冶金工程专业本科毕业论文(设计)
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：（签名）单位：（盖章）
年月日
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：（签名）单位：（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：□优□良□中□及格□不及格教研室主任（或答辩小组组长）：（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：（签名）
年月日
摘要
近年来随着冶金行业的迅猛发展，事故也时有发生，对人民生命财产安全造成极大危害，其中高压管失效甚至爆炸导致的事故也时有发生。高压管道在冶金行业中的主要应用就是转炉余热锅炉的集气烟道等部件，据统计全国约百分之80的转炉都配有余热锅炉。本文以取自鞍钢集团鲅鱼圈分厂的失效的20G余热锅炉管道为样品，制备成金相观察试样后通过金相显微镜进行金相观察，分析其裂纹和金相组织，通过查阅大量文献资料比对裂纹形式，生长情况，及裂纹周边组织以及对试样的使用环境进行详尽的了解，采用微观与宏观相结合的综合分析得出了热疲劳，材料中非金属夹杂以及生产工艺达不到技术要求等为20G在使用过程中失效的原因。在20G使用过程中应尽量克服以上失效原因以延长余热锅炉等部件的使用寿命，确保生命财产安全，增加经济效益。
关键词: 管用20钢；余热锅炉；集气烟罩；失效原因
Abstract
With the rapid development of metallurgical industry in recent years, the accidents occurred much frequently, and it makes great harm to the lives and property security of people. And the accidents that the high-pressure pipe failure even explosion have occurred sometimes. What high pressure pipe mainly used in metallurgical industry is the collecting-gas flues of the heat recovery boiler in the converter. According to statistics, about eighty percent of the converters are equipped with a heat recovery boiler. This paper takes the failed 20G pipe of the heat recovery boilers collected from Ba Yu Quan branch of ANSHAN IRON AND STEEL GROUP CORPORATION as an example, makes it a metallographic observation sample, carries out the metallographic observation under the metallographic microscope and analyze its cracks and the microstructure. By looking up a large number of literatures to compare the cracks’forms, growth, and the peripheral tissues around the cracks and get a detailed understanding about the operational environment of the sample. By the comprehensive analysis with the combination of micro and macro, it comes to get the reasons why 20G fails in the process of using that are thermal fatigue, the non-metallic in the materials and production process’s failure to meet the technical requirements, etc. Thus, in the process of using 20G, it is necessary to overcome the above failure reasons so as to prolong the service life of the heat recovery boiler and the other parts, to ensure workers’lives and property securities and to increase the economic benefits.
Key words：20G；exhaust-heat boiler；The gas-collecting hood；failure cause
目录
摘要...................................................................................................................................... III Abstract......................................................................................................................................... I V 目录.. (i)
1.文献综述 (1)
1.1管用20钢的概述 (1)
1.2我国20G钢发展现状 (4)
1.2.1电炉冶炼20G钢 (4)
1.3余热锅炉的概述 (4)
1.3.1余热锅炉在冶金生产中的地位 (4)
1.3.2 20G在余热锅炉中应用 (5)
1.4课题由来 (6)
2.试样的裂纹观察与失效原因分析 (7)
2.1试样的宏观观察分析 (7)
2.2试样的金相分析 (7)
2.2.1试样的金相分析用主要设备 (8)
2.2.2金像试样制备方法 (8)
2.2.3试样的金相分析过程 (9)
2.3试样失效的原因 (10)
2.3.1普遍原因 (10)
2.3.2试样因短期高温过热烧损 (11)
2.3.3试样因长期高温过热裂纹 (12)
2.3.4试样材料与工艺方面的原因 (14)
2.3.5其他原因 (14)
3.结论 (17)
4.改进措施 (18)
4.1使用涂层 (18)
4.2改进吹炼工艺 (18)
4.3控制合理枪位 (18)
4.4修订检修作业的规章制度 (19)
4.5修改炉前操作岗位规程 (19)
致谢 (20)
参考文献 (5)
1.文献综述
1.1管用20钢的概述
表1.120g钢的化学成分为，%
C Mn Si P S
0.16～0.24 0.16～0.24 0.35～0.65 <0.040 <0.045
加热条件：1200℃加热，保温时间10分钟; 原始奥氏体晶粒平均弦长172μm。
轧制条件：轧制温度800～1100℃，相对变形量0～45%。
未再结晶区 (轧制温度800℃，相对变形量<20%) 奥氏体晶粒平均弦长130μm。
完全再结晶区(轧制温度1050℃，相对变形量>30%)奥氏体晶粒平均弦长47μm 。
图1.1为20g钢变形奥氏体再结晶图，图1.2为20g钢轧制温度与变形奥氏体再结晶百分数的关系；图1.3为20g钢相对变形量与变形奥氏体再结晶百分数的关系；图1.4为20g 钢轧后停留时间与变形奥氏体再结晶百分数的关系。
图1.1 20g钢变形奥氏体再结晶图
加热条件：1200℃保温10分钟; 轧后立即淬火
Ⅰ—未再结晶区; Ⅱ—部分再结晶区; Ⅲ—完全再结晶区
图1.2 20g钢轧制温度与变形奥氏体再结晶百分数的关系加热条件：1200℃保温10分钟; 轧后立即淬火; 相对变形量ε：
1—45%; 2—35%; 3—30%; 4—25%; 5—20%; 6—15%; 7—10%
图1.3 20g钢相对变形量与变形奥氏体再结晶百分数的关系加热条件：1200℃保温10分钟; 轧后立即淬火;轧制温度TD：
1—1100℃;2—1050℃; 3—1000℃;4—950℃;5—900℃;6—800℃
图1.420g钢轧后停留时间与变形奥氏体再结晶百分数的关系加热条件：1200℃保温10分钟;轧制温度：900℃; 相对变形量ε：
1—45%; 2—35%; 3—25%; 4—15%
图1.5 试样的金相图谱 20倍
组织说明：上中部为裂纹开端为FeO夹杂，其余区域为珠光体和铁素体，呈魏氏组织，晶粒级4级左右。
[1]
浸蚀方法：4％硝酸酒精溶液浸蚀
1.2我国20G钢发展现状
1.2.1 电炉冶炼20G钢
我国的20G转同生产方式一般为电炉冶炼，这种生产方式其自身也存在着缺陷，如纯洁度无法得到有效保证，残余元素、氮含量等无法达到用户要求，而且效率低、成本高[2]
1.2.2转炉冶炼20G钢的尝试
目前少数企业开始尝试开始用转炉进行该钢种冶炼，转炉冶炼的优有节奏快、效率高、成本低等优点，只是技术工艺要求颇高，比较成功的经验有包钢采用LD+LF工艺，但其钢中氧含量高危（48~66）×10-6。石钢采用LD+LF+VD工艺试制的20G高压锅炉管钢总氧含量低，在A ls含量≤0.010％时钢中总氧量仅为（12~22）×10-6，残余元素Cr，Ni，Cu及有害元素P，S含量低，成本比电炉工艺降低约444元/t。[3]成品质量满足用户要求并且效益显著。
1.3余热锅炉的概述
1.3.1余热锅炉在冶金生产中的地位
转炉的余热锅炉不仅仅用来回收煤气、蒸汽和氧化铁尘，而且其与转炉氧枪
进行连锁,冷却烟气,控制过剩空气系数,为回收煤气和氧化铁尘创造条件，同时利用转炉烟气余热回收大量的蒸汽，是作为转炉炼钢工艺的一部分直接参与炼钢生产的。[4]因而转炉余热锅炉的设备状况直接影响炼钢转炉的正常生产,与此同时转炉余热锅炉也是转炉余热回收、钢厂节能减排的重要手段, 在炼钢厂占有十分重要的地位。相比其他的工业锅炉, 炼钢转炉余热锅炉的运行工况随转炉运行工况的变化而急剧变化。当转炉吹炼时, 大量的高温烟气流过余热锅炉, 余热锅炉内的热负荷急剧增加, 管壁温度、介质温度随之升高; 当吹炼停止时, 余热锅炉内的热负荷急剧减小, 管壁温度、介质温度随之下降。并且, 转炉冶炼的工况变化非常频繁, 30~ 40m in一个周期。
1.3.220G在余热锅炉中应用
如此恶劣的运行条件必然对余热锅炉的使用寿命产生影响因此对锅炉材质的要求也更为严苛，而20G这种高压锅炉管用钢是余热锅炉中烟道等关键部件应用最广泛的钢种。目前, 炼钢转炉余热锅炉的使用寿命很短, 上段冷却烟道的寿命为6 ~ 8年[5], 活动烟罩、炉口段烟道处在钢水飞溅、烟气磨损的环境下, 运行条件更加恶劣, 寿命仅为1年左右, 并且即使在使用寿命期内设备事故率也很高, 需经常检修,不仅检修工作量大, 而且在安全运行上存在隐患, 同时也影响钢产量。所以, 分析转炉余热锅炉的寿命影响因素, 并采取相应措施延长其使用寿命, 显得非常重要。如下图1.6、1.7即为应用在余热锅炉中的20G钢的破损情况照片。图1.8、1.9为笔者取自鞍山钢铁公司鲅鱼圈分厂的失效20G样品破损情况。
图1.6 余热锅炉中热负荷最大管破损情况[5] 图1.7锅炉管的锈蚀情况[5]
图1.8试样表面裂纹图1.9管坯样品破损情况
1.4 课题由来
现在社会经济和科学技术这么发达，发展的还非常迅猛，人们对材料的要求越来越高，钢铁也不例外，所以洁净钢现在用的非常广泛，那么在冶炼洁净钢的过程中，就要有非常高的标准，尤其是一些特殊用途的钢种，20G钢是目前冶金工业中广泛使用的一种压力容器钢，研究它的高温断裂性能和裂纹扩展规律分析其原因，可为压力容器检测和延长其安全使用寿命提供重要的依据，是一项很有意义的工作。其次，20G高压锅炉管钢长年在高温、高压等高危环境下运行，在冶金工业这样一个集高温高压高危气体与一身的行业中，这种情况尤为突出，以本文研究的转炉余热锅炉为例，集气烟罩的任何一支管子出现问题，有害气体溢出且极有可能发生爆炸，轻者设备损坏，造成财产损失，重者危害工作人员生命安全发生人身伤亡事故，更有可能危及下方转炉本体安全，若转炉本体发生事故，后果不堪设想，所以我们对在转炉余热锅炉中使用的20G高压锅炉管的性能一定要提出严格的要求以保证不会发生意外，这也就对我们对于转炉余热锅炉中20G失效原因的研究提出了要求。所以笔者利用金相分析法浅显地分析了20G
的失效原因，并提出了一些建议与改进措施。
2.试样的裂纹观察与失效原因分析
2.1试样的宏观观察分析
图2.8 经打磨抛光的试样
利用线切割机切下长30mm，宽15mm试样如图2.8，经酸处理除去表面锈迹以及砂纸打磨后试样表面出现众多肉眼可辨弥散性纵向表面裂纹，宏观实测其长度为：10~25mm,裂纹深度经县委测定一般在0.2~0.5mm，最大深度可达1mm，经放大观察裂纹宽度不大于0.5mm。经查阅资料可知如果管坯表面仅有局部有少量的在标准允许氛围内的缺陷，经酸洗检查风铲磨修工序，大多数是可以处理好的。如果大面积弥散形裂纹，要清除这样的缺陷，除了对管坯采用全面剥皮的方法外，用目前的风铲磨修方式难以清除。管坯表面纯在任何缺陷全都会带到钢管产品的表面上去，这些有缺陷的部位往往会产生应力集中，通过热塑性变形，是得原有的缺陷加深加长，造成钢管失效报废[6]。
2.2试样的金相分析
金相分析是金属材料试验研究的重要手段之一，采用定量金相学原理由二维金相试样磨面或薄膜的金相纤维组织的测量和计算来确定合金组织的三维空间形貌，可以建立合金成分、组织和性能见的定量关系。进项检测设备配套灵活，再配以金相图像分析系统便能够真正实现检测一体化，开展各种金属材料显微组织检验及评定、晶粒度、非金属夹杂物、脱碳层、渗碳硬化层测定等检测项目。
2.2.1试样的金相分析用主要设备
试样磨抛机、线切割机、电子显微镜等
2.2.2金像试样制备方法
金相分析用试样的制备过程包括取样、镶嵌、磨制、抛光、浸蚀等工序。（1）取样
试样的选取应根据研究的目的取钢材中具有代表性的部位。带确定好部位就可以把试样截下。
（2）镶嵌
如果试样尺寸太小，直接用手磨制困难时，可把试样镶嵌在低熔点合金或塑料中，以便于式样的磨制和抛光。
（3）磨制
将切好或镶嵌好的试样在砂轮机上磨平，尖角处要倒角。然后再分别用2#和1#等粗砂布磨光。再换用W28、W20、W14、W10等金相砂纸逐级细磨，一直磨到W10砂纸后即可在抛光机上进行粗抛光和细抛光。磨制试样时。每更换一号砂纸。试试样墨汁方向应旋转90°。确保上一道纱质的磨痕被抹掉，实施杨的表面光洁度进一步提高。在每一号砂纸上磨制试样时。要沿一个方向磨，切忌往返磨制，并且给是试样施加的压力要适当。
（4）抛光
经过砂纸细末的试样还需进行抛光，抛光的目的是去除细末时遗留下来的磨痕而获得光亮的金属表面。
试样的抛光在抛光机上进行，抛光机转速100~150r/min。抛光时在跑光盘盘面上覆盖有丝绒等织物，并不断在试样上涂抹抛光膏。抛光膏是由可溶性金刚石等极细粒度的磨料加水形成的悬浮液，依靠抛光液中极精细的抛光粉末与试样磨面间产生的相对磨削和滚压作用来消除磨痕。抛光时应使试样磨面均匀地压在旋转地抛光盘上，并沿盘的边缘到中心不断做径向运动。除机械抛光方法外，还有电解抛光、化学抛光等其他抛光方法
（5）浸蚀
经抛光后的试样必须经过浸蚀后才能在显微镜下进行金相组织观察。浸蚀试样主要是依靠浸蚀剂对金属的溶解或电化学腐蚀过程，是金属试样表面的晶粒、
晶界及各组成相间呈现凹凸不平，在显微镜下就可以清晰的观察到试样表面的金相组织。浸蚀时间要适当，一般以试样磨面发暗时就可以停止浸蚀。试样浸蚀后立即用净水冲洗，然后用究竟冲洗，最后用吹风机吹干，吹干后的试样即可置于金相显微镜下进行观察。
2.2.3试样的金相分析过程
图片2.9 裂纹Ⅰ1000倍图片2.10 裂纹Ⅱ1000倍
图片2.11 裂纹Ⅰ开端2000倍图片2.12 裂纹Ⅱ开端及夹杂 2000倍金相观察管坯裂缝处从经放大20倍的图片2.12可见，裂纹的末端较尖，在其周围有灰色氧化物，裂纹的裂变也有明显的弧形孤凸现象其裂缝内除了灰色FeO 填充物之外，在裂纹的两侧尚有块状灰色氧化物和细小颗粒状灰色氧化物质点，裂纹周边无明显脱碳，基体为铁素体和球化的珠光体。裂纹内铁的氧化物经浸蚀后显示出不同的组成：FeO变暗（为大部分的基体）；Fe2O3为亮灰色呈条状分布；
Fe3O4为灰色[1]。如图2.9和图2.10有均明显夹杂，这也证明，在金属的致密性受到破坏出现裂纹的区域大多数是氧化物或硅酸盐等非金属夹杂物聚集造成的。笔者查阅相关资料[7]得知：氧化物一类夹杂物在高温下抗变形的阻力较金属大，而其膨胀系数又远比钢基体为小，因此钢材在轧制冷却后在夹杂周围就会产生应力场，而且这些应力主要是张力，这种存在着应力集中的地方往往会成为裂纹的起源和开端。由于裂缝经过的位置有较多的氧化物夹杂聚集，即裂纹沿夹杂形成开裂，因此管坯表面的裂缝一般较短且无重复性，钢中非金属夹杂物数量越多，形成管坯表面裂缝越严重。
从图片2.11金相观察裂纹形态看，裂缝端部圆钝，裂缝空腔两壁较为光滑。且端部及周围分布有许多氧化物颗粒，这说明有高温气体由裂缝向内部扩散所形成的氧化现象，氧化颗粒分布在晶内及晶界上，上文提到裂纹周围的组织为铁素体加珠光体，晶粒度为4级，裂缝周围无明显脱碳层。可以推测，管坯表面在钢锭开坯前可能就在氧化物夹杂处存在应力集中或者裂缝开端，而在轧制过程中管坯上的裂纹发展暴露在表面，此后又因使用环境的恶劣有进一步的发展而在管坯表面伸长扩展，最终导致管坯失效[8]。
2.3 试样失效的原因
笔者通过查阅大量文献比对试样的金相分析结果，综合试样在转炉生产中复杂而有恶劣的生产环境，现提出如下的20G在使用过程中失效的原因：
2.3.1普遍原因
转炉烟气中含有H2S、SO2、CO2等氧化性气体，在高温状态下对烟罩管壁产生氧化腐蚀。转炉烟罩管壁被腐蚀后，其接触表面积增大，导致钢液粒子在管壁上极易产生结渣现象，另外喷溅导致烟罩挂渣、粘冷钢，降低了烟罩管壁热交换效果，产生局部过热而烧损破坏。同时，烟气腐蚀管壁表面保护层破坏，烟气中大量粉尘、高速料流、溅渣及吹炼钢水粒子等，温度高、冲击力大，随着高速烟气流动，对烟罩管壁冲刷磨损加剧。而且，转炉烟罩管壁腐蚀、磨损后材料抗热疲劳性能严重下降，使用过程中产生疲劳裂纹及竹节状斑纹，这是转炉烟罩中管坯磨损失效的普遍原因。
图1、图2 是固定烟罩下线前最后一次异常破损情况照片。