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须顾忌,微量元素对窑筒体的危害

2016/03/22 中国水泥网高级顾问 贾华平 烧成技术 2
由原燃材料带进回转窑内的诸多微量元素,除对生产运行有重要影响外,对烧成的关键设备——回转窑的影响,也不得不引起重视,主要是对窑筒体的腐蚀。对窑筒体构成腐蚀伤害的微量元素主要是氯、硫、磷。......
  我们在大搞循环经济、综合利用的同时,对由此引入的有害元素的“有害”,必须有所顾忌!!!   由原燃材料带进回转窑内的诸多微量元素,除对生产运行有重要影响外,对烧成的关键设备——回转窑的影响,也不得不引起重视,主要是对窑筒体的腐蚀。对窑筒体构成腐蚀伤害的微量元素主要是氯、硫、磷。   硫是钢材的有害元素,能降低钢的延展性和韧性,在锻造和轧制时造成裂纹,通常要求硫含量<0.055%,优质钢要求<0.040%。但这是钢材生产中的控制指标,至于在钢材的使用中,硫的腐蚀先在钢材表面形成FeS2密实层,然后再逐层深入,速度相对较慢,FeS2能增加钢材的热脆性。   磷的腐蚀也是从表层开始逐层深入的,速度相对较慢。但磷是影响钢材低温冷脆的主要元素,能增加钢材的冷脆性,降低焊接性和塑性,使冷弯性能变坏。所以,在钢材的生产过程中也给予了严格控制,通常要求钢中含磷量<0.045%,优质钢要求更低些。   氯离子则不同,由于Cl-具有离子半径小穿透能力强的特点,能够进入钢材内部进行深层次的破坏,“不仅自己深入敌后,还要找一个K做夫人生产KCl,建立根据地、扩大地盘”。KCl又是相对疏松的多孔片层,渗透在钢材中的KCl相当于人肌体内的癌细胞,会大幅度的降低钢材质量,变得很脆很易碎裂。   需要注意的是,钢材的脆性破坏,不论是冷脆还是热脆,都会降低钢材的延展性和韧性,由于在加载后无明显变形,破坏前无预兆,这种破坏是钢材内部实质性的,破坏事件在窑筒体不是太薄的情况下即能发生,不易被提前发现,因此脆性破坏的危险性很大。   1.窑筒体的腐蚀离我们并不遥远   微量元素,特别是硫、磷、氯对窑筒体的腐蚀,除了使窑筒体变薄强度降低以外,还会降低钢材的塑形、增大钢材的脆性,有可能导致窑筒体的脆性破坏。这不是危言耸听,实际上,有害成分对窑筒体的腐蚀案例已不在少数,只是缺乏详细的分析和公开报道而已。   新疆水泥厂,Φ3.0m×45m、700t/d预分解窑,1981年6月投产,每次换砖都能发现0.2mm~0.7mm厚的腐蚀层,1987年大齿轮处筒体出现700mm长的裂缝。经测定,大齿轮前后900mm宽度上的平均厚度只有14mm,裂缝处最薄只有6.5mm,整个窑筒体都有不同程度的蚀薄,而窑筒体的原厚度为25mm;   新疆水泥厂,Φ3.0m×48m、800t/d预分解窑,1983年投产后,一直存在窑筒体腐蚀现象,1989年窑过渡带大齿轮附近出现窑筒体开裂;   冀东水泥厂,Φ4.7m×74m、4000t/d预分解窑,1983年11月投产,1985年发现窑筒体有腐蚀现象,1988年2月发现窑筒体距窑口31.6m处冒灰,检查发现有多条裂缝;   柳州水泥厂,Φ4.5m×68m、3200t/d预分解窑,1986年投产后,每次检修都发现过渡带窑筒体有严重腐蚀,腐蚀层厚1mm~2mm;   珠江水泥厂,Φ4.7m×75m、4000t/d预分解窑,1989年2月投产,每次换砖都发现距窑口三四十米处筒体,有严重的腐蚀现象;   新疆水泥厂,Φ4.0m×43m、2000t/d预分解窑,1992年投产,2008年1月发生自二档轮带至窑尾节处窑体断裂、窑尾节掉下窑台的重大事故,也与硫、磷的腐蚀有关。   特别在2013年以后,又相继发生了安阳湖波、泉兴中联、卫辉春江、焦作千业等窑筒体脆性碎裂的恶性事故,现场可谓惨不忍睹。   从碎裂的现场来看,好像那窑筒体根本就不是用钢材卷制的、而是陶瓷材质的,不是金属的断裂或撕裂、而是脆性非金属体的溃散,如图01-01、图01-02、图01-03所示。 图01-01 安阳湖波20130102窑筒体碎裂现场 图01-01  安阳湖波20130102窑筒体碎裂现场 图01-02 泉兴中联20150117窑筒体碎裂现场 图01-02  泉兴中联20150117窑筒体碎裂现场 图01-03 卫辉春江20151121窑筒体碎裂现场 图01-03  卫辉春江20151121窑筒体碎裂现场   出事的几台窑都不是刚投产的新窑,都已有几年的运行时间、都过了质保期,很难说是设备制造厂选材不当造成的;随着石灰石资源的减少、随着废矿废渣的使用,很难排除原料中有害成分对窑筒体的腐蚀影响,钢材在使用中变质的可能性较大。遗憾的是,由于各种原因大部分事故缺乏系统的分析资料。 [Page]   2.难得的窑筒体碎裂事故分析   某水泥公司2007年02月投入生产、规格φ4.8×74m、能力5000t/d预分解窑,是最近发生的一起窑筒体碎裂事故,而且受到了该公司的高度重视。他们本着对事故的“三不放过”原则,进行了比较系统的事故分析和事故处理,对水泥行业有一定的借鉴作用。   2015年10月25日至11月11日停窑检修(主要是环保治理);12月05日16:00再次停窑(环保治理),停窑前回转窑运行平稳、未见异常现象;12月08日在距窑口26m前后挖补了372块较薄的耐火砖。   2015年12月11日,大约07:15,值班人员在听到一声巨响后,现场检查发现回转窑筒体发生了碎裂!加固排险后的现场如图02-01所示。 图02-01 加固排险后的回转窑筒体碎裂现场 图02-01  加固排险后的回转窑筒体碎裂现场   窑筒体开裂分布在长约44m的筒体尾段上,主要有三条主线:   ① 二挡轮带至窑中42m处,有一道长约7.5m的纵向裂纹A,其窑尾端被一道环向裂纹B截断,如图02-02所示、参见三维模拟图02-04;   ② 裂纹B绕筒体螺旋回转延伸、穿过大齿圈通往三挡轮带,并在回转窑主电机的上方出现了较大的张口,可见到窑内的耐火砖有明显的松动和位移,有个别砖已经脱落出窑外,如图02-02所示、参见三维模拟图02-04;   ③ 在大齿圈顶部,还有一道纵向裂纹C,延伸至窑尾末端,如图02-03所示、参见三维模拟图02-04。 图02-02 纵向裂纹A、环向裂纹B现场图 图02-02  纵向裂纹A、环向裂纹B现场图 图02-03 贯穿窑尾的纵向裂纹C现场图 图02-03  贯穿窑尾的纵向裂纹C现场图 图02-04 窑筒体开裂分析三维模拟图 图02-04  窑筒体开裂分析三维模拟图   2.1现场勘察分析:   从现场勘查和分析来看,本次窑筒体开裂具有以下特点,参见以下勘查分析图02-05、勘查分析图02-06、勘查分析图02-07:   ①本次窑筒体开裂事故,基本定性为快速脆性开裂;   ② 本次窑筒体开裂方向,整体上从窑头向窑尾扩散;   ③ 本次窑筒体开裂源,起裂于窑中间区域的顶部和侧上方区域。 图02-05 现场勘查分析图一 图02-05  现场勘查分析图一 图02-06 现场勘查分析图二 图02-06  现场勘查分析图二 图02-07 现场勘查分析图三 图02-07  现场勘查分析图三 [Page]   2.2宏观断口分析:   从断口的宏观分析来看,本次窑筒体开裂具有以下特点,参见以下宏观断口分析图02-08、宏观断口分析图02-09、宏观断口分析图02-10:   ① 断裂源处为点腐蚀斑;   ② 裂纹产生后向外表面和两侧扩散;   ③ 筒体内壁腐蚀严重,局部有点腐蚀斑。 图02-08 宏观断口分析图一 图02-08  宏观断口分析图一 图02-09 宏观断口分析图二 图02-09  宏观断口分析图二 图02-10 宏观断口分析图三 图02-10  宏观断口分析图三   2.3微观断口分析:   从断口的微观分析来看,本次窑筒体开裂具有以下特点,参见以下微观断口分析图02-11、微观断口分析图02-12、微观断口分析图02-13:   ① 裂纹源区有较多的腐蚀产物,并含有高腐蚀性介质S和CI-   ② 扩展区以解理脆性断口为主;   ③ 靠近外壁的后断拉边区,断口呈现韧窝状。 图02-11 微观断口分析图一 图02-11  微观断口分析图一 图02-12 微观断口分析图二 图02-12 微观断口分析图二 图02-13 微观断口分析图三 图02-13 微观断口分析图三 [Page]   2.4腐蚀产物分析:   从窑筒体内壁的腐蚀产物化学成分分析来看,本次窑筒体开裂具有以下特点,参见以下腐蚀产物分析图02-14、腐蚀产物分析图02-15、腐蚀产物分析图02-16:   ① 腐蚀产物形貌,和断口上的腐蚀产物相同;   ② 腐蚀产物化学成分,和源区断口上的腐蚀产物相同。 图02-14 腐蚀产物分析图一 图02-14  腐蚀产物分析图一 图02-15 腐蚀产物分析图二 图02-15  腐蚀产物分析图二 图02-16 腐蚀产物分析图三 图02-16  腐蚀产物分析图三   2.5截取窑筒体样品分析:   本次分析从紧靠回转窑大齿轮的窑尾侧截取了一块样品,如图02-17所示。对样品的分析和试验得出如下结果:所取样品的化学成分、能谱分析、金相组织、力学性能均符合规范要求,说明制作窑筒体选用的钢材没有问题。 图02-17 从紧靠回转窑大齿轮的窑尾侧截取了一块样品 图02-17  从紧靠回转窑大齿轮的窑尾侧截取了一块样品   2.6分析与讨论:   ① 窑筒体材料化学成分符合标准规范要求。   ② 窑筒体材料为正常的铁素体+珠光体组织,钢中非金属夹杂物较少。   ③ 窑筒体材料的室温拉伸性能和低温冲击性能,均符合GB/T 700-2006标准规范要求。   ④ 窑筒体内壁腐蚀严重,有腐蚀产物剥落,残留壁厚约23mm~25mm,局部腐蚀严重处形成凹坑状腐蚀斑,最小残留壁厚约18mm。   3.窑筒体碎裂事故分析结论   ① 二挡和三挡中间,位于窑筒体中间区域挠度最大,结构上来说是受力最大区,壁厚设计为最小28mm,设计上就是一个薄弱环节;   ② 内壁腐蚀严重,平均减薄3mm~5mm,整体承载能力下降。局部形成点蚀坑,最大减薄处,残留壁厚仅仅18mm,此区域为应力集中区,也是薄弱点;   ③ 冬天温度低材料脆性增大;   ④ 停窑后窑筒体的内应力增大。   由于以上四条原因的作用,在窑筒体的二挡和三挡中间、窑上方的薄弱腐蚀凹坑处,多源起裂、并在应力作用下快速扩展,最终导致了窑筒体爆裂。   此次筒体开裂的起裂源有4处,每处均有弧形腐蚀坑,腐蚀坑呈裂缝状,形成严重的应力集中。   腐蚀原因主要为S、Cl、K的长期腐蚀。起裂源处有效厚度最低为18mm,与原始厚度28mm相比减薄35.7%,导致筒体承载能力严重下降。
(责任编辑:王超涵)
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