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【事故警醒】冀东一水泥厂窑筒体断裂,恐损失千万!微量元素对窑筒体的危害不容忽视!(附现场图)

金泥安环之都2018-05-16 14:14:11
       2018年1月24日一大早有网友爆料,大同冀东水泥有限公司1号水泥窑突然发生断裂。据业内人士分析,此次事故损失恐超千万,目前现场正在进行抢修,事故详细情况和原因还在调查中。

事故现场图(一)


事故现场图(二)


事故现场图(三)

有行业内人士称,此次事故发生原因应该是氯、硫、磷等有害离子渗透进入钢材内部,致使钢材变脆,加上停窑期间天气太冷,发生钢材冷脆而断窑。

相关问题问题可以联想到,与近期被行业追捧的水泥窑协同处置有关。此外,有行业技术人员称,“最近确实有厂家由于烧污染土,造成对筒体的严重腐蚀,把窑烧塌。现在有很多水泥企业对协同处理污染土非常热情,污染土量大,表面效益高,水泥厂处理一定要按科学处理,分析好污染成分,合理的选择加入点,及水泥窑的烧成容量,不然会得不偿失。”


在提倡循环经济、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01-02 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


  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。



  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


  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02-03 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



  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02-06 现场勘查分析图二


图02-07 现场勘查分析图三


  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02-09 宏观断口分析图二


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02-12 微观断口分析图二


图02-13 微观断口分析图三



  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02-15 腐蚀产物分析图二


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


  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。


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