齊立東，李景超，姚小康，宋云山
（北京首鋼股份有限公司，河北遷安064404）
【摘要】通過對首鋼股份公司三高爐2# 熱風爐改造的實踐案例，介紹了大型高爐熱風爐系統在運行中出現的設備問題，分析并確定了問題原因，采取了有針對性的措施加以控制，確保了熱風爐系統的穩定運行，總結了在熱風爐問題處理時應該注意的事項，為大型高爐熱風爐系統設備運行控制提供了參考依據。
【關鍵詞】大型高爐；熱風爐系統；設備運行；控制
1 引言
我國4000 m3 以上大型高爐熱風爐系統的設備運行控制還沒有成熟的方案，國內多家大型鋼鐵企業熱風爐均出現爐殼開裂、熱風管道溫度高等設備問題，因熱風爐是高溫高壓的密閉容器，而且爐殼承受交變應力，煉鐵生產與設備管理成為一對矛盾，如何既保持一定的風壓、風溫，又做到設備正常運行；選用什么型號的爐殼板、焊接加工工藝及熱處理的控制等是我們進一步探索的目標。以下就首鋼股份公司三高爐熱風爐進行探討。
2 基本情況
首鋼股份公司三高爐（4078 m3）投產于2010 年1 月，高爐設計壽命20 年，采用4 座引進霍戈文內燃式熱風爐，爐殼鋼板材質為Q235B，一列式布置，配兩個前置預熱爐。設計高爐富氧率3.5%、熱風爐風溫1280 ℃，設計使用壽命30 年。
3 運行中出現的問題
3.1 熱風爐拱頂爐殼開裂
2010 年底，三高爐4 座熱風爐拱頂均出現過焊縫開裂的問題；2014 年3 月份，4# 熱風爐球頂焊縫又出現了焊縫開裂的問題；2014 年6 月27 日，4# 熱風爐爐頂正北方向標高41.5 m 處爐皮燒損，經甩爐后鑒定爐皮燒損區域800 mm×900 mm，磚襯受損。通過對拆除的殼體做滲透檢驗，發現靠近焊縫存在大量周向裂紋，母體上也存在部分周向裂紋，裂紋均出現在爐殼內壁。
2014 年7 月對2# 熱風爐進行了超聲波探傷檢測， 發現熱風爐球頂R16-R20 帶：B16 環縫，A17-A20 縱縫，B16-B20 環縫存在嚴重的超標缺陷，這些缺陷基本貫穿整個焊縫，缺陷深度從內表面向外表面擴展為裂紋，這些缺陷是在運行中產生和擴展的，裂紋深度一般在5~15 mm 左右，特別是B16-B17 環縫，在焊縫熱影響區母材部位也產生裂紋，深度也在5~15 mm。除了焊縫之外球頂直段R17 帶母材劣化嚴重，裂紋較多。檢測處裂紋長度30~300 mm，裂紋深度3~5 mm 左右。
3.2 熱風管系部分波紋補償器溫度高并出現焊縫開裂
三高爐熱風總管共安裝11 臺波紋補償器，補償器本體碳鋼焊縫均出現裂紋漏風的問題，目前均采用外部再包覆一層不銹鋼波紋的處理方法。
3.3 煤氣支管腐蝕嚴重
三高爐2# 熱風爐煤氣支管出現過三次漏點，后又全面檢測了其他3 座熱風爐煤氣支管壁厚（設計厚度：8 mm），檢查結果如表1。
4 原因分析
4.1 熱風爐拱頂爐殼開裂原因
首鋼技術研究院通過對股份公司爐殼取樣進行理化性能、力學性能分析后確認熱風爐爐殼失效結論如下：
（1）爐殼材料（Q235B）理化指標正常，金相組織為鐵素體+ 珠光體組織，材料力學性能能滿足標準要求。
（2）爐殼發現的裂紋大致有兩類：一是靠近且平行于縱焊縫的大裂紋以及大裂紋相連接的再擴展的分支裂紋，二是遠離焊縫的小裂紋。
（3） 大裂紋的開裂與形貌特征：包括橫向裂紋（平行于環焊縫）和縱向裂紋（平行于縱焊縫），裂紋平行于焊縫兩側分布，位于距熔合線5~10 mm 處母材上，裂紋起源于爐殼內壁向外壁擴展至板厚的1/3（縱向裂紋）、2/3（橫向裂紋）左右，裂紋平行于熔合線擴展，擴展方向與拉應力方向垂直，分支裂紋成樹枝狀沿晶開裂。
（4）小裂紋的開裂與形貌特征：母材上有點蝕坑（深度10 μm 左右），腐蝕坑內S、Cl 等腐蝕性介質元素含量高（重量百分比達1%左右），有源自腐蝕坑的微裂紋，裂紋沿晶擴展，裂紋深度60 μm 左右；距熔合線越近，應力水平越高，最深擴展至10 mm。
分析認為爐殼開裂的原因如下：
（1）焊接質量差，咬邊、未熔合、焊渣等焊接缺陷明顯，容易造成應力集中，誘發開裂；
（2）S、Cl 等腐蝕性介質使爐殼發生點蝕與均勻腐蝕，形成較深的腐蝕坑，其底部尖端產生應力集中點；
（3）熱風爐內壓力的周期性變化引起的交變應力，促使應力集中位置開裂或已開裂部位的裂紋擴展；
（4）殘余應力、工作過程中的交變應力與腐蝕介質是爐殼開裂的三個因素，開裂機理為應力腐蝕疲勞開裂。
4.2 熱風管系溫度高原因
熱風管系部分波紋補償器存在溫度高、出現焊縫開裂的地方，一般是出現了耐材縫隙過大、耐火磚開裂或脫落等情況，導致竄氣引起，通過幾次檢修期間現場檢查確實存在以上問題。
4.3 煤氣支管腐蝕原因
煤氣支管受到腐蝕，說明干法除塵后的高爐煤氣中含有腐蝕性成分，通過現場取樣化驗腐蝕性成分主要是硫化物和氯根，其中氯根的含量較大，雖然高爐煤氣經過堿液噴灑（一般將pH 值由2~3 調整為7 左右），但這只能減輕腐蝕，卻并不能完全消除氯根的腐蝕。
5 采取措施
5.1 運行維護方面
（1） 鑒于目前大高爐的熱風爐及熱風管系局部存在溫度高的實際情況，應盡快完善檢測（溫度、形變）手段，制訂控制標準，嚴格執行，使其處于控制范圍，防止再次發生惡性事故。
（2）在熱風爐狀況沒有改變之前，不宜再按照設計風溫使用，應按實際情況（即確保熱風爐及熱風管系殼體溫度不超過規定）降低風溫水平，并嚴格執行有關規定。
（3） 熱風爐及管系在檢修時需對耐材出現的問題進行深入的檢測、取證、分析，并和設計進行比較總結，特別是熱風爐拱頂、熱風管系的三岔口、波紋補償器、管系接口等易出現問題的地方，提出改進措施，完善設計方案。
（4）在處理爐殼焊接施工中，應嚴格按照焊接技術要求和規范要求進行；要采取消除應力措施；避免焊縫處重復焊接，超過2 次宜采用挖補、打漿、加固爐皮。
（5）總結首鋼熱風爐系統發生的各種事故教訓，特別是首鋼三座大高爐熱風爐出現的問題及處理、操作，有針對性地制訂熱風系統事故預案，防止再次發生事故或將事故控制在最小范圍。要制定巡檢、檢修等安全措施，確保人員安全。
5.2 設計、制造、安裝、使用等方面
（1）利用熱風爐更換爐殼機會，對焊縫、爐殼母體進行全面檢測，確認是否有晶間應力腐蝕；確認何種應力導致鋼板母體、焊縫及附近出現裂紋，以利有針對性地提出改進措施，解決裂紋問題。
（2） 應進一步調研大型高爐熱風爐爐殼選材問題（股份公司三高爐選用Q235B 鋼板、京唐高爐選用Q345C 鋼板、據了解寶鋼采用BB41-BF、鞍鋼采用ALK420、武鋼采用WSM41C），進行材質性能、使用情況、熱風爐性能、操作參數等比較，考慮熱風爐惡劣工作條件，對應規范標準，選好爐殼材質。
6 改造實踐
6.1 拱頂爐殼材質的選擇
首鋼股份公司三高爐2# 熱風爐改造更換拱頂爐殼時經過多次研討最終選用了爐殼專用鋼
Q345LK，所用鋼板全部由首鋼自產。Q345LK 比常規Q345C 鋼的C、Si、P、S 含量低，并且添加了Al、Ni、Cr、Cu、Mo 等合金元素，通過爐外精煉，具有更優異的強度、塑性、韌性、防裂性和抗脆性斷裂等綜合性能；并具有防腐蝕性介質侵蝕和抗脆性斷裂的性能。Q345LK 滿足2012 年版黑色冶金標準《鋼鐵冶煉工藝爐爐殼用鋼板》（YB/T4281-2012)(由鞍鋼公司、冶金工業信息標準研究院、湘鋼、首鋼總公司編制）規定。
Q345LK 主要化學成分（質量百分數）：C≤0.18%；Si≤0.50%；Mn≤1.70%；P≤0.025%；
S≤0.015%；Ni≤0.50%；Cr≤0.30%；Cu≤0.30%；Nb≤0.070%；V≤0.15%；Ti≤0.020%；Mo≤0.60%；
N*≤0.012%；Als≥0.015 （* 鋼中加入Al、Nb、V、Ti等具有固氮作用的合金元素）。
Q345LK 的化學成分和類似的普通鋼種相比，對微量元素進行了調整，作為爐殼使用性能更加優異。
6.2 熱風爐拱頂結構優化設計
通過對原爐殼的應力分析發現，16 帶至17 帶爐殼及17 帶至18 帶爐殼拐角處應力較為集中，本次改造采用圓弧過渡進行處理，圓弧半徑為1500mm；由于生產過程中出現過串風現象（爐殼局部溫度高），新更換的鋼殼內部涂耐晶間應力腐蝕的涂料YJ-250，之后，再噴涂一層厚度為50 mm 的耐酸噴涂料MS-1；為保證原設計砌體結構的完整性，17 帶爐殼內徑由12140 mm 改為12200 mm。
6.3 熱風爐爐殼焊接質量、焊前預熱、焊后退火處理
6.3.1 焊接質量
熱風爐殼體的焊接應符合《煉鐵工藝爐殼體結構技術規范》（GB50567-2010）中第8 章的要求。
6.3.1.1 焊縫質量等級
殼體結構的對接、T 形對接與角接組合焊縫應焊透，其焊縫質量等級應符合下列規定：
（1）熱風爐殼體結構的對接焊縫應為一級。
（2）焊透的T 形對接與角接組合焊縫應為二級。
6.3.1.2 焊縫質量檢驗應符合下列規定
（1）焊縫無損檢測應在外觀檢查合格后進行。
（2）要求全焊透或部分焊透的焊縫，其內部缺陷檢驗應采用超聲波（UT）或射線（RT）檢測，其質量應符合下列要求：
①超聲波（UT）檢測應按現行行業標準《承壓設備無損檢測第3 部分超聲檢測》NB/T 47013.3-2015執行。其中一級焊縫應進行100%的檢驗，其質量應符合該標準中B 級檢驗的Ⅱ級及Ⅱ級以上的要求；二級焊縫應進行抽檢，其抽檢比例應不小于20%，其質量應符合該標準B 級檢驗的Ⅲ級及Ⅲ級以上的要求。
②射線（RT）檢測應按現行國家標準《金屬熔化焊焊接接頭射線照相》GB/T3323-2005 的有關規定執行。
6.3.2 熱風爐爐殼焊前預熱的要求
爐殼預熱時應符合下列規定：
施焊前預熱及預熱溫度應根據母材交貨狀態、化學成分、力學性能、焊接性能、厚度及焊件的拘束程度等因素確定。
焊接接頭的預熱溫度除參照相關標準外，一般通過焊接性能試驗確定。實施的預熱溫度，還要考慮到環境溫度、結構拘束度等因素的影響。
6.3.2.1 預熱溫度
常用鋼材推薦的最低預熱溫度見《壓力容器焊接規程》。
當焊接兩種不同類別的鋼材組成的焊接接頭時，預熱溫度應按要求高的鋼材選用。
6.3.2.2 預熱工藝的選擇
常用鋼材牌號推薦的預熱溫度參見現行行業標準《壓力容器焊接規程》（NB/T47015-2011）中的相關規定，非常見牌號鋼需通過試驗確定。
6.3.3 熱風爐爐殼焊后熱處理
焊后熱處理是指為改善焊接區域的性能，消除焊接殘余應力等有害影響，將焊接區域或其中部分在金屬相變點以下加熱到足夠高的溫度，并保持一定的時間，而后均勻冷卻的熱過程。
焊接是殼體施工中的重要工序，特別是大型高爐熱風爐殼體結構，采用低合金結構鋼厚板，焊縫質量要求高，因此焊接工作的各個環節都必須嚴格按照《煉鐵工藝爐殼體結構技術規范》（GB50567-2010）第8 章的相關規定進行。焊接工藝評定是根據工藝評定報告制定焊接工藝規格，作為指導焊接施工的依據。焊接工藝評定報告連同試樣檢驗結果應存檔備查。
熱風爐殼體中焊接量大，焊后殘余應力很大，因此必須進行消除應力退火處理。
熱風爐上部高溫區殼體，為防止因應力集中和晶界腐蝕而產生裂紋，宜將新劃分板帶（15-19 帶）進行整體退火。由于殼體尺寸較大，因此退火宜在安裝焊接完成后進行。
6.3.3.1 焊后熱處理工藝
本工程熱處理采用內電加熱工藝，在工件內腔布置加熱熱源，工件外壁鋪設保溫絕熱材料，利用熱輻射和熱空氣對流的加熱工藝，達到均勻加熱之目的。
上述熱處理過程由ZWK 型智能溫控儀，實現多點群控，儀表顯示各點溫度，自動修正加熱功率系數，自動記錄溫度曲線，確保控溫精度。
結合設計院提出的工藝規范和根據制造廠焊接工藝評定結果，提供相應的熱處理加熱工藝規范：
恒溫溫度：570±20 ℃；
恒溫時間4.5 h；200~250 ℃，保溫2 h 控制的消氫處理；
升溫速度≤108 ℃/h （200 ℃以前可不予控制）；
降溫速度期≤140 ℃/h （400 ℃以后可不予控制）；
恒溫時最大溫差±20 ℃（≤40 ℃）升溫、降溫時最大溫差≤120 ℃。
6.3.3.2 熱處理現場工藝設計
本次熱處理現場工藝設計由供電系統、加熱系統、測溫系統等部分組成。
（1）供電系統
由于熱處理的不可逆性，須確保現場熱處理的供電和安全用電。根據以上計算，本次整體熱處理需要6 臺ZWK-360 型智能溫控儀，即供電系統輸出的最大功率為2100 kW 時可以滿足熱處理時的供熱需求。從變壓器至熱處理施工現場應設置DZ-600/600 自動空氣開關6 只，由變壓器至6 臺溫控儀的一次導線（中間經空氣開關）為3×150+L×70 mm2 銅蕊電纜6 根。
（2）加熱系統
①加熱器的布置
本工程熱處理采用加熱工藝，根據熱功計算，所需加熱功率2100 kW，采用NJ 型框架式加熱器210片，每片加熱功率為10 kW，外形尺寸1000×400×90 mm，設計總功率為2100 kW。呈梯形分布置于工件內腔利用熱輻射和熱對流的加熱工藝，使工件達到均勻加熱退火之目的。具體見圖1 所示。
②加熱器的連接
整體熱處理加熱器的內導線采用覫6.5 的圓鋼，套上氧化鋁瓷管引出爐外與外導線連接，再接到智能溫控儀的加熱輸出端。所用零線焊為一體，作為公共零線引出組成三組，各自形成獨立電網，所有加熱器均采用星形接法，同步通電加熱。
③保溫層的鋪設
保溫材料應符合QJ/GN30-89 標準，加熱時外層溫度應不高于60 ℃，選用保溫性能好、導熱系數低，容重輕的超細玻璃棉和硅酸鋁，為了減少熱損失，熱處理保溫層厚度不得小于100 mm。2 層50mm 的超細玻璃棉被（無堿）疊加一起，總保溫厚度100 mm。保溫層之間應注意接縫錯開搭接嚴密，并用鐵絲軋緊，防止熱量散失，以防止局部溫差過大而形成熱應力，保溫方法采用內背帶式保溫釘固定，保溫釘焊接在背帶上，不與塔體焊接，用22# 鐵絲在保溫釘上交叉繞緊。
（3）測溫和控溫系統
①本次熱處理工程采用K 型簡裝熱電偶測溫，熱電偶的補償采用銅一康銅補償導線，通過ZWK 型電腦溫控儀控溫，每臺智能溫控儀輸出功率為360kW，溫度控制范圍0~1000 ℃，控制精度為±1 ℃，熱風爐爐體各點溫度控制均由各點智能儀表監視控制，智能表為日本富士進口溫控儀，每一塊儀表相當于一臺微機，將設定的工藝參數輸入儀表，通過溫度傳感器過來的溫度和設定溫度比較后通過PID 計算出相應功率控制加熱器的加熱。控溫過程均由儀表自動完成，并由連續式記錄儀自動記錄工藝曲線。
②熱電偶布置
熱電偶分三層布置，封頭頂上布置3 個、上層布置8 個，中層布置12 個、下層布置10 個，共33 個熱電偶。
感溫元件使用點焊在殼體外表面，能真實的反應工件的實際加熱溫度。
6.3.3.3 整體熱處理的防變形措施
（1）在下端口處設置一個框架支撐，減小工件端口變形。
（2）必須嚴格執行加熱工藝規范，保溫面在保溫時在分段處向下1.5 m，確保在熱處理時各部位溫差達到工藝技術要求，防止溫差應力過大造成的變形。
6.3.3.4 熱處理工藝質量的評定驗收
本次熱處理工程提供焊后消應力熱處理所有的熱處理工藝曲線，采用連續式記錄儀自動記錄（升溫200 ℃開始記錄，降溫400 ℃以下不記錄）并按相應的技術要求評定驗收。
7 結語
針對首鋼股份公司大型高爐熱風爐系統運行中暴露的設備問題，我們組織成立了精密點檢小組并配備熱成像儀、管道測厚儀等精密儀器對熱風爐及熱風管系進行檢查，重點檢查高溫設備殼體溫度變化及密封性，實現了對熱風系統連續狀態監控、突發問題及時處置，確保了設備穩定運行，經過實踐檢驗這些控制措施是可行、有效的。通過對三高爐2# 熱風爐改造，從爐殼的選型到施工過程中爐殼焊接、預熱、熱處理等方案具有合理性、可操作性，對大型高爐熱風爐系統設備改造、運行控制具有指導性意義。