浅谈铜顶吹熔炼炉喷枪断裂原因

浅谈铜顶吹熔炼炉喷枪断裂原因
闫茹
【摘要】Ausmelt铜顶吹熔炼炉喷枪采用AISI304耐热钢材料，在熔炼过程中时常发生断裂事故，通过对断裂钢管进行分析检测，发现造成喷枪断裂的主要原因是喷枪反复敏化，造成晶界贫铬在含有较高SO2、SO3等腐蚀性物质的空气中，产生晶间腐蚀，在其承受鼓风作用及自重的作用下进而发展成为应力腐蚀和腐蚀疲劳，最终导致断裂。可采用更换高等级材料，在喷枪停止使用时立即用偏碱性水冷却等措施解决喷枪断裂问题。
【关键词】熔炼炉喷枪腐蚀断裂
1．简介
侯马冶炼厂采用Ausmelt浸没式顶吹熔炼工艺，铜精矿、还原煤、熔剂、返渣等混合料在Ausmelt熔炼炉内经喷枪高强度熔炼，生成的冰铜和炉渣。熔炼炉喷枪由四层钢管加工组合而成，目前全部采用304不锈钢制造，长度约10余米，喷枪在作业过程中主要输送富氧与粉煤，采用浸没式作业，其在作业时呈轻微摆动状态。喷枪在服役过程中时常发生断裂事故，使用时间为数日至十数日不等。2007年侯马冶炼厂委托钢铁研究总院对喷枪已断裂报废的喷枪钢管进行了分析检测，本文是对熔炼炉喷枪断裂原因和防护措施进行了探讨。
2．分项检测及结果
2.1取样
在喷枪存放库房已废弃的喷枪管上取样，列于表1。
表1取样位置及说明
编号取样位置及说明
1# Ф325mm钢管，位于喷枪下部，钢管表面呈黑色，已断裂，未断开处布满裂纹，裂纹呈龟裂状。在此管上取样约500cm2，带有裂纹。
2# Ф273mm钢管，是一段被管理人员收藏的断裂管段，位于喷枪上部，断口整齐，钢管保持原有金属光泽，肉眼未见裂纹。在此管段的断裂面取样约50cm，带有断口，未见裂纹。
3# Ф325mm钢管，是一段被管理人员收藏的断裂管段，位于喷枪上部，断口整齐，钢管保持原有金属光泽，肉眼未见裂纹。在此管段的断裂面取样约50cm，带有断口，未见裂纹。
2.2化学成分分析
所取样品化学成分分析结果及AISI304不锈钢标准成分列于表2。
表2化学成分分析结果
编号化学成分（%）
C Si Mn S P Ni Cr Mo
1# 0.04 0.030 0.010 0.032 8.10 17.51 0.35
2# 0.05 0.39 0.003 0.019 8.13 18.45 0.20
3# 0.05 0.38 0.010 0.030 8.10 18.15
AISI304 ≤0.08 ≤1.0 1.0-2.0 ≤0.030 ≤0.035 8/10.5 18/20
结果表明，被检测的三段钢管的化学成分均符合AISI304不锈钢的要求。
2.3金相分析
被检样品金相组织形貌示于图1~3。

由上述金相图可见：1#样品晶粒粗大，显示出已经过过长时间敏化后的组织形貌，样品已产生严重的晶间腐蚀和沿晶应力腐蚀，晶间腐蚀和沿晶应力腐蚀均起始于钢管外侧，由外侧向内发展，许多裂纹已贯穿钢管。2#、3#样品晶粒粗大，金相组织显示已经过长时间敏化，晶界上析出物甚多，晶界已遭受侵蚀，未见裂纹。
2.4端口分析
将所取样品的断口清洗后在扫描电子显微镜下进行断口分析，结果示于图4~5。

断口形貌为冰糖状和解理形貌，显示为阶梯状和扇形状形貌，晶面已被严重侵蚀，所有样品均未见塑性变形形貌。
3.结果讨论
3．1关于几种局部腐蚀类型的定义
晶间腐蚀：金属材料在特定的腐蚀介质中沿着材料的晶粒间界受到腐蚀，使晶粒之间丧失结合力的一种局部腐蚀现象。由于晶粒间结合力遭受破坏，材料几乎完全丧失了强度。
应力腐蚀：应力腐蚀破裂是指金属材料在应力和腐蚀介质的联合作用下，产生的一种破坏形式，这种破坏通常会在没有任何先兆的情况下突然的发生，没有或有很少的宏观塑性变形，断口通常呈解理或冰糖状。
腐蚀疲劳：在交变应力和腐蚀的联合作用下产生的材料破坏，称为腐蚀疲劳。断口和应力腐蚀相似，不锈钢对这类的腐蚀不敏感。
3．2关于AISI304（0Cr18Ni9）耐热钢
耐热钢是属于18-8型奥氏体耐热钢的一种。这类耐热钢是在该类不锈钢的基础上发展起来的。这类钢具有优良的抗氧化性能，良好的高温力学性能和优异的加工性能。钢中有一定的碳含量即可获得较为稳定的γ相区。在时效过程中又可析出碳化物强化相，从而提高其高温强度。该类钢在500~800℃敏化处理时，易于形成碳化物在晶界上析出，造成碳化物周围产生贫铬现象而引起晶间腐蚀。
3．3熔炼炉喷枪的服役过程
工作状态的环境温度可达900~1000℃或更高，工作一段时间后要拆下来冷却至室温后进行修复，这种工作→修复→工作的过程是反复进行的，也就是说喷枪由工作高温到室温修复的降温过程，必定要经过500~800℃的敏化温度区，这一过程的反复进行，使喷枪反复的进行敏化，为此使碳化物得以充分的析出，造成晶界贫铬，促进晶间腐蚀的发生；同时，喷枪是由四层钢管组合而成，喷枪下端为自由端，为此喷枪既承受鼓风的工作应力，还有自重的拉应力及交变应力等；另外，喷枪的工作环境和熔炼炉车间的空气中均含有较高的SO2、SO3等，遇到潮湿空气中的水分可转化为亚硫酸、连多硫酸等酸性物质，提供了不锈钢产生腐蚀的介质环境。
4、结论
喷枪所用的材料确实为AISI304（0Cr18Ni9）钢。金相组织显示已经过较长时间的敏化过程，并已遭受严重的晶间腐蚀和沿晶间腐蚀和沿晶应力腐蚀，断口形貌为冰糖状和解理形貌，未见塑性变形形貌，由此可见喷枪断裂的原因是：钢管经反复敏化使晶界碳化物大量析出，造成晶界贫铬，在熔炼炉内、外的腐蚀性环境作用下产生晶间腐蚀，进而在其工作应力及自重应力的作用下，发展成为应力腐蚀和腐蚀疲劳，导致断裂。
5、改进意见
①更换高等级材料，例如：316L、317L、0Cr25Ni20等；
②喷枪停止使用时立即用偏碱性水冷却；
③为节省成本，可考虑上部选用高等级材料，下面选用低等级材料。

参考资料：
中钢研究院《侯马冶炼厂喷枪断裂原因分析》