔，热疲劳裂纹也增多。同时，在检修 大连理工大学专业学位硕士学位论文 时，有时要敲掉余热锅炉上的钢渣，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【5 1 7 ，1 引。 ( 6 ) 由于本钢炼钢厂的余热锅炉结渣非常严重，当结渣到一定程度后，就要自然脱 落，钢渣冲击到可移动余热锅炉冷却水管上造成水管损伤或用氧气轰打炉口固定段上的 余热锅炉铁，致使余热锅炉冷却水管破裂漏水。 1 3国内外对转炉余热锅炉的防护措施 1 3 1国内对转炉余热锅炉的防护措施及其局限 目前，国内在转炉余热锅炉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： 1 改善转炉余热锅炉的结构，增大受热面，减小热负荷【5 矗1 3 】( 本钢4 # 、5 ：f 、6 群 转炉已采用) 。 2 改善移动余热锅炉的水循环，使余热锅炉受热均匀f 5 6 1 3 ，1 51 8 】( 本钢4 拌、5 存、 6 # 转炉采用节流孔来保证每段1 9 2 根冷却水管的水量都均等) 。 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【l l j ( 本钢1 6 群炉 均已采用除盐水) 。 4 提高焊接质量，减少焊接缺陷【2 0 】。 5 整体去应力退火【6 。 6 更换水冷壁管的材料，采用c r m o 钢等制造水冷壁剖1 9 1 。 7 在余热锅炉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1 6 2 1 t2 3 】 o 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余热锅炉的寿命，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，使得余热锅炉的寿命不能得到很大程度上的提高。 1 余热锅炉的结构决定了余热锅炉的斜段是必然存在的。而在余热锅炉的斜段在工 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 余热锅炉斜段的局部区域必然会在高温工况下工作。事实也说明：余热锅炉斜段下部、炉 口固定段和可移动烟罩也是余热锅炉爆管事故发生最多的部位。 2 余热锅炉在高温烟气下受到烟尘的冲蚀是不可避免的。通常认为冲蚀是余热锅炉 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 本钢18 0 吨转炉余热锅炉冷却水管失效机理及防治研究 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。 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余热锅炉上， 增加余热锅炉的厚度，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余热锅炉上的应用研究，但一直没有得到大面 积的推广。目前，转炉余热锅炉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 上提高了余热锅炉的使用寿命，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余热锅炉管表面防护中正 在得到逐步的应用【l 引。但涂层只能在良好的环境下进行，在生产间歇期间，没有应用。 1 3 2国外对转炉余热锅炉的防护措施 美国的绝大多数余热锅炉都使用管一膜板一管结构，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：裂纹是最常见的余热锅炉故障( 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余热锅炉修理方式，但更换余热锅炉鳍片 管组也相当普遍。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【3 7 。 在早期堆焊只是作为一种暂时的、包扎式的修理而应用在余热锅炉上，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。19 9 4 年美国中西部一座钢厂，对其氧气 顶吹转炉余热锅炉的“y 型接头堆焊了c 2 2 ( 一种镍基合金n i 2 2 c r 0 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 叫i 2 1 c r 9 m o 3 5 n b ) 以及马氏体不锈钢4 2 0 s s ( f e 1 3 c r 0 2 c ) 对转炉余热 锅炉进行堆焊，在使用1 0 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 术进行了大面积的余热锅炉堆焊保护，绝大多数都是采用合金6 2 5 ，调查表明，所有这 些堆焊过的余热锅炉在运行近两年后都状况良好。 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备一层 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。目前对转炉余热锅炉的防 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 l 】。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 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备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。 h ) 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。 ( 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 本钢18 0 吨转炉余热锅炉冷却水管失效机理及防治研究 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，它己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己经 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 比重日益增长。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，己用于 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、 日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 ) 就尝试用火焰喷涂金属涂层体系一 n 认l 粘结底层18 8 不锈钢a l 甜s i 封孔剂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。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验，他们以等离子喷涂舢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 2 2 c r 6 a 1 合金，制备出具有较高结合强度和低的孔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。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，已用于燃烧锅炉、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，显著降低了涂层的孔隙率，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【30 了m 。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o 1 毫米年，多数情况下可连 大连理工大学专业学位硕+ 学位论文 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0 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和方法 本论文的主要工作研究内容和方法包括以下几个方面： ( 1 ) 利用金相分析等技术对爆裂水管的残片进行分析，确定转炉余热锅炉水冷壁管 爆管失效的原因。 ( 2 ) 根据失效原因，制定防治方法，采取防治措施，厄制目前余热日益恶化的爆管 趋势，延长转炉余热锅炉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。 ( 3 ) 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余热锅炉进行 有效保护的涂层材料。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 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 炉移动余热锅炉的失效问题。 ( 6 ) 在生产间歇的现场条件，对余热锅炉冷却水管采取喷涂的防治研究 ( 7 ) 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。 本钢18 0 吨转炉余热锅炉冷却水管失效机理及防治研究 2 转炉余热锅炉冷却水管的失效分析 2 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。其 作用是将燃料燃烧释放出的热量供“锅吸收f 2 酬。 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 1 锅筒2 下降管3 下集箱 4 上升管5 上集箱6 汽水引出管 图2 1锅炉简单循环回路 f i g 2 1 t h es i m p l ec i r c l el o o pb o i l e r 根的管子而是并联工作的管组，上升管汇集于上集箱，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 大连理t 大学专业学位硕十学位论文 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i 巧j 。 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。转炉余热 锅炉就是一种烟道式余热锅炉。 2 2 转炉余热锅炉的结构与作用 本钢炼钢厂现有六座1 8 0 吨的顶底复吹氧气转炉。1 3 群转炉于1 9 7 4 年投产，4 6 撑 转炉于2 0 0 4 年陆续投产。1 3 撑1 8 0 t 转炉的余热锅炉系统是哈尔滨锅炉厂制造的，4 6 # 1 8 0 转炉是张家港锅炉厂制造的。1 3 舟余热锅炉是自然循环锅炉，4 甜余热锅炉是强制水循 环类锅炉，而且4 6 拌余热锅炉采用先进的转炉烟道汽化冷却技术。余热锅炉由裙罩、移 动余热锅炉、固定余热锅炉及尾部烟道组成( 其结构如图2 2 所示) 。余热锅炉的主要 作用 本钢18 0 吨转炉余热锅炉冷却水管失效机理及防治研究 1 活动余热锅炉2 炉口固定余热锅炉3 可移动余热锅炉4 氧副枪口 5 、6 余热锅炉中一、二段7 弯曲段8 余热锅炉爆管严重部位 图2 2 转炉余热锅炉结构图 f i g 2 2 t h ec o n s t r u c t i o nd r a w i n go f t h ec o n v e r t e r - b o i l e r 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 供各厂使用转炉可移动余热锅炉由1 9 2 根中3 8 5 的钢管和扁钢焊成，炉口固定余热锅 炉由1 9 2 根中3 8 5 的钢管和扁钢焊成，。由于环保及冶炼的需要，裙罩被设计为上下移 动式；而为了进行吹氧和加料，可移动烟罩上还设置有氧枪口、副枪口和加料溜槽等； 斜段及弯曲段烟道后接有洗涤、除尘和煤气回收设备。根据转炉烟道和余热锅炉的结构 特点及运行工况，转炉余热锅炉被分为两个独立的单元，分别采用了不同的循环方式。 可移动余热锅炉、炉口固定余热锅炉和尾部烟道采用高压强制循环方式，而活动余热锅 炉为低压强制循环方式，氧枪套、副枪套、下料溜槽采用中压水强制冷却。整个余热锅 炉的高压循环系统由3 根下降管和4 根上升管通过汽包连接。余热锅炉位于转炉炉口的 上方，尾部与除尘设备连接。既保证了转炉生产的安全性，提高了烟道和余热锅炉的工 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。 大连理工大学专业学何硕十学位论文 2 余热锅炉主要特性参数 余热锅炉的主要特性参数主要是指：余热锅炉炉口工作温度、余热锅炉出口排烟温 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、高压下余热锅炉工质水最高工作温度、低压系统工作压力、低压下 余热锅炉工质水最高工作温度。各参数的值如表2 2 。 表2 2 余热锅炉主要特性参数 t a b 2 2t h ew a s t eh e a tb o i l e rm a i n 3 转炉余热锅炉工作环境及出现问题 转炉余热锅炉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余热锅炉经常爆管，详细情况请参阅1 2 节。3 台余热 锅炉投入使用后，余热锅炉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 炉口固定余热锅炉下沿、可移动余热锅炉和余热锅炉斜段下沿部位( 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，甚至管路更换。 2 4 余热锅炉管道失效分析 在2 0 0 4 年投入使用的且使用2 年后材质为2 0 g 的转炉炉口固定段、可移动烟罩和 本钢18 0 吨转炉余热锅炉冷却水管失效机理及防治研究 余热锅炉斜段下部位( 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 4 1冷却水管残片宏观形貌特征 对所截取转炉余热锅炉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 1 a 段外表面粗大裂纹2 - 1 3 段外表细小裂纹 3 内表面细小横向裂纹4 - 新管剖面 图2 3 转炉余热锅炉水管结构示意图 f i g 2 3 t h es t r u c t u r es c h e m a t i cd i a g r a mo f c o n v e