还原窑二次风风管的改进及焊接修复

还原窑二次风风管的改进及焊接修复

谭健锋孙红宇夏国春

茂名粤桥集团矿业有限公司广东茂名525000

摘要：介绍了还原窑二次风风管的工作条件、破坏形式及原因，通过改变风管材料成份、改进风管结构，使风管满足长期抗1050～1150℃高温氧化、抗硫腐蚀及抗机械磨损的要求。同时，采用分段设计及焊接修复手段亦可有效降低风管制造及维护成本，延长风管使用寿命。

关键词：二次风风管抗氧化1Cr28Si2Re抗硫腐蚀机械磨损焊接修复

0.前言

还原锈蚀法人造金红石的还原工序是在封闭的回转窑中通过煤的燃烧使窑内温度达到并保持在1050～1150℃，再利用高温下煤粒不完全燃烧产生的一氧化碳将钛铁矿中Fe2O3及FeO还原成金属铁[1]。在还原过程中，除了利用高压喷煤枪提供燃烧一次风外，还必须通过分布在还原窑身上的二次风风管通入助燃空气，从而确保窑内有足够的供氧量以维持煤的燃烧及窑内气氛的平衡。二次风风管选用的材质为抗高温氧化的Cr25Ni20系310S奥氏体不锈钢，但由于风管暴露于窑内部分长期工作在高温氧化及含硫气氛中，同时还要间歇承受高压喷煤枪喷出的煤粒的冲击和机械磨损，工作条件十分恶劣，常常因氧化腐蚀和机械磨损而从风管弯头处断落，导致被迫停窑停产。

为延长还原窑生产周期，提高还原工序产量，降低生产成本，通过对破坏原因分析、改变风管材质、改进风管结构设计及采取适当的焊接修复手段，成功解决了高温风管的高温氧化腐蚀及磨损问题。

1.二次风风管的破坏形式及原因

1.1风管的结构

还原窑高温风管的结构见图1。

A伸出窑身外部分；B镶嵌在窑砖内部分；C伸入窑内部分。

图1、风管改进前结构示意图图2、改进后的风管弯曲端结构示意图

1.2风管的破坏形式及原因

高温风管工作一定时间后，由于受到强烈氧化腐蚀和磨损，其端部弯曲处常被磨穿而断落，从而导致窑内气氛无法稳定而被迫停产。

取以往高温风管的破坏件，肉眼观察可以发现：

(1).断口明显变薄且参差不齐，且有明显氧化腐蚀痕迹；

(2).用铁锤轻击断口处，母材极脆而易断；

(3).新鲜断面可见粗大的晶粒，晶界处有明显氧化腐蚀痕迹；

(4).靠近还原窑砖与法兰间风管表面仅有轻微氧化，无磨损痕迹。

从以上观察结果可以看出：风管弯曲端因直接接触高温氧化含硫气氛同时还承受煤粒的冲击和磨损，破坏最为明显；而靠近法兰端因受窑砖保护或隔离、加之工作温度相对较低且承受任何机械磨损很小，故仅表现为轻微的表面氧化腐蚀。因此不难断定，造成风管断落的直接原因是机械磨损和高温氧化腐蚀。要避免破坏或延长风管的使用寿命，必须从改善材料性能、改进风管结构上着手，以提高风管抗高温氧化能力、抗硫腐蚀性能及在高温条件下的耐机械磨损能力。

2.风管结构设计的改进

风管的磨损发生在弯曲处正对高压喷煤枪方向的背部，而其它部位基本上很少机械磨损。因此结合风管的实际工作条件并从经济性角度出发，对风管的结构进行了如下设计改进：

(1).增加风管弯曲处背部厚度，由原来12mm增加到30mm，其它不承受机械磨损的部位厚度不变(见图2)。在材质不发生改变的前提下，由于耐磨层厚度增加，风管耐磨能力提高一倍以上。

(2).鉴于风管靠近法兰端工作条件相对有所改善，其破坏速度远远慢于伸入窑内的弯曲端。同时原来破损的风管靠近法兰端基本无损坏，仍可继续使用。为节省风管制造及维修费用，决定将原来的整体设计改为分体设计，即：风管弯曲端按图2所示进行铸造加工，靠近法兰端则直接在原来损坏的风管上截取。安装时先将两部分焊接端口打好坡口，对好后用抗裂性、抗氧化性及抗硫腐蚀较好的A412焊条将坡口填充焊满即可。

3.风管材料的改进

风管在实际工作中除了承受高温含硫氧化性气氛腐蚀及大结窑块料、煤粒有限的冲击外，并不承受其它大的外力作用。从风管实际使用情况来看，原来选用的310S不锈钢并不理想，原因有二：

其一是310S为高镍钢，其高温抗硫腐蚀性能差。在1050～1150℃高温含硫气氛中，S会以较快速度渗入并与Ni沿着晶界形成低熔点的Ni-Ni3S2共晶体[2]，从而大大加剧材料的腐蚀及风管的破坏速度。

其二是310S常用作900～1100℃高温条件下的抗氧化钢。而还原窑长期工作温度在1050～1150℃之间，有时还接近1200℃，工作温度常常超过其使用温度上限，从而加剧其氧化速度。这也是为什么风管在工作温度相对高的弯曲端氧化腐蚀严重而在工作温度较低的法兰端氧化腐蚀相对轻微的主要原因。

有鉴于此，对制造风管的材料进行了重新设计改进，以抗高温氧化及抗硫腐蚀性能更好的铁素体不锈钢材料1Cr28Si2Re替代原来的310S奥氏体不锈钢作为风管弯曲端的铸造材料。新材料主要成份见表1。

表11Cr28Si2Re材料主要成份(wt%)

注：统计天数为风管在高温条件下实际运转天数。

5.风管的焊接修复

在高温腐蚀条件下，材料的耐磨性相对变差。因此，在工作一段时间之后，风管正面接触喷煤煤粒磨损的弯曲背面管壁常因出现一定程度的磨损而变薄。当管壁厚度薄于12mm时，可通过焊接修复的办法延长风管的使用寿命。具体操作步骤如下：

(1)、每窑期停窑后，检查风管壁的磨损情况。若磨损及氧化腐蚀深度超过18mm，应进行焊接修复。

(2)、根据磨损部位大小，从旧风管上割取尺寸大小相当的焊补板。将焊补板四周的毛边、氧化皮打磨干净备用。

(3)、取适量A412Ø3.2mm及Ø4.0mm焊条置于150℃烘箱中烘焙1小时备用。

(4)、用手动砂轮打磨风管须焊补的部位，去除氧化腐蚀层，直至露出金属光泽为止。因1Cr28Si2Re不锈钢经高温条件后会因晶粒长大而变脆，故修复时禁止用力锤击修复部位。

(5)、用氧-乙炔焰将需修复部位预热至200～300℃，然后用A412焊条将焊补板焊于补焊部位。焊后用石绵纤维板将补焊部位包裹好，待冷却至室温后将石绵板拆下以备下次使用。

由于改用1Cr28Si2Re材料后，风管抗高温氧化速度明显减缓，造成其破坏的直接原因为主要高温磨损。通过上述焊接修复方法实际上是增加了风管管壁的耐磨层厚度，因而可有效延长风管的使用寿命。

6.结语

6.1还原窑二次风风风管的破坏是由高温氧化、硫的腐蚀及煤粒机械磨损共同作用的结果，但机械磨损是最直接的原因。

6.2310S不锈钢不适于制作在1050～1150℃及高温含硫气氛条件下使用的风管材料。

6.3采用分体设计及加厚耐磨层厚度可有效提高风管抗高温磨损能力，同时降低制造及维修成本。

6.4以1Cr28Si2Re替代310S作为风管制造材料，不仅能有效抵卸含硫气氛的腐蚀，而且能大大提高风管抗高温氧化能力，长期使用温度可达1200℃。

6.5采用同种材料的焊补板及A412焊条进行焊接修复，可有效延长风管使用寿命。

6.6改进后风管使用寿命较改进前延长了2倍以上，单位产品的风管投入及维修成本仅为改进前的20%。

参考文献:

[1]李唐礼等，还原－锈蚀法生产人造金红石十年实践，1990年。

[2]崔昆等，钢铁材料及有色金属材料，机械工业出版社，1980年。