安工大胡源申2012冶金工艺年会梅钢耐热铸铁高炉冷却壁解剖研究

梅钢耐热铸铁高炉冷却壁及扁水箱解剖研究

胡源申岳海峰张文明李辽沙

（安徽工业大学冶金学院马鞍山243002）

蔡善咏金明李晓松韩宏松

（宝钢梅钢公司）摘要：对使用开路循环水、预处理循环水、软水密闭、纯水密闭四种冷却水质和循环方式，使用灰铸铁、球墨铸铁、耐热铸铁、铸钢和铜五种材质的一代服役后高炉冷却壁进行了系统解剖研究。分析比较了不同材质冷却壁的力学性能、导热性能、抗结垢性能、易加工性能和经济性能，揭示了铁基材质冷却壁的微观破损机理和壁内水管的成垢机制。梅山1250m3级别的高炉本体冷却系统，采用的箱壁结合结构几经实践，已探索出较为定型的炉身下部采用炭捣小冷却壁加钢板冲压焊接扁水箱的复合结构，中部为钢板冲压方水箱，冷却壁进水管与炉壳连接处采用钢板冲压的碗型封板，炉腰段采用U型管加冷却板设计。如图1。几代的高炉生产实践都表明，这些基本设计使用中冷却器一代服役的破损率均较低，证明它对高炉长寿的作用是积极的。图1梅钢1250m3级高炉炉腰以上的冷却器设置示意23号高炉的长寿实绩以及第一代炉役炉衬冷却系统设置使用情况梅钢3号高炉有效容积为1250m3,第一代炉役自1995年12月16日点火投产，至2009年5月15日停炉。此间高炉共生产服役13年零6个月，共生产生铁1319.13万吨，单位炉容一代产铁10553吨。无论是高炉长寿的长度指标，还是强度指标，在国内大钢中均位于前列。已被2009年再版的《高炉设计——炼铁工艺设计理论与实践》一书作为长寿实绩突出的范例高炉载入记录。3号炉第一代炉役采用预处理循环水系统。炉缸以下及炉腹段全部使用HT150灰铸铁材质冷却壁，炉腰段使用U型管+冷却板冷却器设置，炉身中下部采取耐热铸铁炭捣冷却壁加扁水箱冷却器设置，炉身上部采用方水箱冷却器设置。炉衬除风口带采用高铝砖外，风口带以上各段均采用粘土砖砌筑。炉缸采用陶瓷杯，炉底两层陶瓷垫，以下为五层碳砖结构。全炉具有薄壁炉缸炉衬特点。3耐热铸铁材质冷却壁的解剖研究目的与方法3.1解剖研究的目的目前国内高炉冷却循环水使用按水质劣优顺序排列有四种方式。即开路冷却水、预处理循环水、软水密闭和纯水密闭循环。高炉冷却壁材质选用有灰铸铁、球墨铸铁、铸钢和纯铜四种。各种材质冷却壁服役中使用不同循环水质时的破损机理近些年通过研究均已分别搞清。但梅钢3号高炉炉身下部使用的碳捣冷却壁与上述不同的是，它选用的是含铬耐热铸铁材质。这种材质只是日本的高炉使用过。它的实际使用效果和破损机理等国内尚未系统总结研究过，故正为本文目的。图3解剖及取样方法示意4解剖研究过程的主要发现4.1耐热铸铁材质冷却壁解剖壁体热面形貌解剖冷却壁样冷面光滑平整。热面凸凹不平，粘有渣铁和焦碳粒混合物。热面燕尾槽内碳化硅捣打料基本完整，但左半部分铸体和碳捣料已蚀损，约占壁体二分之一厚度。壁内水管未见有外露和烧损情况。在热面沿长度方向有两条楔形裂缝，裂纹宽约12mm,固定螺栓周边也有明显裂缝出现。解剖前冷却壁热面形貌如图4。图46M龙门刨床上的耐热铸铁冷却壁解剖实体热面形貌4.2热面近渣层处及壁体内部的孔洞情况热面近渣层处壁体的微气孔较多，表现为质地疏松。这些微气孔的产生主要是壁体中的碳、硅、锰等元素氧化所致，其结果是下降壁体的机械力学性能，虽不好但不可避免。然而解剖过程中壁体热面刨面上可见孔洞并不多，是好的情况。这与课题组此前解剖过其它大钢灰铸铁、球墨铸铁和铸钢材质冷却壁的情况有明显不同。近热面和壁内孔洞主要为气孔和收缩孔，孔呈不规则圆形。切削中耐热铸铁的铸体质地均匀，燕尾槽内的碳化硅捣打料质地也很均匀。刨切过程发现有浇铸时漏入铸体的不明钢杂件。在热面就明显见到螺栓周边处有明显裂缝。毫无疑问，这些蚀损孔洞和铸造孔洞，以及浇铸时漏入的不明钢杂件和螺栓周边的热应力显裂缝对冷却壁的长寿服役都是极其有害的。如图5。图5解剖壁体中的孔洞及铸造时漏入的钢杂件

4.3解剖过程中的壁体显裂缝和微裂纹情况显裂缝见图6-1微裂纹见图6-2图注第六肋裂缝已见底，深度为70mm

图注刨下80mm后第二肋上的裂缝图注刨下100mm后第二肋上的裂纹消失

图注刨下120mm后第1肋上的裂缝仍存

4.4冷却壁体内的水管结垢及与铸体剥离情况冷却壁体内的水管结垢情况见下图7-1图注水管被刨切至1/3时形貌

图注水管内结垢全貌冷却壁体内的水管与铸体剥离情况图注水管端面与弯面与铸体剥离

图注水管直列面与铸体部分剥离4.5扁水箱内的结垢由于3号高炉第一代炉役服役中炉身下部的扁水箱破损量较大且进行了多次更换维护，故本研究工作中选取了炉身下部的一个扁水箱进行解剖。原扁水箱外形结构如图8所示。图8炉身下部扁水箱解剖实体外形结构示意切割开原扁水箱密闭上半部后的断面显示照片如图9所示。扁水箱空腔内集聚的褐色及锈红色的垢物几乎占满了空腔的1/3！垢物疏松已结成大块。在箱底部淤积的垢物较细较致密，质地也较坚硬。不难设想这种情况在整个炉身中下部的210个扁水箱内应普遍存在。它将大大降低传热效能，弱化冷却效果。由于扁水箱与180个耐热铸铁炭捣冷却壁结合使用，所以它也对上下设置的冷却壁端面冷却效果产生严重影响。3号高炉第一代服役中停炉前炉身中下部扁水箱损坏率达到了42.86%，而且期间还经过了几次更换维护。炭捣冷却壁相对炉腹炉缸的损坏率也较高，无疑都与此紧密相关。图注垢物积聚占空腔的1/3

图注结成大块的垢物待分析样品

图9扁水箱内垢物集聚及大块垢物待分析样产生上述现象的原因从扁水箱的内部结构设计图上可以得到明显结论，即物理成因和化学成因。物理成因是不合理的箱内冷却水通道结构，导致高流速冷却水从供水环管中进入扁水箱后水速骤减，从而造成了水流中的泥沙等悬浮物沉积，类似于江河入海时的成洲现象。化学成因则是冷却水与钢板材质中的铁元素发生氧化和电化学反应成锈为铁氧化物。物理和化学的两方面成因叠加，使得扁水箱内的垢物集聚变得十分严重。显然，对扁水箱的过水通道设计是需要立即改进的。5耐热铸铁材质冷却壁解剖研究的测试结果与分析5.1一代服役后壁体的力学性能测试与分析将解剖的耐热铸铁材质冷却壁按图3示意切割，制作成标准试样如图10。在材料试验机上做最大抗拉强度和延伸率、断面收缩率等力学性能指标测试的结果见表2。图10力学性能指标测试标准试样棒在铸铁中加入Cr、Ni等合金元素时，铸铁的氧化膜结构在原来的Fe2O层内可形成Fe2O·Cr2O3和FeO·NiO等尖晶石复杂化合物，它们质地致密，熔点增高，能在冷却壁热面形成连续分布的氧化膜，金属离子及氧离子难以通过它们向壁内扩散，故而铸铁的抗氧化劣化的能力能得到显著增强。此时壁体热面的氧化膜分为外部FeO层和内部FeYMxO层，M是Cr、Ni等合金元素，称为双层氧化膜。从3号高炉第一代炉役耐热铸铁材质冷却壁的实际使用效果来看，总体效果较灰铸铁和球墨铸铁要好，反映在一代服役时间较长，破损率相对较低；一代服役后的力学性能下降较低，蜕变较慢。但加入Cr、Ni等合金元素后也带来一定的负面影响，如延伸率在铁基材质冷却壁中最差，一代服役后仅为1.25，表现为壁体在服役中易发生开裂。与前述解剖壁体肋面多处有较宽的显裂缝完全吻合。5.3冷却壁热面形貌及元素积聚扫描分析结果5.3.1热面形貌清除热面表面渣层后扫描电镜(日本JSM-6490LV)结果如图11、12所示。热面形貌主要以氧化形貌为主，并伴有矿物夹杂，易见热面出现了许多微小孔洞，显然这是壁体中的C、Si、Mn等元素氧化后留出的空间。这些空间和微小空洞被高炉煤气再进入后，就会逐渐的再逐层与壁体内的元素继续发生氧化反应，从而劣化壁体。图11耐热铸铁材质冷却壁的热面形貌

图12热面表面上的氧化物及矿物颗粒5.3.2热面能谱分析能谱（美国thermosystem7）分析图12中的1、2、3、4点，其结果如图13：ImageName:Base(4)AcceleratingVoltage:15.0kVMagnification:500图13热面上的氧化物能谱分析结果扫描电镜和能谱分析结果表明，在热面表面的孔或缝内周边区域存在有大量的Fe、O和Cr、Al、Si、K等元素。与化学分析结果大部吻合。容易理解,这是壁体热面因Fe的熔损导致原铸体内该元素相对富集的结果,而且它们亦应有一部分被氧化进入炉渣。5.4壁体热面向冷面的金相组织、扫描电镜分析结果及壁体与水管界面的渗碳5.4.1热面向冷面垂直截面的组织分析结果从冷却壁热面垂直向下切取一块25X25X25的试样块（图14），用于金相显微镜（德国Zeiss）观察冷却壁热面向冷面的连续金相组织变化，得到的结果如图15所示。图中上部为热面，下部为冷面。垂直截面上中部的白色部分为一明显的脱碳层，呈铁素体组织。下部的灰色部分则呈珠光体组织。图14

用于扫描电镜和金相显微镜分析的壁体热面向冷面的垂直试样块图15热面向冷面的垂直截面金相组织形貌（金相显微镜50X）

进一步采用扫描电镜对试样块热面俯视放大，观测得到的结果见图16。易见热面上碳等元素被氧化脱除后留下了很多密布的微小空间和连续的气孔通道，由于脱碳铁素体量增加。继续用扫描电镜对图15垂直截面中下部正视放大，观测得到的结果如图17，易见在冷面处其组织仍为球化珠光体。图16垂直截面顶部脱碳后的热面形貌（扫描电镜）图17垂直截面下部的冷面珠光体形貌（扫描电镜）

5.4.2冷却壁铸体的金相组织切割解剖壁体中部一试样块，在金相显微镜下观察得到的壁体金相组织见下图18。容易看到，3号高炉第一代炉役使用的耐热铸铁冷却壁，虽含部分铬、镍元素，但其铸体的金相组织仍为珠光体基灰口铁性质。图18耐热铸铁冷却壁铸体的金相组织图19用于金相显微镜研究的壁体（金相显微镜50X）向水管界面渗碳的切块试样5.4.3冷却壁铸体向水管内的渗碳图20壁体与水管外壁界面的渗碳（金相显微镜50X）A—壁体B—壁体与水管外壁界面及渗碳层C—水管壁图21服役后冷却壁内水管壁体的金相组织为F+P（金相显微镜50X）5.5扁水箱内的垢物相分析结果5.5.1扁水箱内水垢积聚物的X射线衍射相分析结果对图9中所示取自扁水箱内的水垢，在常温下干燥并研磨至﹤74µm以下，采用四分法缩分，用德国D8AX射线衍射仪（Cu靶，40kV，40mA）进行相分析。结果如图22所示。图22扁水箱内水垢积聚物的X射线相分析衍射图图22表明垢物组成主要为Fe3O4＋Fe3O4＋SiO24＋Ca3Si2O7。铁氧化物中均主要为Fe3O4+α-FeO(OH)+γ-FeO(OH)组成，另有FeO、α-Fe2O3和部分α-SiO2、CaO、FeCO3、和CaCO3、Ca3Si2O7。α和γ相的水合铁FeO(OH)以及FeO

、α-Fe2O3居多，说明垢物应主要是钢质水管与冷却水之间发生的电化学反应导致，并伴有冷却水中泥砂悬浮物杂质。5.5.2扁水箱内水垢积聚物的X射线衍射定量分析结果进一步对水垢的化学相组成再进行X射线衍射定量分析，结果如图23所示（略）图23表明，垢物中的主要成分是SiO2，占57.4%，其它为氧化物，其中Fe2O3占40.5%，Fe3O4占2.1%。这也为本文4.5节中水垢积聚物的物理成因和化学成因分析提供了测试佐证。显然，SiO2主要是泥砂，来自水速骤减的物理成因。而铁氧化物只能来自化学成因，即钢制箱体中的铁元素与水或空气中的氧发生了电化学氧化反应。需要特别指出的是，虽然扁水箱内的水垢积聚物与冷却壁内水管壁上的坚硬结垢，其化学成分应该是有差别但也应该是有类似的。3号高炉第一代炉役炉身中下部扁水箱内的水垢积聚物的量较大，但冷却壁内水管壁上的结垢量却较少，只有在很特别的情况下才可能出现这样的结果。比如，扁水箱使用了未处理的开路循环水，而冷却壁使用了预处理循环水。或者是分两路供的水且水压相差很大。5.6冷却壁破损与水管内成垢的机理研究（有删略）5.6.1耐热铸铁材质冷却壁壁体破损的微观机理（略）5.6.2铁基材质冷却壁内水管成垢的微观机理铁基材质冷却壁目前均为铸造制作，壁内水管大多使用20号无缝钢管。国内对高炉冷却壁内水管结垢的成垢机理先前并没有深入研究，普遍误认为管内的垢物是钙镁盐类沉淀，因而为了避免管内成垢在冷却水质的改善上下了很多功夫。从开路循环水到预处理水，后来又发展到软水密闭循环，再后来包括宝钢在内，又使用纯水密闭循环。这样的冷却水循环系统投资和管理工作量都是很大的。本课题组近十多年通过对服役后冷却壁的解剖研究，发现不管使用何种水质，不管高炉容积大小，冷却壁经一代服役后，水管内的结垢都是不可避免的。而且垢物的主要组成并非钙镁盐类而主要是铁氧化物。成垢的机理主要是钢质水管与冷却水之间发生了电化学反应。这就从根本上揭示了铁基材质冷却壁内水管成垢的微观机理，为高炉冷却壁内水管的缓结垢改进技术开辟了新的道路，并提供了理论依据。换言之，高炉大修设计时选用软水甚至纯水这样一代投资量和管理量都很大的冷却水系统是否合理？是可以而且应当重新审视的！实验室模拟结垢实验、以及解剖研究一代服役后冷却壁管内结垢的SEM、EDS和X射线衍射分析均表明，水垢主要由水管内壁受腐蚀引起。这种腐蚀是一种电化学反应。水管成分的微小变化、环境的局部差异、晶粒构造的取向、应力大小的差别以及表面缺陷均可能在水管内壁上形成一对对小面积的腐蚀电池。在阳极四周Fe2+与OH-形成Fe(OH)2(s)沉析聚积先形成垢瘤或垢核。在阴极，反应生成的OH-能与水中的重碳酸盐反应，生成FeCO3(s)和CaCO3(s)沉积。图24示意了这一机制图24垢瘤或垢核的形成机制本课题组的前期研究表明，结垢是导致高炉中晚期冷却壁快速破损的主要原因。以QT材质冷却壁为例，其水垢的导热系数在1.6～1.8W/(m﹒k),而QT的导热系数则在29.1～34.9W/(m﹒k),水垢的导热系数仅为QT的1/24～1/30。根据实验，形成1mm厚的垢，换热量会下降85%左右，由于传热效果急剧恶化，会对冷却壁造成50～100℃的温升，因此高炉中晚期因水垢已逐渐增厚及易造成冷却壁局部过热而导致烧损。6解剖研究的认识与建议（有删略）6.1高炉长寿的决定因素根据高炉设计和生产的实践，决定高炉长寿的因素可归纳为表5。表5：高炉长寿的决定因素及其作用

6.2冷却壁破损的主要成因本课题组自90年代初，通过对国内一些大钢高炉一代服役后四种材质冷却壁的解剖研究和四次高炉扒炉调查等系统科研工作，以及本次对梅钢3号高炉的扒炉调查和解剖研究，对冷却壁生产期中的各种破损成因进行了归纳总结。如表6。以上九种情况，有三个（1、2、3、）与壁体热态下的应力应变有关，是可控制的。有二个（6、7）与壁内水管结垢和渗碳有关，虽较难控制但仍属于可控制的。还有四个（4、5、8、9）与壁体的恶劣工况有关，是不可控制的。冷却壁