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摘 要 通过对热风炉腐蚀疲劳分析，提出对策，并且通过实验数据与实践，介绍了一种新型消除残余应力方法。
关键词 腐蚀疲劳；残余应力；高温回火；超声波时效
中图分类号 TF 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2011)112-0189-01
热风炉是一个由炉壳、耐火材料、格子砖、各类管道等组成的加热空气设备，工作在煤气燃烧—送风—煤气燃烧—送风这个压力交替变化和温度交替变化过程中。热风炉的工况决定炉壳处在交变应力影响下。煤气燃烧会产生微量的二氧化硫，（某公司由于原料场采取化学防尘措施导致煤气中还含有一定的氯离子）。微量的二氧化硫和水汽有可能通过缝隙进入耐火材料和炉壳之间，由于这个环境中气体流动基本没有，二氧化硫和水发生化学反应产生的酸性物质将停留在钢壳表面，引起腐蚀，该腐蚀的主要机制为电化学腐蚀（不是化学腐蚀）。
1 热风炉钢壳破坏的简单分析
热风炉工作特点导致炉壳存在温度循环变化。由于温度循环变化而引起的附加应力称为热应力。温度循环变化越大，即上、下限温差越大，热应力越大；热应变是由温度改变而引起的应变，材料的导热系数越低，加热和冷却速度越快，热应变也越大。由热应力和热应变作用所产生的疲劳现象为热疲劳。
纯机械应力作用下金属结构的疲劳断裂仅与裂纹尖端的应力、应变场的水平及金属材料本身抗裂纹扩展的能力有关。而在介质环境作用下的断裂与疲劳则是应力、金属材料、介质三个因素交互作用的结果。金属结构仅受应力作用而产生的破坏为纯机械破坏；金属材料在介质中受静应力作用下产生的破坏为应力腐蚀破裂，在交变应力作用下的破坏为腐蚀疲劳。
热风炉钢壳存在热疲劳和腐蚀疲劳破坏的可能性。以某厂为例，钢壳设计最高温度为120 ℃，最低温度为30 ℃，温度变化90 ℃，导致的热疲劳并不大，但热风炉生产中后期如果耐火材料脱落等问题不能及时维护导致炉壳温度升高后，热疲劳以及高温蠕变将是炉壳破坏的重要原因。以热风炉设计风压为450千帕为例，则炉压产生的沿高度方向的应力为50兆帕，沿圆周方向的应力为22兆帕，根本达不到机械破坏。根据经验，以前发生的炉壳破坏均为网状裂纹，炉壳内表面受力为交变拉应力，而且存在腐蚀，由此可以判断，破坏的主要原因应该为腐蚀疲劳。
2 焊缝残余应力对腐蚀疲劳的影响
炉壳对接纵焊缝产生的应力：内表面焊缝上沿焊缝长度方向应力均为拉应力；沿焊缝上垂直于焊缝方向应力有拉应力又有压应力，同时热影响区有压应力又有拉应力。环焊缝产生的应力：内表面焊缝上沿焊缝方向应力以及垂直于焊缝方向应力均为拉应力。焊接后在焊缝和热影响区的残余拉应力为腐蚀提供了条件。
3 减少热风炉破坏对策
在炉壳内部喷涂耐酸涂料，主动避免电化学腐蚀；提高表面光洁度，减少腐蚀介质停留；炉壳温度升高及时维护，减少热疲劳不良影响；采用电化学保护，可以减少腐蚀；减少或消除焊缝残余应力，降低疲劳破坏可能性。
4 焊后降低或消除残余应力的方法
关于消除残余应力，在国内某《热风炉炉壳设计总说明》中要求：热风炉25 m以上部分系高温区，炉壳钢材易因应力集中与晶间应力腐蚀产生裂纹，因此制作完毕后要进行退火处理或采取其它有效措施，以消除残余应力。
降低或消除残余应力有两大类方法。
1）利用机械力或冲击能的方法，包括：焊缝滚压法、机械拉伸法、锤击焊缝区、振动法、爆炸法。
2）热处理方法，包括：整体高温回火、局部高温回火，低温消除应力法。
整体高温回火是热风炉降低或消除残余应力的传统方法。整体高温回火消除应力方法，其特点如下。
1）消除内应力的效果主要取决于加热的温度、材料的成分和组织、应力状态和保温时间等。
2）同一种材料，回火温度越高，时间越长，应力消除的越彻底。
3）热强性好的材料消除内应力所需的回火温度要比热强性差
的高。
低合金钢热处理的缺点如下。
1）焊后回火处理的焊接接头热疲劳寿命比焊后状态焊接接头的热疲劳寿命短。
2）低合金钢焊接接头容易出现再热裂纹。
3）耗资很大，就目前某鋼厂热风炉采用热处理工艺退火消除应力，其所需的材料、人工及电耗达到300万元。
4）此方法对于Q345低合金钢的母材没有明显的效果。
5）容易使母材表面产生氧化，消应力效率较低，达到60%-80%。
新型的方法—超声波时效法：超声波时效处理法提高焊接接头疲劳强度和疲劳寿命的基本原理是，焊后利用超声波推动冲击工具以每秒两万次以上的频率沿焊缝方向冲击焊缝的焊趾部位，使之产生较大的压缩塑性变形，使焊趾处产生圆滑的几何过渡，从而大大降低了焊趾处余高和凹坑造成的应力集中；消除了焊趾处表层的微小裂纹和熔渣缺陷，抑制了裂纹的提前萌生；调整了焊接残余应力场，消除其焊接拉应力，在焊趾附近产生一定数值的残余压应力；并使焊趾部位材料得以强化。因此，超声波时效仪能同时改善影响焊缝疲劳性能几个方面的因素，如：焊趾几何形状、残余应力、微观裂纹和熔渣等缺陷、表面强化等，所以，能大幅度提高焊接接头的疲劳强度和疲劳寿命。
超声波时效法相对应于传统工艺还有以下优点。
1）设备小，占地少，操作简便，不受工件材质、形状、结构、钢板厚度、重量、场地的限制。
2）投资少。我们采用超声波时效仪消除应力设备费在20万元
以内。
3）时间短，每小时可以处理20 m-10 m焊缝。
4）完全取代用喷丸方法来提高工件局部疲劳寿命和消除残余应力的表面处理工艺，且效果是喷丸方法不可比拟的，且节省场地，不存在喷丸回收和喷丸伤人的问题，改善了工作环境，环保、节能、安全、无污染。
5）消除焊接残余应力，完全可替代热处理和振动时效等时效方法，且处理工艺简单，效果稳定可靠。想处理哪里就处理哪里，并可在任意时间、任意工序上进行，让你随心所欲，得心应手。不象普通振动时效那样，工艺复杂且时效效果要受诸多工艺参数之影响。
从以上分析可以得出结论，将超声波时效法应用到了热风炉施工中，并将对热风炉寿命产生良好的影响。
参考文献
[1]陈冠军,王连尉.首秦卡卢金热风炉技术研究进展[J].冶金能源,2007,01.
[2]黄晋,林起.首钢大型顶燃式热风炉设计[J].首钢科技,1999,02.
[3]杨成,尹国亮,张正荣,张少强,刘加庆.卡鲁金热风炉流场特性冷态实验研究[J].工业炉,2010,3.
关键词 腐蚀疲劳；残余应力；高温回火；超声波时效
中图分类号 TF 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2011)112-0189-01
热风炉是一个由炉壳、耐火材料、格子砖、各类管道等组成的加热空气设备，工作在煤气燃烧—送风—煤气燃烧—送风这个压力交替变化和温度交替变化过程中。热风炉的工况决定炉壳处在交变应力影响下。煤气燃烧会产生微量的二氧化硫，（某公司由于原料场采取化学防尘措施导致煤气中还含有一定的氯离子）。微量的二氧化硫和水汽有可能通过缝隙进入耐火材料和炉壳之间，由于这个环境中气体流动基本没有，二氧化硫和水发生化学反应产生的酸性物质将停留在钢壳表面，引起腐蚀，该腐蚀的主要机制为电化学腐蚀（不是化学腐蚀）。
1 热风炉钢壳破坏的简单分析
热风炉工作特点导致炉壳存在温度循环变化。由于温度循环变化而引起的附加应力称为热应力。温度循环变化越大，即上、下限温差越大，热应力越大；热应变是由温度改变而引起的应变，材料的导热系数越低，加热和冷却速度越快，热应变也越大。由热应力和热应变作用所产生的疲劳现象为热疲劳。
纯机械应力作用下金属结构的疲劳断裂仅与裂纹尖端的应力、应变场的水平及金属材料本身抗裂纹扩展的能力有关。而在介质环境作用下的断裂与疲劳则是应力、金属材料、介质三个因素交互作用的结果。金属结构仅受应力作用而产生的破坏为纯机械破坏；金属材料在介质中受静应力作用下产生的破坏为应力腐蚀破裂，在交变应力作用下的破坏为腐蚀疲劳。
热风炉钢壳存在热疲劳和腐蚀疲劳破坏的可能性。以某厂为例，钢壳设计最高温度为120 ℃，最低温度为30 ℃，温度变化90 ℃，导致的热疲劳并不大，但热风炉生产中后期如果耐火材料脱落等问题不能及时维护导致炉壳温度升高后，热疲劳以及高温蠕变将是炉壳破坏的重要原因。以热风炉设计风压为450千帕为例，则炉压产生的沿高度方向的应力为50兆帕，沿圆周方向的应力为22兆帕，根本达不到机械破坏。根据经验，以前发生的炉壳破坏均为网状裂纹，炉壳内表面受力为交变拉应力，而且存在腐蚀，由此可以判断，破坏的主要原因应该为腐蚀疲劳。
2 焊缝残余应力对腐蚀疲劳的影响
炉壳对接纵焊缝产生的应力：内表面焊缝上沿焊缝长度方向应力均为拉应力；沿焊缝上垂直于焊缝方向应力有拉应力又有压应力，同时热影响区有压应力又有拉应力。环焊缝产生的应力：内表面焊缝上沿焊缝方向应力以及垂直于焊缝方向应力均为拉应力。焊接后在焊缝和热影响区的残余拉应力为腐蚀提供了条件。
3 减少热风炉破坏对策
在炉壳内部喷涂耐酸涂料，主动避免电化学腐蚀；提高表面光洁度，减少腐蚀介质停留；炉壳温度升高及时维护，减少热疲劳不良影响；采用电化学保护，可以减少腐蚀；减少或消除焊缝残余应力，降低疲劳破坏可能性。
4 焊后降低或消除残余应力的方法
关于消除残余应力，在国内某《热风炉炉壳设计总说明》中要求：热风炉25 m以上部分系高温区，炉壳钢材易因应力集中与晶间应力腐蚀产生裂纹，因此制作完毕后要进行退火处理或采取其它有效措施，以消除残余应力。
降低或消除残余应力有两大类方法。
1）利用机械力或冲击能的方法，包括：焊缝滚压法、机械拉伸法、锤击焊缝区、振动法、爆炸法。
2）热处理方法，包括：整体高温回火、局部高温回火，低温消除应力法。
整体高温回火是热风炉降低或消除残余应力的传统方法。整体高温回火消除应力方法，其特点如下。
1）消除内应力的效果主要取决于加热的温度、材料的成分和组织、应力状态和保温时间等。
2）同一种材料，回火温度越高，时间越长，应力消除的越彻底。
3）热强性好的材料消除内应力所需的回火温度要比热强性差
的高。
低合金钢热处理的缺点如下。
1）焊后回火处理的焊接接头热疲劳寿命比焊后状态焊接接头的热疲劳寿命短。
2）低合金钢焊接接头容易出现再热裂纹。
3）耗资很大，就目前某鋼厂热风炉采用热处理工艺退火消除应力，其所需的材料、人工及电耗达到300万元。
4）此方法对于Q345低合金钢的母材没有明显的效果。
5）容易使母材表面产生氧化，消应力效率较低，达到60%-80%。
新型的方法—超声波时效法：超声波时效处理法提高焊接接头疲劳强度和疲劳寿命的基本原理是，焊后利用超声波推动冲击工具以每秒两万次以上的频率沿焊缝方向冲击焊缝的焊趾部位，使之产生较大的压缩塑性变形，使焊趾处产生圆滑的几何过渡，从而大大降低了焊趾处余高和凹坑造成的应力集中；消除了焊趾处表层的微小裂纹和熔渣缺陷，抑制了裂纹的提前萌生；调整了焊接残余应力场，消除其焊接拉应力，在焊趾附近产生一定数值的残余压应力；并使焊趾部位材料得以强化。因此，超声波时效仪能同时改善影响焊缝疲劳性能几个方面的因素，如：焊趾几何形状、残余应力、微观裂纹和熔渣等缺陷、表面强化等，所以，能大幅度提高焊接接头的疲劳强度和疲劳寿命。
超声波时效法相对应于传统工艺还有以下优点。
1）设备小，占地少，操作简便，不受工件材质、形状、结构、钢板厚度、重量、场地的限制。
2）投资少。我们采用超声波时效仪消除应力设备费在20万元
以内。
3）时间短，每小时可以处理20 m-10 m焊缝。
4）完全取代用喷丸方法来提高工件局部疲劳寿命和消除残余应力的表面处理工艺，且效果是喷丸方法不可比拟的，且节省场地，不存在喷丸回收和喷丸伤人的问题，改善了工作环境，环保、节能、安全、无污染。
5）消除焊接残余应力，完全可替代热处理和振动时效等时效方法，且处理工艺简单，效果稳定可靠。想处理哪里就处理哪里，并可在任意时间、任意工序上进行，让你随心所欲，得心应手。不象普通振动时效那样，工艺复杂且时效效果要受诸多工艺参数之影响。
从以上分析可以得出结论，将超声波时效法应用到了热风炉施工中，并将对热风炉寿命产生良好的影响。
参考文献
[1]陈冠军,王连尉.首秦卡卢金热风炉技术研究进展[J].冶金能源,2007,01.
[2]黄晋,林起.首钢大型顶燃式热风炉设计[J].首钢科技,1999,02.
[3]杨成,尹国亮,张正荣,张少强,刘加庆.卡鲁金热风炉流场特性冷态实验研究[J].工业炉,2010,3.