摘要：现代化工业炼钢中，电弧炉炼钢占有较大的市场地位。电炉设备的故障率会直接影响到炼钢企业的生产效益。如何降低故障率，提高设备的使用效率，一直是困扰冶炼厂和设备制造商一大难题。泄漏作为电弧炉水冷设备的一种主要的失效形式，产生的原因很多，也很复杂，炉内冷却壁经常会出现烧损、烧漏、耐火材料脱落等现象，造成冷却钢管的表面温度过高、变形，产生热疲劳。由于炉盖长期并反复处在这种工作条件下，当达到一定极限时，稍有外力作用便会开裂。排烟口是炉盖开裂最多的部位，此处温度高，冷热交变频繁，不单是炉盖应力集中突出的部位，也是炉盖裂缝出现最多的地方。针对电炉炉盖在实际生产运行中产生的一类泄漏问题，结合产品生产工艺、材料特点、热处理工艺和冶炼生产的环境、工况、实践等，对开裂部位的钢管试样进行学成分检测、拉伸试验和金相分析，综合各种检测的结果，作出了一些浅显的判断，希望能给相关方面技术人员提供一点借鉴。

关键词：电弧炉 ; 泄漏  ;失效分析;  借鉴

Analysis of Leakage Problem of Water Cooled Furnace Cover of Electric Arc Furnace

XU Xuejing, QIAO Zhiguo, LIU Jianbo

(Yantai Guoye Metallurgical Water Cooling Equipment Co.Ltd., Yantai 265500, China)

Abstract: In modern industrial steelmaking, electric arc furnace steelmaking occupies a larger market position. The failure rate of electric furnace equipment will directly affect the production efficiency of steelmaking enterprises. How to reduce the failure rate and improve the use efficiency of equipment has always been a big problem plaguing smelters and equipment manufacturers. Leakage as a main failure form of electric arc furnace water cooling equipment, the causes are many and very complex, the cooling wall in the furnace often appear burning, burning leakage, refractory material falling off and other phenomena, resulting in the surface temperature of the cooling steel pipe is too high, deformation, thermal fatigue. Because the furnace cover is in this working condition for a long time and repeatedly, when it reaches a certain limit, it will crack under the action of a little external force. The smoke outlet is the most cracked part of the furnace cover, where the temperature is high and the cold and hot change is frequent. It is not only the part of the furnace cover stress concentration and prominent, but also the place where the furnace cover cracks appear most. In view of the leakage problem of the furnace cover in the actual production and operation of the electric furnace, combined with the production process, material characteristics, heat treatment process and the environment, working condition and practice of smelting production, it conducts chemical composition detection, tensile test and metallographic analysis of the steel pipe sample in the cracking part, and makes some simple judgments based on the results of various tests. Hope to provide some reference for relevant technical personnel.

Key words: electric arc furnace; leakage; failure analysis; use for reference

1电弧炉冶炼简介

电弧炉炼钢是通过石墨电极向电弧炼钢炉内输入电能，以废钢（部分以直接还原的海绵铁）为主要原料，通过电极端部和炉料之间发生的电弧为热源进行炼钢的方法。电弧炉以电能为热源，随着冶炼技术的提高，电力工业的发展，低廉的原料供应，电炉钢的成本不断降低。电炉不但用于生产合金钢，而且大量用来生产普通碳素钢，其产量在国家钢总产量中的占有相当大的比重。

2、设备泄漏的状况表述

2.1 设备运行状况

电弧炉炼钢炉盖，运行为不定时间歇生产，工作压力1.6MPa, 炼钢钢种主要为不锈钢和其它合金钢。

2.2 设备泄漏状态

位置：泄漏部位位于炉盖扇形板出烟口偏炉盖中心测，炉盖出烟口圆周直管与弯管过渡位置，裂纹为钢管母材裂纹，非焊接位置。如图2方框标注所圈部分（如图1、图2所示）。

裂纹状态：裂纹形式为横向裂纹，脆性断裂，裂纹长度约为1/3钢管周长（如图3、图4所示）。

3、设备制造背景

  3.1制作背景描述

该设备在用户定制之前对该位置钢管有明确要求，对该出烟口长圆形钢管在弯管成型后进行退火消应力热处理，防止钢管应力产生应力裂纹。如图3所示

3.2钢管材料

设备制作材料使用20G-GB5310钢管，规格均为φ83×10mm。

3.3制作工艺

该长圆管为两段半圆管焊接而成，中间有一处对接焊缝，端部焊接90°弯头连进出水管路。

  3.4消应力热处理

热处理工艺为：入炉温度≤400℃，升温速度≤100℃/h,620±20℃保温，保温时间90min,随炉冷却至400℃，冷却速度≤120℃/h，后空冷至室温。

4.失效原因分析

4.1未失效部位的理化分析

取失效钢管的未产生失效部位的外侧钢管，经化学成分检测、拉伸试验和金相分析，均符合GB/T5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》标准要求。

4.2失效部位的理化检测

4.2.1硬度检测

对钢管失效部位进行硬度检测，比对未失效部位的外侧钢管，未失效部位检测维氏硬度HV10在110-130间；失效部位外表面硬度,在150-170区间，失效部位硬度明显高于未失效部位，并处于GB/T5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》标准上限或偏高于标准要求。

4.2.2金相分析

取失效部位的钢管对受热面和非受热面分别进行金相分析，受热面金相见图4，非受热面金相见图5。

观察金相组织可以看出，受热面外壁存在有完全脱碳层，金相组织为铁素体，晶粒粗大。向内金相组织为铁素体，原有片状珠光体已发生珠光体球化现象，碳化物分散向晶界聚集。通过这种现象可以看出，设备在运行过程中，钢管受热面不同程度地产生了过热现象。非受热面金相组织为铁素体+片状珠光体，金相组织正常。

4.2.3综合分析

低碳钢的正常金相组织为铁素体+珠光体，珠光体是由铁素体和渗碳体所组成的机械混合物。铁素体是软韧相，渗碳体是脆硬相。渗碳体以细片状分散地分布在铁素体的机体上，起到了强化作用。因此珠光体有较高的强度和硬度，但塑性相对较差。

   设备原材料钢管在运行过程中，受到冶炼热能辐射影响，在冷却水不能及时抵制温度上升的条件下，会导致珠光体碳化物分散性聚集，严重情况下产生珠光体球化现象。碳化物的聚集导致部分部位硬度偏高，材料韧性下降。

20G低碳钢在受到高温影响后，材料在达到450℃后，抗拉强度会急剧降低。GB5310-2017标准中20G材料的高温规定塑性延伸强度在450℃为98MPa,500℃仅为49MPa。

图8 GB5310-2017中20G材料的高温规定塑性延伸强度

    从设备结构来看，易失效部位位于环形管偏上位置，针对这个局部的环形管，进出水位置处在同一高度点，设备在运行过程中，注水过程中或者频繁停开机冷热交变作用，会在环管上部产生气体聚集，由于气体不易及时排出形成局部气堵，冷却不良高温使内部聚集气体快速汽化，温度升高导致钢管韧性下降，脆性增加，强度减弱，在这种热应力作用下产生材料产生裂纹。

5.预防措施

针对设备产生问题的原因，可以从以下方面考虑对设备进行优化：

（1）优化设备原设计结构，改善该环形结构的进出水方式和位置，使得水路中水循环顺畅，改善冷却效果。

（2）降低该环形钢管的焊接应力，在原有退火热处理的基础上，改善与之相连的焊接方式，在保证焊接强度的情况下，尽量减少附件的焊接量，减少焊接应力。

（3）与之相关联的，还需要考虑制作和安装过程中设备内部的清洁问题，杜绝异物进入系统内部，虽然非本案相关因素，但这也是影响水冷设备冷却效果的关键因素。

6结语

本文对这种典型的泄漏问题简要分析，仅代表个人意见。涉及到专业方面的知识，本人才疏学浅，或有理解偏颇，仅供读者参考；同时也希望该文案能够给业内技术人员带来帮助。

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作者简介：

  徐学景 女  助理工程师，烟台国冶冶金水冷设备有限公司，邮编265500

乔志国 男  助理工程师，烟台国冶冶金水冷设备有限公司，邮编265500

刘建波 男  高级工程师，烟台国冶冶金水冷设备有限公司，邮编265500