转炉汽化冷却烟道失效常见原因及其处理

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期汽化冷却烟道与转炉氧枪连锁控制，主要由活动烟罩（裙罩）、固定段烟道、可移动段烟道、冷却烟道和斜弯烟道组成。

转炉吹氧炼钢时炉口喷出大量高温煤气，遇空气少部分燃烧后温度高达1700℃左右，汽化冷却烟道的工作原理与换热器相同，利用高温烟气的热量将通过软化处理和除氧处理的冷却水蒸发，利用水的汽化潜热带走冷却部件的热量来达到后续的除尘净化和煤气回收以及环境保护的工艺要求。

因工况环境十分恶劣，导致转炉生产运行过程中经常会出现水冷壁钢管破裂爆管等泄漏现象，严重影响到转炉的正常运转。

严重漏水还会产生蒸汽使烟道的过风量变大，可能造成烟气外溢造成污染，影响煤气的回收率和烟道余热的利用，大量软水被浪费，检修频繁，不仅对汽化冷却烟道的安全平稳运行产生重大隐患，还严重降低了生产效率。

为此，阅读文献可望找出冷却烟道失效的原因及其处理措施。

汽化冷却烟道失效常见原因分析
（一）周期性交变热应力
以某钢厂120t 的转炉生产为例，转炉一次
炼钢周期为35min 左右，吹氧时间段在炼钢周期的中期，耗时约15min （补吹除外），进入汽化冷却烟道的炉气量可达76000m 3/h （标态下），温度高达1700℃左右，此时间段冷却烟道的热负荷急剧增加，管壁温度也陡增，转炉吹氧结束后，相应的热负荷也急剧降低，管壁温度随之下降，直到下个吹炼期，期间间隔20min 左右。

烟道内的热负荷频繁急剧变化，导致水冷管不仅受到周期性交变热应力，在热疲劳作用下的钢管表面通常会产生横向的疲劳裂纹，这与机械疲劳中观察到的疲劳裂纹相似。

管壁也会因频繁产生的轴向拉压应力而产生塑性变形，如此反复，烟道管就会产生大量竹节状热疲劳裂纹（蠕变），高温蠕变使得在金属管壁的微观结构中沿着固化晶界析出的碳化物会加速晶粒间裂纹的扩展。

裂纹扩展直至破裂，产生蒸汽泄露，影响汽化冷却烟道使用寿命。

（二）水循环恶化
烟道结构设计不合理导致配水管不均匀，大部分烟道采用自然循环的水循环方式导致冷却水动力不足，上升管、下降管、受热管水循环阻力变大，冷却效果不好，造成冷却水管因水循环不良引起局部过热，循环水不能快速有
转炉汽化冷却烟道失效常见原因及其处理
程晓恬（广西钢铁），庞通，潘刚（技术中心）
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效地冷却管壁，管壁超温破裂漏水；同时，水循环异常波动引起水冷管液面脉动，当脉动表现为剧烈的水击现象时，会使焊缝断裂；在热流密度过大，热量陡增的过程中，受热管中水容易由核态沸腾转变为膜态沸腾，传热受到汽膜的阻隔，管子内壁得不到水的连续冷却，冷却水与管壁发生传热恶化，管子因管壁温度超高过热受损；热流场强度分布不均，特别在烟气侧涡流区部位，导致局部受热面热流密度过高，冷却水不能连续汽化，在蒸汽及饱和水的交替作用下，汽化点由于高频率水击引发疲劳损伤爆管。

（三）软水水质不达标
软水中钙镁离子偏高达到饱和时盐分析出附着在管壁上使水冷管结垢，而水垢的导热系数要比水冷管小数十倍到数百倍。

烟道管内温度加剧提高，导致管壁过热烧坏；由于软水站制水中加入氯化钠，软水中含有大量氯离子，造成氯离子对冷却水管的腐蚀；软水中除氧不完全导致冷却水中存在大量的溶解氧，氧具有夺取电子的能力，溶解氧成为很强的腐蚀剂，当水中氧浓度不均匀时，高氧浓度和低氧浓度部位的金属产生电位差从而发生电化学腐蚀。

有研究表明当水温在15℃时，水中溶氧量约7mg/L ，产生的腐蚀速度为1.05g/m 2·h 。

冷却水管金属表面被腐蚀减薄，使汽化冷却烟道的有效厚度降低，造成管道漏水，影响烟道使用寿命。

（四）腐蚀
（1）氢氧腐蚀。

当锅炉水品质异常或管内壁结垢时，发生如下反应：3H 2O+2Fe →Fe 2O 3+3H 2，H 2O+Fe →FeO+H 2，形成的氧化物结构比较疏松，附着性较差使生成的H 2向管壁金属扩散，高温下晶界强度下降，导致氢扩散进入晶界，发生反应：FeC+2H 2→Fe+CH 4，C+2H 2→CH 4，而甲烷在金属中扩散能力较差，因此积聚在晶界上，导致晶界中甲烷浓度升高，形成局部高压，造成应力集中和晶界断裂，形成微裂纹，最终使管子破裂。

而氧腐蚀在前文中有提到，溶氧量过高会使管壁发生电化学腐蚀而减薄断裂漏水。

高温腐蚀。

转炉烟气中含有大量的还原性气体CO 、腐蚀性气体H 2S 、卤素原子（Cl 、F ），金属管壁与未充分燃烧的硫、碳和卤素原子发生反应，使得高温硫化、高温碳化、高温卤化等高温氧化现象在金属管壁上发生。

炉灰飞溅到管壁上，在高温下形成的硫酸盐，硫酸盐熔点比较低，容易在烟道内部粘结造成黏渣现象，并与管壁作用生成腐蚀坑，形成热腐蚀。

高温腐蚀加速了汽化冷却烟道裂纹的形成。

（3）露点腐蚀。

停炉时烟道受热面温度逐渐下降，转炉烟气中的水蒸气和硫酸蒸汽预冷凝结在金属表面形成酸露造成管壁腐蚀，使受热面与水冷壁整体减薄。

空气中的水蒸气与烟气对流作用，在烟道尾部受热面遇冷凝结形成的腐蚀叫露点腐蚀。

在水冷管的焊缝连接区域，焊缝及热作用区域存在过热粗晶区，应力在结构不连续的位置集中，在腐蚀的作用下，易造成焊缝的开裂。

（五）焊接工艺缺陷
采用单面焊接的方式焊接冷却水管的管板，焊接接头的背面没有焊透导致背面焊缝根部没有完全融合，承载压力的有效面积变小，使得焊缝根部应力聚集，未融合的根部发展成裂纹源。

在热应力作用下，裂纹从焊缝根部未融合处沿熔合线方向延伸，向水管侧受热区域的粗晶区扩展，平行于水管的纵向产生裂纹，有的裂纹延伸到水管内，直接穿透水管造成爆管。

转炉工作时产生的周期性交变热应力是开裂的根本原因，但焊接缺陷的存在加速了裂纹的扩展。

高温焊接时热场分布不均匀导致焊接区产生了压缩塑性变形，焊后冷却收缩产生焊接残余应力和变形，烟道在长度方向易产生扭曲变形，在径向易产生椭圆度。

汽化冷却烟道制作
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期过程中留在烟道内部的焊渣、安装过程中带入的焊渣经过长时间循环，聚集在固定烟罩最低点弯头和进水集箱拉蒙管处，使排管内部汽水混合物的流动阻力变大，造成排管缺水而长期高温过热发生漏水。

（六）废钢中有害杂质的影响
如果转炉炼钢时加入的废钢中有害杂质元素超标，不仅会使生成的炉渣侵蚀炉衬，炉渣碱度不达标，增加造渣材料的消耗，冶炼时间变长。

同时，生成的烟气具有较强的腐蚀性。

加入的废钢中如果含有Cl 、S 、P 等有害元素，在高温条件下与受热面金属管壁发生复杂的物理、化学反应见式1、2，反应产物Fe(OH)2结构疏松容易被高流速的烟气冲刷进入冷却水中流失，之后新裸露出的金属表面继续被腐蚀、冲刷，导致受热面管壁不断减薄，最终引发爆管，严重影响烟道使用寿命。

2Cl -+Fe →FeCl 2FeCl 2+H 2O →Fe(OH)2+2HCl
（1）
2S -+Fe →FeS 2FeS+2H 2O →Fe(OH)2+H 2S
（2）
（七）其他影响因素
（1）烟道结构设计不合理。

目前掌握汽化冷却烟道设计核心技术的仅有少数几家公司，这些技术中建立精准的热力学计算模型最为重要。

精准地计算出冷却烟道的实际烟气量和温度变化梯度才能设计出科学的换热面积，最终确定冷却水流速、辐射换热系数、单位面积换热强度等。

不合理的汽化烟道换热面设计很容易在运行过程中产生裂纹而漏水。

（2）炉尘对管壁的冲刷。

转炉烟气中含有大量的CO 、铁、氧化铁粉尘，少量的CO 2，烟罩中烟气高速冲刷水冷管管壁，烟气中的固体粉尘与水冷管管壁发生摩擦、冲击，使附着在管壁局部结构疏松的侵蚀氧化产物脱落磨损，且随着烟气流速变化，管壁的磨损程度不同，
管壁越来越薄。

（3）喷溅结渣和排管机械损伤。

在溅渣护炉工艺过程中，采用高压氮气冲击炉渣时，冲击脱落的高温炉渣会飞溅到汽化冷却烟道的下部烟罩上，导致烟罩内部管壁上大面积粘渣，使烟罩不仅产生麻点和穿孔，热疲劳裂纹也增多。

同时大块钢渣整体脱落下来会刮伤固定烟罩，炉口升降裙罩尾管也会产生机械损伤，并且当转炉炉口积渣过高，摇炉时炉口冷钢会刮伤裙罩底部尾管造成机械损伤。

（4）20G 钢管珠光体球化。

目前国内大部分钢厂转炉气化冷却烟道管壁用钢都是采用20G 钢，20G 钢的金相组织是铁素体与珠光体，薄片状的铁素体和渗碳体相互交错排列形成珠光体，因为有这样的结构和金相组织，所以20G 钢有着良好的力学性能。

但长期在高温下服役或者短时在超温状态下运行，会产生珠光体球化这种高温损伤。

珠光体球化的原理为碳原子无序扩散的过程，在高温环境下，原子活动力增强，扩散速度加快，高能量状态的片状渗碳体会自发向低能量状态的球状碳化物转变，并聚集长大。

珠光体的球化会使得材料的力学性能明显降低，影响冷却烟道管壁使用寿命。

常见的处理措施
（一）水冷管壁优化
（1）当烟罩发生破裂爆管等现象时，有部分钢厂采用堆焊和更换管皮或者直接换管的方式来修复水冷管壁。

管壁凹痕和鳍片磨损减薄处采用手工电弧焊修复，选择E5015（Φ3.2mm 和Φ2.5mm ）的焊条；管道的对接缝采用氩弧焊接，手工氩弧焊使用直流正接法，钨极直径为Φ2.5mm ，焊丝的牌号为TIG-J50（Φ2.5mm ），焊接电流为90～100A 。

更换管皮的方式是将烟罩内部有漏点、裂纹的管皮全部割除，更换上相同材质的管皮。

焊接采用CO 2气保焊，
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小电流，快速度，避免产生避免产生未熔合、夹渣、气孔等焊接缺陷，焊后采取锤击焊缝和退火的方法消除应力。

烟罩换管采用挖贴焊补方式进行手工电弧直流焊接，焊条由J422改为J427。

（2）研究表明采用超音速电弧喷涂技术，喷涂双层复合防护层，其中工作层由抗高温氧化、高硬度、耐冲刷磨损，热腐蚀性能良好的HDS-930金属合金丝材制作，面层则采用抗高温氧化和热腐蚀性能优异的HDS-255金属合金丝材制作涂层，涂层表面采用KM 型高温耐磨防腐专用封孔剂进行封孔，由此制得的复合涂层结合强度高，具有优异的抗冲刷磨损和耐高温耐腐蚀性能，能满足防护要求。

也有研究指出超音速电弧喷涂NiCr 合金材料，以及喷涂FeCrAl 涂层、NiCrBSi 涂层等方法也可以提高水冷管的耐腐蚀、耐冲刷和抗热疲劳等性能，同时有效减少粘渣现象。

（3）减少焊接缺陷：水冷下料管、水冷氧枪口的水路隔板要求双面满焊焊接，不允许有窜水、渗透现象；筒体对接焊缝要求双面焊接或全融透焊接，焊缝高度不低于钢板厚度；水冷下料管内桶钢板厚度从10mm 增加到18mm ，防止被物料磨损后钢板减薄而强度降低，同时增厚后焊缝高度也将增加，从而焊缝不易开裂。

（4）新型烟罩管屏（专利）采用如图1的焊接方式，将2根鳞片管的轧制鳞片焊接在一起，2根鳞片管相距12mm ，前焊缝7为连续焊接，面火向的焊缝，后焊缝8为间接焊接，背火向的焊缝。

采用鳞片管作为受热管，焊接量小，且焊缝不与受热管接触，避免了受热管与鳍片之间出现漏点的情况，使因烟罩管屏焊缝处漏水的情况减少，减少转炉烟罩运行时的故障率降低。

（5）针对20G 钢高温下容易珠光体球化，耐腐蚀能力不高等问题，可采用抗疲劳性强的15CrMo 钢管替代20G 钢管，也可选用铬镍奥氏体不锈钢，如0Cr18Ni9Ti 、1Cr18Ni9Ti 、0Cr25Ni20等来提高水冷管壁的耐腐蚀性能。

（二）汽化水质量控制
（1）总硬度、电导率、含油量指标的检测。

水质监测取样点设置为烟罩水出水口，以此准确评价水质。

加强对汽化电导率指标的考核，指标由≤40μs/cm 缩小到≤20μs/cm 。

烷烃类或饱和脂肪酸的沸点较低，与水一起流到烟罩的高温部位时，率先汽化，汽化段随着温度的升高而变长，在此过程中分离了水的密合和流动，随着温度持续升高高温没有介质传导，引起水管爆裂。

水质含油量指标规定为≤0.3mg/L 。

（2）改善冷却水除氧效果。

在除氧器内采用高效中心雾化螺旋喷嘴，扩大了加热蒸汽与进水的接触面积，缩短了软水加热时间，从而达到快速除氧的目的，减少余热锅炉受热管的氧化腐蚀；增加在线监视摄像系统和水温监控与补水进汽联锁自动控制功能，准确监测水温和水位，确保除氧器水温稳定。

除氧器仪表气源改为氮气，提高控制设备的稳定性。

控制除氧器进入烟罩水温稳定在104℃±2℃，压力在0.13～0.14MPa ，汽包内溶解氧在0.05mg/L 以下，避免了烟罩受热管氧化现象。

（3）改进锅炉内加药工艺。

增设自动加药成套设备，改进安装锅炉内加药设备，实现自动定时定量加药功能，确保汽包加药处理效果
1———钢管；2———轧制鳞片；3———前焊缝；4———后焊缝
图1新型烟罩管屏
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期的稳定。

使除氧器在饱和温度下运行，除热力除氧外另加辅助化学除氧，添加联氨(N 2H 4)。

N 2H 4对氧化铁有还原作用，可用来防止管道内结铁垢。

要求锅炉给水中联氨质量浓度要大于60μg/L(日本标准)；对排污管道改进安装，采用氩氧脱碳炉（AOD ，连续排污）排污方式可以平稳地控制水质指标，保证蒸汽的品质，也避免了人工排污的不到位现象，也减轻了员工的劳动强度，提高了员工的作业安全；组织对汽化系统的加药、排污操作进行优化摸索，总结出操作规律，修订、完善了汽化加药、排污程序操作管理规定。

（三）汽化冷却烟道改造设计
（1）炉口固定段烟道、可移动段烟道与锅筒连接采用高压强制泵循环方式，活动烟罩、氧枪口冷却套和下料溜槽冷却套与除氧水箱连接采用低压强制泵循环方式，中Ⅰ段、中Ⅱ段、末Ⅰ段和末Ⅱ段烟道自然循环汽化冷却方式来提高管道内冷却水的循环动力，减少因水动力不足引发的管壁过热损坏。

（2）采用由汽包液位、蒸汽流量和给水流量构成的三冲量汽包液位控制系统，恢复蓄热器水位计功能，对补水、排水系统增加高压电动调节阀，实现远程控制；恢复放散阀压力检测功能，实现压力与放散阀联锁自动排放；对各蓄热器联通阀实行可靠切断此来稳定汽包运行压力及水位。

在管道内部加装不锈钢螺旋板，增加扰动，可以防止自然循环在受热条件下导致的管内汽水混合物产生分层的问题，消除传热恶化。

（3）改进炉口微压差，吹炼阶段转炉入口处的压力应超过-18kPa ，风机转速不得超过1300r/min ，非吹炼阶段，转炉入口压力要高于-5kPa ，有效控制炉口压力，避免爆炸。

炉口固定段、移动段烟道直径设为3020mm ，循环水
泵型号使用HPK-Y-200-250，将移动段Ⅰ段进水口及移动段Ⅰ段出汽口的管径改为Φ42mm ×4mm 。

增设中Ⅲ段射流装置、受热管防堵装置、抗振动用阻尼器等。

（4）烟罩下部水容箱在水槽底部增设高压喷气管，使水容箱底部沉淀的粉尘和锈渣在水的作用下与水一起翻滚，并最终随水流排出活动烟罩。

对转炉烟罩整体去应力退火，可在不加循环水的情况下烘炉，升温至600℃保持2～3h 。

（5）在锅炉段间联接处设置耐高温非金属补偿器来吸收膨胀量，避免出现水冷壁管与支撑梁直接焊接的刚性连接方式，在锅炉的支点采用铰支、悬吊点用恒力弹簧滑动支撑加机械限位的方式来吸收水冷壁管的纵向和径向膨胀位移。

（四）开展汽化冷却烟道破损机理研究转炉烟罩是连接转炉和蒸发冷却器的重要冷却除尘设备，是整个炼钢除尘系统中唯一在高温易爆条件下工作的部件，其降温、输送、导流等作用的好坏以及其使用寿命的长短和使用期内事故率的多少，直接影响着后面除尘的效率和煤气的收集率。

因此结合转炉运行情况，对工况下不同直径、厚度、冷却水流速、鳍片厚度等参数的水冷管所受热应力进行研究，分析汽化烟道破损机理，对汽化冷却烟道结构设计、转炉操作冷却系统等进行优化，提高转炉汽化冷却烟道的寿命尤为重要。

结语
通过阅读文献，总结转炉汽化冷却烟道管壁因爆管漏水等现象引发的失效原因及其处理措施，供参考。

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