须顾忌，微量元素对窑筒体的危害
水泥 中国水泥网高级顾问 贾华平 2016-03-23
我们在大搞循环经济、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。
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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
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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
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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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