須顧忌，微量元素對(duì)窯筒體的危害

  我們?cè)诖蟾阊h(huán)經(jīng)濟(jì)、綜合利用的同時(shí)，對(duì)由此引入的有害元素的“有害”，必須有所顧忌?。?！

  由原燃材料帶進(jìn)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的諸多微量元素，除對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行有重要影響外，對(duì)燒成的關(guān)鍵設(shè)備——回轉(zhuǎn)窯的影響，也不得不引起重視，主要是對(duì)窯筒體的腐蝕。對(duì)窯筒體構(gòu)成腐蝕傷害的微量元素主要是氯、硫、磷。

  硫是鋼材的有害元素，能降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋制時(shí)造成裂紋，通常要求硫含量＜0.055%，優(yōu)質(zhì)鋼要求＜0.040%。但這是鋼材生產(chǎn)中的控制指標(biāo)，至于在鋼材的使用中，硫的腐蝕先在鋼材表面形成FeS₂密實(shí)層，然后再逐層深入，速度相對(duì)較慢，F(xiàn)eS₂能增加鋼材的熱脆性。

  磷的腐蝕也是從表層開始逐層深入的，速度相對(duì)較慢。但磷是影響鋼材低溫冷脆的主要元素，能增加鋼材的冷脆性，降低焊接性和塑性，使冷彎性能變壞。所以，在鋼材的生產(chǎn)過(guò)程中也給予了嚴(yán)格控制，通常要求鋼中含磷量＜0.045%，優(yōu)質(zhì)鋼要求更低些。

  氯離子則不同，由于Cl^-具有離子半徑小穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠進(jìn)入鋼材內(nèi)部進(jìn)行深層次的破壞，“不僅自己深入敵后，還要找一個(gè)K^＋做夫人生產(chǎn)KCl，建立根據(jù)地、擴(kuò)大地盤”。KCl又是相對(duì)疏松的多孔片層，滲透在鋼材中的KCl相當(dāng)于人肌體內(nèi)的癌細(xì)胞，會(huì)大幅度的降低鋼材質(zhì)量，變得很脆很易碎裂。

  需要注意的是，鋼材的脆性破壞，不論是冷脆還是熱脆，都會(huì)降低鋼材的延展性和韌性，由于在加載后無(wú)明顯變形，破壞前無(wú)預(yù)兆，這種破壞是鋼材內(nèi)部實(shí)質(zhì)性的，破壞事件在窯筒體不是太薄的情況下即能發(fā)生，不易被提前發(fā)現(xiàn)，因此脆性破壞的危險(xiǎn)性很大。

  1．窯筒體的腐蝕離我們并不遙遠(yuǎn)

  微量元素，特別是硫、磷、氯對(duì)窯筒體的腐蝕，除了使窯筒體變薄強(qiáng)度降低以外，還會(huì)降低鋼材的塑形、增大鋼材的脆性，有可能導(dǎo)致窯筒體的脆性破壞。這不是危言聳聽，實(shí)際上，有害成分對(duì)窯筒體的腐蝕案例已不在少數(shù)，只是缺乏詳細(xì)的分析和公開報(bào)道而已。

  新疆水泥廠，Φ3.0m×45m、700t/d預(yù)分解窯，1981年6月投產(chǎn)，每次換磚都能發(fā)現(xiàn)0.2mm～0.7mm厚的腐蝕層，1987年大齒輪處筒體出現(xiàn)700mm長(zhǎng)的裂縫。經(jīng)測(cè)定，大齒輪前后900mm寬度上的平均厚度只有14mm，裂縫處最薄只有6.5mm，整個(gè)窯筒體都有不同程度的蝕薄，而窯筒體的原厚度為25mm；

  新疆水泥廠，Φ3.0m×48m、800t/d預(yù)分解窯，1983年投產(chǎn)后，一直存在窯筒體腐蝕現(xiàn)象，1989年窯過(guò)渡帶大齒輪附近出現(xiàn)窯筒體開裂；

  冀東水泥廠，Φ4.7m×74m、4000t/d預(yù)分解窯，1983年11月投產(chǎn)，1985年發(fā)現(xiàn)窯筒體有腐蝕現(xiàn)象，1988年2月發(fā)現(xiàn)窯筒體距窯口31.6m處冒灰，檢查發(fā)現(xiàn)有多條裂縫；

  柳州水泥廠，Φ4.5m×68m、3200t/d預(yù)分解窯，1986年投產(chǎn)后，每次檢修都發(fā)現(xiàn)過(guò)渡帶窯筒體有嚴(yán)重腐蝕，腐蝕層厚1mm～2mm；

  珠江水泥廠，Φ4.7m×75m、4000t/d預(yù)分解窯，1989年2月投產(chǎn)，每次換磚都發(fā)現(xiàn)距窯口三四十米處筒體，有嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象；

  新疆水泥廠，Φ4.0m×43m、2000t/d預(yù)分解窯，1992年投產(chǎn)，2008年1月發(fā)生自二檔輪帶至窯尾節(jié)處窯體斷裂、窯尾節(jié)掉下窯臺(tái)的重大事故，也與硫、磷的腐蝕有關(guān)。

  特別在2013年以后，又相繼發(fā)生了安陽(yáng)湖波、泉興中聯(lián)、衛(wèi)輝春江、焦作千業(yè)等窯筒體脆性碎裂的惡性事故，現(xiàn)場(chǎng)可謂慘不忍睹。

  從碎裂的現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看，好像那窯筒體根本就不是用鋼材卷制的、而是陶瓷材質(zhì)的，不是金屬的斷裂或撕裂、而是脆性非金屬體的潰散，如圖01-01、圖01-02、圖01-03所示。

圖01-01  安陽(yáng)湖波20130102窯筒體碎裂現(xiàn)場(chǎng)

圖01-02  泉興中聯(lián)20150117窯筒體碎裂現(xiàn)場(chǎng)

圖01-03  衛(wèi)輝春江20151121窯筒體碎裂現(xiàn)場(chǎng)

  出事的幾臺(tái)窯都不是剛投產(chǎn)的新窯，都已有幾年的運(yùn)行時(shí)間、都過(guò)了質(zhì)保期，很難說(shuō)是設(shè)備制造廠選材不當(dāng)造成的；隨著石灰石資源的減少、隨著廢礦廢渣的使用，很難排除原料中有害成分對(duì)窯筒體的腐蝕影響，鋼材在使用中變質(zhì)的可能性較大。遺憾的是，由于各種原因大部分事故缺乏系統(tǒng)的分析資料。

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  2．難得的窯筒體碎裂事故分析

  某水泥公司2007年02月投入生產(chǎn)、規(guī)格φ4.8×74m、能力5000t/d預(yù)分解窯，是最近發(fā)生的一起窯筒體碎裂事故，而且受到了該公司的高度重視。他們本著對(duì)事故的“三不放過(guò)”原則，進(jìn)行了比較系統(tǒng)的事故分析和事故處理，對(duì)水泥行業(yè)有一定的借鑒作用。

  2015年10月25日至11月11日停窯檢修（主要是環(huán)保治理）；12月05日16:00再次停窯（環(huán)保治理），停窯前回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行平穩(wěn)、未見異?，F(xiàn)象；12月08日在距窯口26m前后挖補(bǔ)了372塊較薄的耐火磚。

  2015年12月11日，大約07:15，值班人員在聽到一聲巨響后，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯筒體發(fā)生了碎裂！加固排險(xiǎn)后的現(xiàn)場(chǎng)如圖02-01所示。

圖02-01  加固排險(xiǎn)后的回轉(zhuǎn)窯筒體碎裂現(xiàn)場(chǎng)

  窯筒體開裂分布在長(zhǎng)約44m的筒體尾段上，主要有三條主線：

  ① 二擋輪帶至窯中42m處，有一道長(zhǎng)約7.5m的縱向裂紋A，其窯尾端被一道環(huán)向裂紋B截?cái)啵鐖D02-02所示、參見三維模擬圖02-04；

  ② 裂紋B繞筒體螺旋回轉(zhuǎn)延伸、穿過(guò)大齒圈通往三擋輪帶，并在回轉(zhuǎn)窯主電機(jī)的上方出現(xiàn)了較大的張口，可見到窯內(nèi)的耐火磚有明顯的松動(dòng)和位移，有個(gè)別磚已經(jīng)脫落出窯外，如圖02-02所示、參見三維模擬圖02-04；

  ③ 在大齒圈頂部，還有一道縱向裂紋C，延伸至窯尾末端，如圖02-03所示、參見三維模擬圖02-04。

圖02-02  縱向裂紋A、環(huán)向裂紋B現(xiàn)場(chǎng)圖

圖02-03  貫穿窯尾的縱向裂紋C現(xiàn)場(chǎng)圖

圖02-04  窯筒體開裂分析三維模擬圖

  2.1現(xiàn)場(chǎng)勘察分析：

  從現(xiàn)場(chǎng)勘查和分析來(lái)看，本次窯筒體開裂具有以下特點(diǎn)，參見以下勘查分析圖02-05、勘查分析圖02-06、勘查分析圖02-07：

  ①本次窯筒體開裂事故，基本定性為快速脆性開裂；

  ② 本次窯筒體開裂方向，整體上從窯頭向窯尾擴(kuò)散；

  ③ 本次窯筒體開裂源，起裂于窯中間區(qū)域的頂部和側(cè)上方區(qū)域。

圖02-05  現(xiàn)場(chǎng)勘查分析圖一

圖02-06  現(xiàn)場(chǎng)勘查分析圖二

圖02-07  現(xiàn)場(chǎng)勘查分析圖三

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  2.2宏觀斷口分析：

  從斷口的宏觀分析來(lái)看，本次窯筒體開裂具有以下特點(diǎn)，參見以下宏觀斷口分析圖02-08、宏觀斷口分析圖02-09、宏觀斷口分析圖02-10：

  ① 斷裂源處為點(diǎn)腐蝕斑；

  ② 裂紋產(chǎn)生后向外表面和兩側(cè)擴(kuò)散；

  ③ 筒體內(nèi)壁腐蝕嚴(yán)重，局部有點(diǎn)腐蝕斑。

圖02-08  宏觀斷口分析圖一

圖02-09  宏觀斷口分析圖二

圖02-10  宏觀斷口分析圖三

  2.3微觀斷口分析：

  從斷口的微觀分析來(lái)看，本次窯筒體開裂具有以下特點(diǎn)，參見以下微觀斷口分析圖02-11、微觀斷口分析圖02-12、微觀斷口分析圖02-13：

  ① 裂紋源區(qū)有較多的腐蝕產(chǎn)物，并含有高腐蝕性介質(zhì)S和CI^-；

  ② 擴(kuò)展區(qū)以解理脆性斷口為主；

  ③ 靠近外壁的后斷拉邊區(qū)，斷口呈現(xiàn)韌窩狀。

圖02-11  微觀斷口分析圖一

圖02-12 微觀斷口分析圖二

圖02-13 微觀斷口分析圖三

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  2.4腐蝕產(chǎn)物分析：

  從窯筒體內(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)物化學(xué)成分分析來(lái)看，本次窯筒體開裂具有以下特點(diǎn)，參見以下腐蝕產(chǎn)物分析圖02-14、腐蝕產(chǎn)物分析圖02-15、腐蝕產(chǎn)物分析圖02-16：

  ① 腐蝕產(chǎn)物形貌，和斷口上的腐蝕產(chǎn)物相同；

  ② 腐蝕產(chǎn)物化學(xué)成分，和源區(qū)斷口上的腐蝕產(chǎn)物相同。

圖02-14  腐蝕產(chǎn)物分析圖一

圖02-15  腐蝕產(chǎn)物分析圖二

圖02-16  腐蝕產(chǎn)物分析圖三

  2.5截取窯筒體樣品分析：

  本次分析從緊靠回轉(zhuǎn)窯大齒輪的窯尾側(cè)截取了一塊樣品，如圖02-17所示。對(duì)樣品的分析和試驗(yàn)得出如下結(jié)果：所取樣品的化學(xué)成分、能譜分析、金相組織、力學(xué)性能均符合規(guī)范要求，說(shuō)明制作窯筒體選用的鋼材沒有問(wèn)題。

圖02-17  從緊靠回轉(zhuǎn)窯大齒輪的窯尾側(cè)截取了一塊樣品

  2.6分析與討論：

  ① 窯筒體材料化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

  ② 窯筒體材料為正常的鐵素體+珠光體組織，鋼中非金屬夾雜物較少。

  ③ 窯筒體材料的室溫拉伸性能和低溫沖擊性能，均符合GB/T 700-2006標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

  ④ 窯筒體內(nèi)壁腐蝕嚴(yán)重，有腐蝕產(chǎn)物剝落，殘留壁厚約23mm～25mm，局部腐蝕嚴(yán)重處形成凹坑狀腐蝕斑，最小殘留壁厚約18mm。

  3．窯筒體碎裂事故分析結(jié)論

  ① 二擋和三擋中間，位于窯筒體中間區(qū)域撓度最大，結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)是受力最大區(qū)，壁厚設(shè)計(jì)為最小28mm，設(shè)計(jì)上就是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)；

  ② 內(nèi)壁腐蝕嚴(yán)重，平均減薄3mm～5mm，整體承載能力下降。局部形成點(diǎn)蝕坑，最大減薄處，殘留壁厚僅僅18mm，此區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)，也是薄弱點(diǎn)；

  ③ 冬天溫度低材料脆性增大；

  ④ 停窯后窯筒體的內(nèi)應(yīng)力增大。

  由于以上四條原因的作用，在窯筒體的二擋和三擋中間、窯上方的薄弱腐蝕凹坑處，多源起裂、并在應(yīng)力作用下快速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致了窯筒體爆裂。

  此次筒體開裂的起裂源有4處，每處均有弧形腐蝕坑，腐蝕坑呈裂縫狀，形成嚴(yán)重的應(yīng)力集中。

  腐蝕原因主要為S、Cl、K的長(zhǎng)期腐蝕。起裂源處有效厚度最低為18mm，與原始厚度28mm相比減薄35.7%，導(dǎo)致筒體承載能力嚴(yán)重下降。