炼铁厂TRT机组叶片损坏原因浅析

施雪松 浦锋 朱丽红

江苏沙钢集团有限公司 江苏 215625

摘要：高炉TRT发电机组是利用高炉煤气余压进行发电的运行设备，具有良好的经济和节能减排效益.但由于该设备的运行和控制比较复杂，所以对高炉的煤气质量、操作维护、设备制造等有较高的要求，本文重点对煤气质量导致的高炉TRT转子叶片腐蚀原因进行分析。

关键词：高炉TRT;煤气质量;腐蚀

引言

2020年9月9日，炼铁厂5#高炉TRT机组发生故障停机。炼铁厂组织对该机组故障原因进行查找和分析，通过对机组操作、TRT叶片选型、高炉煤气质量等原因的查找、分析、判断。最终判定，高炉煤气冷凝水成酸性是导致叶片腐蚀损坏的主要因素，TRT叶片材质选型是需要优化的次要因素。

1、5#高炉TRT机组运行情况

2020年9月9日，沙钢5#高炉TRT机组振动大联锁停机，开盖后发现转子的一级动叶完好，二级动叶腐蚀严重，其中1片已经发生断裂，断裂位置位于叶片中部。该产品2017年8月安装，2018年1月试车完成，累计运行2年8个月，叶片材质为0Cr13。叶片腐蚀情况见图一，叶片断裂情况见图二

图一 二级动叶腐蚀 图二 二级动叶断裂

2相关数据对比判断

2.1本次现场调研5#高炉TRT机组现场运行数据，并对比3#、4#高炉TRT运行情况。三台高炉均为1080m3高炉，陕鼓TRT机组，三台高炉矿石来源皆为进口矿石，焦炭采用湿焦，且都采用了富氧、喷煤工艺；

2.2 5#高炉TRT从进口煤气温度、质量，TRT叶片材质进行问题查找

2.2.1 入口煤气温度，3#、4#、5#高炉TRT机组入口温度相比，5号机组入口温度最低，和3#、4#机组相比明显偏低，最低入口温度达到了85度，具体数据见表三

2.2.2入口煤气质量，煤气粉尘含量并未有监测数据，根据现场描述，机组运行过程中无明显堵塞现象，且机组开盖后叶片表面较为干净，故煤气含尘原因导致的磨损可能性不大。

2.2.3 叶片材质，5#高炉TRT叶片采用的材质是0cr13，是铁素体不锈钢中含Cr最低的一种，它具有不锈性，且耐蚀性好于含碳量高的马氏体不锈钢，常用于高韧性及手冲击负荷的零件，如汽轮机叶片、结构架等。5号高炉TRT机组一级、二级叶片材质一样，一级叶片本次观察情况良好，无明显磨损，故叶片材质原因的可能性不大

2.2.4根据现场情况及现场提供的TRT出口排水水质分析报告单，初步判断5#高炉TRT机组2级动叶片断裂为煤气出口温度低造成的腐蚀与气体冲刷造成的冲蚀结合导致，根据监测数据5#机组进口温度有较长时间低于110℃，出口介质属于高氯离子、酸性工况,相关化验数据分析和工况运行数据见表一、表二、。

表一trt出口水质9.16日分析报告单

表二 trt出口水质9月23日分析报告单

表三3#、4#、5#高炉TRT机组运行煤气入口温度数据对比

机组	原料	介质入口温度	出口介质成分	粉尘含量
5#	进口矿石+湿焦	最高温度140℃	未检测	未监测
		最低温度85℃
4#		最高温度150℃
		最低温度110℃
3#		最高温度155℃
		最低温度115℃

3 叶片腐蚀及冲刷原因分析

3.1从叶片腐蚀状况来看，属于典型的强酸、高浓Cl离子环境下的腐蚀，可能原因：矿石原料中含有氯元素，烧结过程中添加CaCl2、NaCl等球团剂引入氯离子；另外，作为发热剂和还原剂的焦炭中存在硫元素，在炼铁过程中无机硫会形成硫化氢、硫酸等酸性介质，对管道、叶片等造成严重腐蚀；

3.2高炉炉顶温度控制不佳，一般要求炉顶温度大于280℃开始喷水降温，水的引入可能加大高炉煤气成分中的H+浓度，加大煤气酸度。而焦炭中机械水含量目前普遍在50~100mg/m3 之间，其中干熄焦含水分1%左右，湿熄焦含水分4%左右，外购焦含水分7%左右，同样会加大煤气酸度，对叶片及管道腐蚀；

3.3根据相关文献，当TRT进口温度小于110℃时易发生2级叶片的露点腐蚀（一级叶片做功后导致煤气温度降低，如果TRT机组入口煤气温度不高，会导致TRT一级叶片出口煤气达到煤气结露温度），因5#高炉TRT出口温度有较长时间低于110℃，出现露点腐蚀的几率极大。

4采取的整改措施

4.1改善原燃料条件和操作规范性,对烧结矿和焦炭的相关有害元素进行受控,减少煤气中氯离子的含量.同时提升工艺操作规程的执行,顶温尽量控制在120-180℃,杜绝出现低温和超温现象,减少冷凝水。同时也要避免出现高温和超高温现象，减少因降温而在高炉打入大量冷却水.从而改善煤气中的酸性成份.

4.2 增加喷雾喷碱装置.高炉煤气冷凝水的PH值一般为3-5,极端时可能会出现1-2,冷凝水中的Cl^-.SO₄^2-等强酸艮离子较高,呈强酸性.而采用干法除尘的高炉煤气通常需要在管道中喷射水雾降温,此工艺方法是在喷雾设备中设置加碱装置;将原来的中性水雾变为碱性水雾,同煤气中酸性气体发生中和反应,减弱管道中冷凝水的酸度,以减缓煤气管道的腐蚀现象.喷雾装置的基本功能是根据煤气温度的变化自动调节喷枪的喷水量,将煤气温度减低到50℃左右.工作时,水经水泵站的过滤器过滤后按一定的流量,经出口管路送到喷枪,再用氮气进行雾化,产生细小的雾化颗粒,水雾在煤气中迅速蒸发,使煤气温度降低.当出口测温元件检测到煤气温度超过温度设计值范围时,在控制器的控制下,增大供水压力和流量,使得喷水量加大,从而使煤气温度降低到设定的范围内.同时,在管道中安装在线冷凝水酸性检测装置,当检测值偏离设定值时,加碱装置自动增加或减少碱液的数量.喷雾降温喷碱系统见图1.在喷雾设备中设置碱液喷雾装置:将原来的中性水雾变为碱性水雾,与煤气中的酸性气体发生中和反应,减弱管道中冷凝水的酸度,以减缓煤气管道的腐蚀现象.碱液一般采用氢氧化钠(NaOH)溶液碱性强,吸收SO₂.HCl等酸性气体速率高

图1 喷雾降温喷碱系统图

4.3采用喷淋塔工艺。图2为喷淋塔工艺流程图.煤气从下方的入口管进入喷淋塔内，由入口管向塔体流动过程中，因流通截面积突然扩大，流速减缓。循环冷却水由供水泵从塔上部雾化喷淋装置进入，喷淋而下；煤气由下向上运动，在喷淋洗涤段与水雾进行充分接触，完成煤气降温与洗涤。喷水不仅可以降温，而且可以捕捉裹携在煤气流中的微小冷凝液滴，使之快速沉降。煤气继续上行进入二层填料段，填料脱除煤气中的机械水后从上方出口管进入煤气管网。煤气中的酸性物质被吸收到循环冷却水中，形成了酸性冷凝液流入在塔底集结、排出，经出口进入循环水系统沉淀、冷却。喷淋塔采用循环冷却水，喷淋脱水塔的排水先流入积水坑，通过就地泵抽送至喷淋塔循环供水，补充水由给水管进入。

4.4优化叶片材质

4.4.1 原TRT转子叶片采用的材质为0Cr13，一、0Cr13化学成分：（1）碳C:≤0.08，（2）硅Si≤1.00，（3）锰Mn≤1.00，（4）磷P:≤0.035，（5）硫S:≤0.030，（6）铬Cr：11.50-13.00，（7）镍Ni：≤0.60.二、0Cr13力学性能：（1）抗拉强度δb（MPa）：淬火回火，≥490；条件屈服强度δ0.2（MPa）：淬火回火，≥345；伸长率δ5(%):淬火回火，≥24;断面收缩率ψ（%）淬火回火，≥60；硬度：退火，≤183HB. 该材质是铁素体不锈钢中含Cr最低的一种。他具有不锈性，而且耐蚀性优于含碳量高的1Cr13，2Cr13，,3 Cr13，,4 Cr13马氏体不锈钢。他具有量化表的塑，韧性和冷成型性，而且优于含Cr量更高的其它马氏体不锈钢、当0Cr13钢中含C量控制很低时，其塑性、特别是韧性，冷成型性还会显著提高。0Cr13钢主要用于汽轮机叶片，耐水蒸汽、碳酸氨和含硫石油腐蚀等设备的衬里。

4.4.2经分析实际工况，新叶片采用0Cr17Ni4Cu4Nb材质。一、0Cr17Ni4Cu4Nb化学成分：碳C: ≤0.07, 硅Si≤1.00，锰Mn≤1.00，硫S:≤0.030，磷P:≤0.035，铬Cr：15:50-17.50，镍Ni：3.00-5.00，铜Cu：3.00-5.00，铌Nb：0.15-0.45.二、0Cr17Ni4Cu4Nb力学性能：抗拉强度δb（MPa）：480℃时效，≥1180；550℃时效，≥1000；580℃时效，≥865；620℃时效，≥725。伸长率δ5(%):480℃时效，≥10；550℃时效，≥12；580℃时效，≥13；620℃时效，≥16。断面收缩率ψ480℃时效，≥40；550℃时效，≥45；580℃时效，≥45；620℃时效，≥50.硬度：固溶，≤363HB和≤38HRL;480℃时效，≥375HB和≥40HRC；550℃时效，≥331HB和≥35HRC；580℃时效，≥302HB和≥31HRC；620℃时效，≥277HB和≥28HRC. 该材质沉淀、淬火、马氏体的不锈钢，这个等级具有高强度、硬度和抗腐蚀等特性。经过热处理后，产品的机械性能更加完善，可以达到高达1100-1300MPa（160-190ksi）的耐压强度。但这个等级不能用于高于300℃或非常低的温度下，他对大气及稀释酸或盐都具有良好的抗腐蚀能力，它的抗腐蚀能力与304和430一样。0Cr17Ni4Cu4Nb一般用于海上平台、航天（涡轮机叶片）、机械部件等。

图2 喷淋塔工艺流程图

5、结语

（1）根据TRT出口排水水质分析报告单，工况属于高氯离子、酸性工况，叶片易发生腐蚀，为此在转子检修时将叶片材质更换为0Cr17Ni4Cu4Nb，并采取在原材料叶片上增加火焰喷涂涂层，以提高叶片提高耐腐蚀性；

（2）加强TRT入口粉尘含量的监测监控，避免机组的叶片快速磨损；

（3）完善了操作制度， TRT机组进气温度稳定在130-180℃，有效减少煤气结露，减小冷凝水的排出，降低叶片的腐蚀几率；

（4）增加了喷雾喷碱装置。在TRT入口煤气管道中喷入含碱的雾化液，中和冷却水中的酸性成分，中和后冷却水的PH值控制在6-8，减少冷凝水对管道和叶片的腐蚀。

（5）2021年10月份5号TRT机组定期检修，开盖后观察叶片磨损状况良好，前期措施起到了较好作用。

参考文献：

[1]项钟庸，王筱留.炼铁工艺设计理论与实践[J]冶金工业2014

[2]孟志伟.高炉炼铁操作[J]化学工业2018

[3]王检新，杨钢，张忠模.金属热处理-2012-.