高炉炉壳延长一代炉龄研究介绍.doc

宝钢1BF炉壳延长一代炉龄研究回顾和设想作者：上海宝冶工程技术公司 卢 静提要：本文是老文新发，一是完成考核任务，二是想提点建议为宝冶建设产业献策供有关领导参考。一、概况： 宝钢1高炉始建于一九七八年，一九八五年九月建成并点火投产，一九九六年三月停炉大修。按国内贯例大修的定义基本上将高炉主要结构更新或加固，尤其是炉壳上部承受高的温段，大多数厂家是采取拆除更新。宝钢1高炉大修打破传统的做法，对高炉整体进行全过程的调查试验测试分析后得出结论。炉壳结构性能满足第二代炉龄要求，不需要更新。就是说1高炉炉壳钢板还可以使用10年以上。 宝钢1高炉全套设备是从日本引进的。高炉容积为4036 m3，是世界最大高炉之一，设计年产铁300万吨，大修前止已产铁3000多万吨，炉壳钢板总重量400多吨。钢板材质是以日本SM50B为主体，板厚从45 mm90 mm不等。焊接方法有丝极电渣焊、熔咀电渣焊、手工电弧焊三种，制造安装质量是当时世界上最高水平。 4036 m3大高炉，设备繁多，对炉壳影响的因素众多复杂。能以科学的、准确的作出炉壳还可以使用10年以上。它的构思是一个大胆且具有很大的风险性。 高炉大修的日期已确定，如果炉壳更新其准备工作是大量的。定货、制造、安装一系列工作都要在二年前确定下来，否则将直接影响高炉的按期出铁，事关重大。二、研究方案及检测试验项目： 1. 研究方案：以失效学理论为依据设计研究方案。高炉炉壳失效主要模型为裂纹形成裂纹扩展炉壳崩裂。裂纹是合成应力作用的结果，炉壳合成应力中份量最大的是炉壳温度不均匀造成的热应力，此外，合成应力的大小不断地变化着，属于循环应力中变幅波动拉伸应力。因此，高炉炉壳裂纹主要是循环应力导致的疲劳裂纹，这是研究的内容之一；研究内容之二是长期工作在室温以上（某些发红区温度可达到材料相变温度）的炉壳材料本身组织结构和性能变化。根据失效分析一般思路，1BF炉壳评估的分析框图如下： 查明炉壳广义 以循环应力疲劳 查明炉壳材服役 应力包括应力、 破坏作为失效主， 8年后的组织和 温度、腐蚀环境 要模式，疲劳计 性能及今后的变 算判据 化预测 评估意见 根据框图，确定课题组从两方面展开检测和试验，一方面通过现场测试与计算，掌握炉壳表面温度、应力、炉体变形等广义应力数据。另一方面研究材料现状和发展趋势，包括通过不损伤检测，了解材料表面和内部缺陷、壁厚、硬度变化、腐蚀情况以及通过微损伤套料取样进行材料组织结构、机械性能与断口、疲劳强度、应变时效等试验。此外，还进行了影响炉壳利用的基础砼强度测试。在上述两方面检测和试验结果基础上，进行讨论、研究以形成评估意见。具体检测，试验项目如下： 2. 检测、试验项目： 查明炉壳广义应力部分有：. 宝钢1高炉本体炉皮调查报告. 宝钢 1BF 炉壳残余应力测试. 宝钢 1BF 炉壳工作应力测试. 宝钢 1BF 炉壳外表面温度测试. 宝钢 1BF 炉壳变形测试. 宝钢 1BF 炉壳工作特性测试. 宝钢 1BF 炉壳计算分析 查明炉壳材料服役8年后的现状及预测今后变化的部分有：. 宝钢 1BF 炉壳无损探伤测试. 宝钢 1BF 炉壳壁厚测试. 宝钢 1BF 炉壳硬度测试 . 宝钢 1BF 炉壳机械性能测试. 宝钢 1BF 炉壳金相测试. 宝钢 1BF 炉壳断口测试. 宝钢 1BF 炉壳化学分析. 宝钢 1BF 炉壳腐蚀情况调查. 宝钢 1BF 炉壳应变时效试验. 宝钢 1BF 炉壳材料疲劳试验. 宝钢 1BF 炉壳基础砼强度测试 此外，还介绍了高炉炉壳取样方法及设备。三、测试结果及综合分析：1. 广义应力状况： 用盲孔法实测了1BF休风状态炉壳不同部位上12个点的应力，最大拉伸主应力点在风口处，达206.3 Mpa，其次在CP3818为177.8 MaP，送风后的拉伸主应力在风口处达70 MPa，由于两者测点不重叠，主应力方向不一致，不应叠加。此实测应力与有限元法计算应力有较好对应性，有限元法计算最大应力也在风口区，环向应力为202 MPa。 测得炉体最大变形为直径方向14 mm（比设计轮廓凹过14 mm）。 测得基础砼平均强度为39.9 Mpa，为设计标号C25的1.59倍，未发现有害裂缝及破损。 1993年2月测量炉壳温度，仅在39段315处的温度为215，其余都在124以下。 以上结果说明1BF投产8年后，由于管理维护措施得当，炉役后期发生的发红区已被遏制，炉壳的温度与应力基本上在正常范围内。 2. 炉壳材料现状及变化趋势： 研究内容分炉壳表面不损伤检验与微损伤取样检验。原则之一是尽可能扩大不损伤检验部位，尤其是发红区，但是在不停产情况下，利用五次定修时间所能检验的范围，毕竟只占炉壳表面积的一小部分；原则之二是尽可能少取样，取小样，对炉壳强度损伤尽量小，因此共钻取30*50mm样品3个，122*50mm样品2个，在这些样品上精心排样，切取试样进行拉力、冲击、疲劳、应变时效及化学分析、金相、硬度等试验。因为样品少，某些试验在试样尺寸、取样位置等方面不能完全按规范要求操作，如拉力试棒未按规定取自厚度中心。(1) 炉壳材料现状： 检验结果表明1BF炉壳钢板使用8年后，材质未发生明显劣化，即使在发过红的部位也如此。概述如下： 表面与内部无损探伤未发现表面和内部裂纹，内部有个别1 mm平底孔当量的缺陷系钢板原有缺陷且在钢板出厂标准范围内，金相检验未发现显微裂纹。炉壳测厚未发现钢板因磨损变薄，相反略有增厚，与钢板标称厚度比较，增厚率一般在2以下，个别发红区超过3，由于没有钢板原始厚度数据，无法确定真实增厚率，如按JISG3193厚度4063 mm，宽度20002500 mm钢板的厚度公差为1.0 mm，也就是说，最大正公差钢板与标称厚度相比就相差2。钢板增厚是材料塑性变形的结果，增厚到某个临界值以后可能产生裂纹，有资料说厚度40 mm炉壳临界增厚率是8。腐蚀调查未发现炉壳钢板有腐蚀损伤。钢板成份符合JISG3106的SM50B标准，组织结构基本上厚于一般热轧钢板正常的珠光体加铁素体组织。虽然S、P很低但断口中可见到条带状硫化锰及粒状氧化铝夹杂物，说明与一般厚钢板一样，难免存在偏析及成份组织不均匀性。正常区和发红区的冲击韧性符合JISG3106的SM50B标准，但断口由韧断与少量解理区两部分组成。拉力试验各项指标中，正常区全部符合标准，发红区塑性指标中的伸长率经过换算为19.533%，（因试样种类不一样，按我国YB408092钢的伸长率换算标准进行换算）比JISG3106标准中SM50B的23稍低。但是应当注意到两点： . 拉力试样取自炉壳钢板外表层，按照标准应该取自钢板中心。 . 反映材料塑性的另一指标断面收缩率74，说明材料可承受大量局部集中塑性变形。有人认为在塑性指标中，采用断面收缩率比采用伸长率更为合理。 拉力试验与冲击试验数据一般供静载条件计算之用，在本报告的研究方案评估分析图中已经阐明，高炉失效模式应该以疲劳计算作为安全计算准则，疲劳试验得到10-7疲劳极限n在正常区为265.1 Mpa，发红区为253.3 Mpa。疲劳应力以实测和有限元计算的最大应力风口区应力206 Mpa作为动载平均应力6 m，计算得到许用应力幅6在正常区为127 Mpa，发红区为89 Mpa，根据2BF长期测量数据，应力幅仅为38 Mpa，因此疲劳计算是安全的。(2) 炉壳材料变化趋势： 前提条件与模拟试验： 前提条件：现在起到1995年3月停车的1年半中，炉壳温度保持着现状，不超过250，大修后炉壳管理维护水准不低于第一炉役，即前68年中炉壳不发红，后46年中做到一发红及时采取第一炉役中总结出来的有效措施，遏制发红区。这个前提条件也是模拟试验的温度参数。应力参数选定炉壳最大应力200 Mpa，从发红区样品上切取试样进行应变时效试验，虽然SM50B属于时效倾向不敏感钢种，但是弄清楚在1BF具体的温度与应力条件下，其组织结构与性能是如何随着时间而变化的，对于预测和评估第二炉役的安全十分重要。试验时间分别为6、200、600、1400、2100与3500小时，虽然第二炉役时间长达100000小时，但是长达3500小时的试验中，从冲击韧性及断口形貌变化中已经展示了从时效初期、时效高峰到过时效的基本规律，如图2所。试样原始态kv163 J/cm*cm，6小时后升高（相重新溶入），以后略有下降（C.N原子集聚、析出），3500小时后有较明显提高（析出相长大），表征时效过程进入了过时效阶段，kv达到163 J/cm*cm。断口从原始态的韧断和部分解理断转变为全韧窝型。按照时效机构学理论，过时效后材料组织与性能变化趋于稳定，因此，长达3500小时的应变时效试验可以用来预测炉壳钢板在第二炉役中的表现。这里也可以展开说明一下，如果在今后使用中温度低于250，那末时效过程将进行更加缓慢，要更长的时间才达到本试验3500小时的结果。同样，在炉壳上应力值低于200 Mpa的部位时效过程也进行得更加缓慢。 炉壳材料变化趋势分析： 1BF炉壳在第二炉役中如果满足上述前提条件，则排除了蠕变损坏和大量塑性变形直至开裂损坏的因素，可着重考虑防止疲劳破坏失效。应变时效试验表明，在250温度以下长期工作材质不会有明显变化。四、1BF炉壳延长一代炉役期评估意见： 1. 如果到原地大修前以及大修后在第二炉役中，通过加强炉壳管理维护，使炉壳温度基本上在250以下，第二炉役后期一俟出现发红及时采取措施，控制和遏制发红区，则整个炉壳可以延长一代炉役期，理由如下： 正常区的组织结构、性能基本上与正常钢板一样，冲击韧性稍低，但仍高于标准，断口有部分解理，这与时效过程有关，应变时效试验已展示了时效过程，结果是趋向于性能稳定。因此，根据安全评估的通则和经验，并考虑到价值工程原则，正常区钢板宜继续使用；发红区钢板除了伸长率稍低外，其它指标与正常区非常接近，冲击韧 400 300k（J/cm*cm） 200 100 0 1000 2000 3000 4000 t（hrs）,T=250图2 250，200Mpa长期应变时效后发红区试样冲击韧性变化规律性还稍高于正常区，对于伸长率问题除前文中已作的分析外，再补充一个试验结果，就是取自发红区钢板内层试样，在应力为200 Mpa，温度250，经过3300小时后，伸长率换算为35，说明发红区材料经过回火可提高伸长率，因此发红区域钢板也可继续使用。 2. 一九九六年三月停炉大修中，对炉壳材料机械性能、热处理参数选择、炉壳钢板厚度、炉壳钢板硬度、炉壳焊接接头缺陷检测作了进一步的试验，其结果与两年前评估结果重复性较好，保证宝钢1高炉大修的顺利进行。换与不换对大修工期影响最大，初步测算最少节约30天工期，直接节约材料费、制造费、安装费、拆除费近千万元，得到宝钢领导的充分肯定。根据国际互联网检索，此种方法是首创。五续语该文完成于1996年12月到2008年12月共十二年。宝钢