目前，我國煉鐵企業(yè)使用的高爐熱風爐主要有霍戈文內燃式熱風爐、卡盧金小拱頂頂燃式熱風爐和豫興大拱頂頂燃式熱風爐等不同類型。這些熱風爐爐殼或多或少存在由于原材料選擇不當、焊接缺陷、應力集中、腐蝕介質腐蝕、周期性送風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爐共性技術問題，直接影響到高爐設備的正常運行，也給企業(yè)帶來了巨大的經濟損失。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生，消除或減少設備和人身安全事故隱患，延長熱風爐維修、大修周期，提高熱風爐使用壽命，是本文討論的主要問題。
應力集中造成焊縫開裂甚至殼體分離的原因分析
熱風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。而矯正鋼板合攏產生的應力和焊接過程產生的應力會直接影響到爐殼焊縫的機械強度。
如果矯正合攏產生的應力大于焊接過程產生的應力，焊縫就會產生裂紋，甚至會使焊縫開裂、殼體分離。如果焊接過程產生的應力大于矯正合攏產生的應力，應進行去應力熱處理，否則可能會造成應力疲勞產生裂紋，導致焊縫開裂。特別是在爐殼燃燒室部位，爐殼結構復雜，幾何形狀變化比較大，校對焊接難度大，是校對過程產生的應力和焊接過程產生的應力集中傾向最嚴重的部位，也是爐殼焊縫開裂的重災區(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。但此類措施會導致被撬動鋼板的彎曲部位產生較大應力。焊接前如果把鋼釬或者夾板和螺栓松開，鋼板就會恢復到原位，應力就會自動消除。當爐殼鋼板在外力作用下，強行合攏焊接后，彈性變形就會轉變?yōu)橛谰米冃危摪宓氖芰澢课?，就會成為應力集中的地方?/span>
因此，在校對過程中，要盡量減少和避免爐殼撬動合攏，以減少焊接過程產生的應力集中。撬動合攏鋼板彎曲處產生的應力集中與焊接加熱冷卻產生的應力集中聯(lián)系在一起，就容易產生更為復雜的應力集中，甚至產生焊接裂紋。當彈性變形產生的應力集中遠大于焊接加熱冷卻產生的應力集中時，外力撤出后，短期內可能會產生巨響，形成較長的裂紋，甚至會造成拱頂與殼體分離。如果撬動合攏處的焊接強度大于彎曲變形產生的應力集中時，爐殼焊縫應力集中依然存在，內壁焊縫會出現(xiàn)兩種可能，一種是應力集中產生裂紋，在熱風爐運行過程中，周期性壓力作用下，裂紋會越來越深、越來越長；另一種是有應力集中，但沒有產生裂紋，而沒有裂紋的應力集中可通過消除應力熱處理和人工時效減少和消除，以提高熱風爐爐殼的使用壽命。
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致的缺陷，它是借助儀器設備才能檢測到的隱患，也是熱風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)境濕度及焊接技術等，造成焊接過程產生氣孔、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)間會產生熱脆現(xiàn)象，容易造成龜裂和氣孔等焊接缺陷；再者，熱風爐爐殼鋼板材料選擇不當，鋼板材料本身含氫量較高，在校對焊接過程中，焊縫產生的拘束應力，經過潛伏期，會產生白點和偏析，最終形成焊縫及焊縫熱影響區(qū)內裂紋等焊接缺陷（圖2）。
NOx腐蝕造成爐殼焊縫開裂的原因分析
NOx腐蝕，是指在熱風爐運行過程中產生的熱力型NOx與氣流中的水分反應生成的HNO3，緩慢腐蝕焊縫裂紋造成的焊縫腐蝕開裂現(xiàn)象。高爐熱風爐運行過程中，熱風爐爐殼被氮氧化物腐蝕，是不可避免的問題。因為熱風爐燃燒氣流是由煤氣和空氣通過預混、燃燒、蓄熱等過程產生高溫，再通過高壓空氣，將高溫熱量送入高爐。在這個過程中，高溫氣體會產生NOx。高溫氣體中的NOx以NO為主，當氣體溫度降低時，NO逐漸轉化為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。
在送風期，熱風中NOx的平衡濃度約為燃燒期的4倍，并且熱風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會逐漸轉化為NO2。當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將腐蝕爐殼應力集中產生的裂紋、焊接缺陷產生的裂紋以及氫脆產生的裂紋，加快焊縫的開裂速度，導致熱風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，它們的脆性效應是簡單的疊加。因此，應防止和減少受力構件在應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）熱風爐運行過程中主要產生熱力型NOx。通過優(yōu)化燃燒器結構，優(yōu)化預混燃燒工藝，控制過剩空氣量，使混合燃燒火焰形成短焰或者無焰，可減少熱力型NOx產生量。
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）熱風爐運行過程中，焊接缺陷、應力集中、腐蝕介質腐蝕、周期性送風壓力等問題，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壓力對爐殼的作用力時，爐體有可能產生瞬間爆炸。
4）根據(jù)高爐爐容和壓力大小，熱風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。
