1、寶鋼1BF爐殼延長一代爐齡研究回顧和設想作者：上海寶冶工程技術公司 盧 靜提要：本文是老文新發，一是完成考核任務，二是想提點建議為寶冶建設產業獻策供有關領導參考。一、概況： 寶鋼1高爐始建于一九七八年，一九八五年九月建成并點火投產，一九九六年三月停爐大修。按國內貫例大修的定義基本上將高爐主要結構更新或加固，尤其是爐殼上部承受高的溫段，大多數廠家是采取拆除更新。寶鋼1高爐大修打破傳統的做法，對高爐整體進行全過程的調查試驗測試分析后得出結論。爐殼結構性能滿足第二代爐齡要求，不需要更新。就是說1高爐爐殼鋼板還可以使用10年以上。 寶鋼1高爐全套設備是從日本引進的。高爐容積為4036 m3，是世界最大

2、高爐之一，設計年產鐵300萬噸，大修前止已產鐵3000多萬噸，爐殼鋼板總重量400多噸。鋼板材質是以日本SM50B為主體，板厚從45 mm90 mm不等。焊接方法有絲極電渣焊、熔咀電渣焊、手工電弧焊三種，制造安裝質量是當時世界上最高水平。 4036 m3大高爐，設備繁多，對爐殼影響的因素眾多復雜。能以科學的、準確的作出爐殼還可以使用10年以上。它的構思是一個大膽且具有很大的風險性。 高爐大修的日期已確定，如果爐殼更新其準備工作是大量的。定貨、制造、安裝一系列工作都要在二年前確定下來，否則將直接影響高爐的按期出鐵，事關重大。二、研究方案及檢測試驗項目： 1. 研究方案：以失效學理論為依據設計研究

3、方案。高爐爐殼失效主要模型為裂紋形成裂紋擴展爐殼崩裂。裂紋是合成應力作用的結果，爐殼合成應力中份量最大的是爐殼溫度不均勻造成的熱應力，此外，合成應力的大小不斷地變化著，屬于循環應力中變幅波動拉伸應力。因此，高爐爐殼裂紋主要是循環應力導致的疲勞裂紋，這是研究的內容之一；研究內容之二是長期工作在室溫以上（某些發紅區溫度可達到材料相變溫度）的爐殼材料本身組織結構和性能變化。根據失效分析一般思路，1BF爐殼評估的分析框圖如下： 查明爐殼廣義 以循環應力疲勞 查明爐殼材服役 應力包括應力、 破壞作為失效主， 8年后的組織和 溫度、腐蝕環境 要模式，疲勞計 性能及今后的變 算判據 化預測 評估意見 根據框

4、圖，確定課題組從兩方面展開檢測和試驗，一方面通過現場測試與計算，掌握爐殼表面溫度、應力、爐體變形等廣義應力數據。另一方面研究材料現狀和發展趨勢，包括通過不損傷檢測，了解材料表面和內部缺陷、壁厚、硬度變化、腐蝕情況以及通過微損傷套料取樣進行材料組織結構、機械性能與斷口、疲勞強度、應變時效等試驗。此外，還進行了影響爐殼利用的基礎砼強度測試。在上述兩方面檢測和試驗結果基礎上，進行討論、研究以形成評估意見。具體檢測，試驗項目如下： 2. 檢測、試驗項目： 查明爐殼廣義應力部分有：. 寶鋼1高爐本體爐皮調查報告. 寶鋼 1BF 爐殼殘余應力測試. 寶鋼 1BF 爐殼工作應力測試. 寶鋼 1BF 爐殼外表

5、面溫度測試. 寶鋼 1BF 爐殼變形測試. 寶鋼 1BF 爐殼工作特性測試. 寶鋼 1BF 爐殼計算分析 查明爐殼材料服役8年后的現狀及預測今后變化的部分有：. 寶鋼 1BF 爐殼無損探傷測試. 寶鋼 1BF 爐殼壁厚測試. 寶鋼 1BF 爐殼硬度測試 . 寶鋼 1BF 爐殼機械性能測試. 寶鋼 1BF 爐殼金相測試. 寶鋼 1BF 爐殼斷口測試. 寶鋼 1BF 爐殼化學分析. 寶鋼 1BF 爐殼腐蝕情況調查. 寶鋼 1BF 爐殼應變時效試驗. 寶鋼 1BF 爐殼材料疲勞試驗. 寶鋼 1BF 爐殼基礎砼強度測試 此外，還介紹了高爐爐殼取樣方法及設備。三、測試結果及綜合分析：1. 廣義應力狀況：

6、 用盲孔法實測了1BF休風狀態爐殼不同部位上12個點的應力，最大拉伸主應力點在風口處，達206.3 Mpa，其次在CP3818為177.8 MaP，送風后的拉伸主應力在風口處達70 MPa，由于兩者測點不重疊，主應力方向不一致，不應疊加。此實測應力與有限元法計算應力有較好對應性，有限元法計算最大應力也在風口區，環向應力為202 MPa。 測得爐體最大變形為直徑方向14 mm（比設計輪廓凹過14 mm）。 測得基礎砼平均強度為39.9 Mpa，為設計標號C25的1.59倍，未發現有害裂縫及破損。 1993年2月測量爐殼溫度，僅在39段315°處的溫度為215，其余都在124以下。 以上

7、結果說明1BF投產8年后，由于管理維護措施得當，爐役后期發生的發紅區已被遏制，爐殼的溫度與應力基本上在正常范圍內。 2. 爐殼材料現狀及變化趨勢： 研究內容分爐殼表面不損傷檢驗與微損傷取樣檢驗。原則之一是盡可能擴大不損傷檢驗部位，尤其是發紅區，但是在不停產情況下，利用五次定修時間所能檢驗的范圍，畢竟只占爐殼表面積的一小部分；原則之二是盡可能少取樣，取小樣，對爐殼強度損傷盡量小，因此共鉆取30*50mm樣品3個，122*50mm樣品2個，在這些樣品上精心排樣，切取試樣進行拉力、沖擊、疲勞、應變時效及化學分析、金相、硬度等試驗。因為樣品少，某些試驗在試樣尺寸、取樣位置等方面不能完全按規范要求操作，

8、如拉力試棒未按規定取自厚度中心。(1) 爐殼材料現狀： 檢驗結果表明1BF爐殼鋼板使用8年后，材質未發生明顯劣化，即使在發過紅的部位也如此。概述如下： 表面與內部無損探傷未發現表面和內部裂紋，內部有個別1 mm平底孔當量的缺陷系鋼板原有缺陷且在鋼板出廠標準范圍內，金相檢驗未發現顯微裂紋。爐殼測厚未發現鋼板因磨損變薄，相反略有增厚，與鋼板標稱厚度比較，增厚率一般在2以下，個別發紅區超過3，由于沒有鋼板原始厚度數據，無法確定真實增厚率，如按JISG3193厚度4063 mm，寬度20002500 mm鋼板的厚度公差為±1.0 mm，也就是說，最大正公差鋼板與標稱厚度相比就相差2。鋼板增厚

9、是材料塑性變形的結果，增厚到某個臨界值以后可能產生裂紋，有資料說厚度40 mm爐殼臨界增厚率是8。腐蝕調查未發現爐殼鋼板有腐蝕損傷。鋼板成份符合JISG3106的SM50B標準，組織結構基本上厚于一般熱軋鋼板正常的珠光體加鐵素體組織。雖然S、P很低但斷口中可見到條帶狀硫化錳及粒狀氧化鋁夾雜物，說明與一般厚鋼板一樣，難免存在偏析及成份組織不均勻性。正常區和發紅區的沖擊韌性符合JISG3106的SM50B標準，但斷口由韌斷與少量解理區兩部分組成。拉力試驗各項指標中，正常區全部符合標準，發紅區塑性指標中的伸長率經過換算為19.533%，（因試樣種類不一樣，按我國YB408092鋼的伸長率換算標準進行

10、換算）比JISG3106標準中SM50B的23稍低。但是應當注意到兩點： . 拉力試樣取自爐殼鋼板外表層，按照標準應該取自鋼板中心。 . 反映材料塑性的另一指標斷面收縮率74，說明材料可承受大量局部集中塑性變形。有人認為在塑性指標中，采用斷面收縮率比采用伸長率更為合理。 拉力試驗與沖擊試驗數據一般供靜載條件計算之用，在本報告的研究方案評估分析圖中已經闡明，高爐失效模式應該以疲勞計算作為安全計算準則，疲勞試驗得到10-7疲勞極限n在正常區為265.1 Mpa，發紅區為253.3 Mpa。疲勞應力以實測和有限元計算的最大應力風口區應力206 Mpa作為動載平均應力6 m，計算得到許用應力幅6在正常

11、區為127 Mpa，發紅區為89 Mpa，根據2BF長期測量數據，應力幅僅為38 Mpa，因此疲勞計算是安全的。(2) 爐殼材料變化趨勢： 前提條件與模擬試驗： 前提條件：現在起到1995年3月停車的1年半中，爐殼溫度保持著現狀，不超過250，大修后爐殼管理維護水準不低于第一爐役，即前68年中爐殼不發紅，后46年中做到一發紅及時采取第一爐役中總結出來的有效措施，遏制發紅區。這個前提條件也是模擬試驗的溫度參數。應力參數選定爐殼最大應力200 Mpa，從發紅區樣品上切取試樣進行應變時效試驗，雖然SM50B屬于時效傾向不敏感鋼種，但是弄清楚在1BF具體的溫度與應力條件下，其組織結構與性能是如何隨著時

12、間而變化的，對于預測和評估第二爐役的安全十分重要。試驗時間分別為6、200、600、1400、2100與3500小時，雖然第二爐役時間長達100000小時，但是長達3500小時的試驗中，從沖擊韌性及斷口形貌變化中已經展示了從時效初期、時效高峰到過時效的基本規律，如圖2所。試樣原始態kv163 J/cm*cm，6小時后升高（相重新溶入），以后略有下降（C.N原子集聚、析出），3500小時后有較明顯提高（析出相長大），表征時效過程進入了過時效階段，kv達到163 J/cm*cm。斷口從原始態的韌斷和部分解理斷轉變為全韌窩型。按照時效機構學理論，過時效后材料組織與性能變化趨于穩定，因此，長達3500

13、小時的應變時效試驗可以用來預測爐殼鋼板在第二爐役中的表現。這里也可以展開說明一下，如果在今后使用中溫度低于250，那末時效過程將進行更加緩慢，要更長的時間才達到本試驗3500小時的結果。同樣，在爐殼上應力值低于200 Mpa的部位時效過程也進行得更加緩慢。 爐殼材料變化趨勢分析： 1BF爐殼在第二爐役中如果滿足上述前提條件，則排除了蠕變損壞和大量塑性變形直至開裂損壞的因素，可著重考慮防止疲勞破壞失效。應變時效試驗表明，在250溫度以下長期工作材質不會有明顯變化。四、1BF爐殼延長一代爐役期評估意見： 1. 如果到原地大修前以及大修后在第二爐役中，通過加強爐殼管理維護，使爐殼溫度基本上在250以

14、下，第二爐役后期一俟出現發紅及時采取措施，控制和遏制發紅區，則整個爐殼可以延長一代爐役期，理由如下： 正常區的組織結構、性能基本上與正常鋼板一樣，沖擊韌性稍低，但仍高于標準，斷口有部分解理，這與時效過程有關，應變時效試驗已展示了時效過程，結果是趨向于性能穩定。因此，根據安全評估的通則和經驗，并考慮到價值工程原則，正常區鋼板宜繼續使用；發紅區鋼板除了伸長率稍低外，其它指標與正常區非常接近，沖擊韌 400 300k（J/cm*cm） 200 100 0 1000 2000 3000 4000 t（hrs）,T=250圖2 250，200Mpa長期應變時效后發紅區試樣沖擊韌性變化規律性還稍高于正常區

15、，對于伸長率問題除前文中已作的分析外，再補充一個試驗結果，就是取自發紅區鋼板內層試樣，在應力為200 Mpa，溫度250，經過3300小時后，伸長率換算為35，說明發紅區材料經過回火可提高伸長率，因此發紅區域鋼板也可繼續使用。 2. 一九九六年三月停爐大修中，對爐殼材料機械性能、熱處理參數選擇、爐殼鋼板厚度、爐殼鋼板硬度、爐殼焊接接頭缺陷檢測作了進一步的試驗，其結果與兩年前評估結果重復性較好，保證寶鋼1高爐大修的順利進行。換與不換對大修工期影響最大，初步測算最少節約30天工期，直接節約材料費、制造費、安裝費、拆除費近千萬元，得到寶鋼領導的充分肯定。根據國際互聯網檢索，此種方法是首創。五續語該文完成于1996年12月到2008年12月共十二年。寶