目前，我國煉鐵企業(yè)使用的高爐熱風(fēng)爐主要有霍戈文內(nèi)燃式熱風(fēng)爐、卡盧金小拱頂頂燃式熱風(fēng)爐和豫興大拱頂頂燃式熱風(fēng)爐等不同類型。這些熱風(fēng)爐爐殼或多或少存在由于原材料選擇不當(dāng)、焊接缺陷、應(yīng)力集中、腐蝕介質(zhì)腐蝕、周期性送風(fēng)壓力等造成的焊縫開裂，甚至極少數(shù)不同程度的爐體爆炸問題。這些問題都屬于熱風(fēng)爐共性技術(shù)問題，直接影響到高爐設(shè)備的正常運行，也給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟損失。分析問題發(fā)生的根源，在爐殼加工、校對、焊接過程和爐襯砌筑、安裝、調(diào)試、運行過程中，找出解決問題的具體辦法，防止和減少這些問題的產(chǎn)生，消除或減少設(shè)備和人身安全事故隱患，延長熱風(fēng)爐維修、大修周期，提高熱風(fēng)爐使用壽命，是本文討論的主要問題。
應(yīng)力集中造成焊縫開裂甚至殼體分離的原因分析
熱風(fēng)爐爐殼在校對焊接過程中發(fā)生焊縫開裂甚至殼體分離，主要原因是爐殼鋼板加工成型、校對過程中的積累誤差造成合攏錯位。為了達到爐殼校對焊接技術(shù)要求的誤差范圍，需要矯正合攏，減小積累誤差。而矯正鋼板合攏產(chǎn)生的應(yīng)力和焊接過程產(chǎn)生的應(yīng)力會直接影響到爐殼焊縫的機械強度。
如果矯正合攏產(chǎn)生的應(yīng)力大于焊接過程產(chǎn)生的應(yīng)力，焊縫就會產(chǎn)生裂紋，甚至?xí)购缚p開裂、殼體分離。如果焊接過程產(chǎn)生的應(yīng)力大于矯正合攏產(chǎn)生的應(yīng)力，應(yīng)進行去應(yīng)力熱處理，否則可能會造成應(yīng)力疲勞產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致焊縫開裂。特別是在爐殼燃燒室部位，爐殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，幾何形狀變化比較大，校對焊接難度大，是校對過程產(chǎn)生的應(yīng)力和焊接過程產(chǎn)生的應(yīng)力集中傾向最嚴重的部位，也是爐殼焊縫開裂的重災(zāi)區(qū)。爐殼焊縫開裂大部分發(fā)生在爐殼燃燒室部位。
分析認為，在爐殼燃燒室部位的校對焊接過程中，由于積累誤差大，易造成圓環(huán)合攏處錯位大，需要采取鋼釬撬動或者用夾板與螺栓緊固撬動等措施強行合攏。但此類措施會導(dǎo)致被撬動鋼板的彎曲部位產(chǎn)生較大應(yīng)力。焊接前如果把鋼釬或者夾板和螺栓松開，鋼板就會恢復(fù)到原位，應(yīng)力就會自動消除。當(dāng)爐殼鋼板在外力作用下，強行合攏焊接后，彈性變形就會轉(zhuǎn)變?yōu)橛谰米冃危摪宓氖芰澢课?，就會成為?yīng)力集中的地方。
因此，在校對過程中，要盡量減少和避免爐殼撬動合攏，以減少焊接過程產(chǎn)生的應(yīng)力集中。撬動合攏鋼板彎曲處產(chǎn)生的應(yīng)力集中與焊接加熱冷卻產(chǎn)生的應(yīng)力集中聯(lián)系在一起，就容易產(chǎn)生更為復(fù)雜的應(yīng)力集中，甚至產(chǎn)生焊接裂紋。當(dāng)彈性變形產(chǎn)生的應(yīng)力集中遠大于焊接加熱冷卻產(chǎn)生的應(yīng)力集中時，外力撤出后，短期內(nèi)可能會產(chǎn)生巨響，形成較長的裂紋，甚至?xí)斐晒绊斉c殼體分離。如果撬動合攏處的焊接強度大于彎曲變形產(chǎn)生的應(yīng)力集中時，爐殼焊縫應(yīng)力集中依然存在，內(nèi)壁焊縫會出現(xiàn)兩種可能，一種是應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋，在熱風(fēng)爐運行過程中，周期性壓力作用下，裂紋會越來越深、越來越長；另一種是有應(yīng)力集中，但沒有產(chǎn)生裂紋，而沒有裂紋的應(yīng)力集中可通過消除應(yīng)力熱處理和人工時效減少和消除，以提高熱風(fēng)爐爐殼的使用壽命。
焊接缺陷造成爐殼焊縫開裂的原因分析
焊接缺陷是指爐殼鋼板在焊接過程中，由于多種因素共同作用導(dǎo)致的缺陷，它是借助儀器設(shè)備才能檢測到的隱患，也是熱風(fēng)爐爐殼焊縫開裂的重要因素。分析認為：首先，爐殼在校對焊接過程中，焊接材料中的水分、焊件坡口的鐵銹、油污、環(huán)境濕度及焊接技術(shù)等，造成焊接過程產(chǎn)生氣孔、疏松、夾渣、焊縫裂紋和母材龜裂等焊接缺陷（圖1）；其次，爐殼在焊接加熱與冷卻過程中，在1150-1200℃溫度區(qū)間會產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象，容易造成龜裂和氣孔等焊接缺陷；再者，熱風(fēng)爐爐殼鋼板材料選擇不當(dāng)，鋼板材料本身含氫量較高，在校對焊接過程中，焊縫產(chǎn)生的拘束應(yīng)力，經(jīng)過潛伏期，會產(chǎn)生白點和偏析，最終形成焊縫及焊縫熱影響區(qū)內(nèi)裂紋等焊接缺陷（圖2）。
NOx腐蝕造成爐殼焊縫開裂的原因分析
NOx腐蝕，是指在熱風(fēng)爐運行過程中產(chǎn)生的熱力型NOx與氣流中的水分反應(yīng)生成的HNO3，緩慢腐蝕焊縫裂紋造成的焊縫腐蝕開裂現(xiàn)象。高爐熱風(fēng)爐運行過程中，熱風(fēng)爐爐殼被氮氧化物腐蝕，是不可避免的問題。因為熱風(fēng)爐燃燒氣流是由煤氣和空氣通過預(yù)混、燃燒、蓄熱等過程產(chǎn)生高溫，再通過高壓空氣，將高溫?zé)崃克腿敫郀t。在這個過程中，高溫氣體會產(chǎn)生NOx。高溫氣體中的NOx以NO為主，當(dāng)氣體溫度降低時，NO逐漸轉(zhuǎn)化為NO2。由于煙氣中水蒸氣冷凝溫度較低，因此，在燃燒期很難生成液態(tài)水或者生成量很少。
在送風(fēng)期，熱風(fēng)中NOx的平衡濃度約為燃燒期的4倍，并且熱風(fēng)中的水蒸氣更容易析出生成液態(tài)水。由于爐殼附近溫度較低，NO會逐漸轉(zhuǎn)化為NO2。當(dāng)爐殼溫度低于水蒸氣的冷凝溫度時，析出的液態(tài)水和NO2反應(yīng)生成HNO3。而HNO3是一種既具有強氧化性，又具有強腐蝕性的無機酸，低濃度硝酸溶液對大多數(shù)金屬呈強烈的腐蝕作用。HNO3將腐蝕爐殼應(yīng)力集中產(chǎn)生的裂紋、焊接缺陷產(chǎn)生的裂紋以及氫脆產(chǎn)生的裂紋，加快焊縫的開裂速度，導(dǎo)致熱風(fēng)爐在短期運行過程中，焊縫裂紋被腐蝕氧化穿透爐殼，直至被目擊到爐殼外表面的裂紋。
有資料顯示，應(yīng)力腐蝕斷裂與氫脆斷裂是同時發(fā)生分別進行的，它們的脆性效應(yīng)是簡單的疊加。因此，應(yīng)防止和減少受力構(gòu)件在應(yīng)力腐蝕與氫脆的雙重作用下發(fā)生脆性斷裂的危險性。通過熱力型NOx生成機理分析，以及各種抑制熱力型NOx的燃燒技術(shù)和燃燒器的分析，認為影響熱力型NOx生成量的主要因素是局部高溫、過剰空氣量和高溫區(qū)停留時間。
1）熱風(fēng)爐運行過程中主要產(chǎn)生熱力型NOx。通過優(yōu)化燃燒器結(jié)構(gòu)，優(yōu)化預(yù)混燃燒工藝，控制過?？諝饬浚够旌先紵鹧嫘纬啥萄婊蛘邿o焰，可減少熱力型NOx產(chǎn)生量。
2）爐殼在校對焊接過程中，焊接材料中的水分、焊件坡口的鐵銹、油污、環(huán)境濕度及焊接技術(shù)等，會造成焊接氣孔、疏松、夾渣、焊縫裂紋和母材龜裂等焊接缺陷。要選擇合適的焊接材料、創(chuàng)造合適的環(huán)境條件，編制合理的熱加工工藝，防止和減少焊接缺陷。
3）熱風(fēng)爐運行過程中，焊接缺陷、應(yīng)力集中、腐蝕介質(zhì)腐蝕、周期性送風(fēng)壓力等問題，集中表現(xiàn)在爐殼的某一個部位，同時爐殼的機械強度變差不能抵御送風(fēng)壓力對爐殼的作用力時，爐體有可能產(chǎn)生瞬間爆炸。
4）根據(jù)高爐爐容和壓力大小，熱風(fēng)爐爐殼需選擇合適原材料，如：壓力容器用鋼Q345R（HIC）可有效防止或減少焊縫及焊縫熱影響區(qū)母材裂紋，減輕龜裂裂縫腐蝕，避免事故發(fā)生。
