尤其是片状石墨形成封闭的网络时
2019-07-19 03:31
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烘缸破裂断口,位于筒体与法兰联接的转角处,也是内壁切削加工的交接线处。此处车削加工质量粗劣,在转角断裂处靠近缸盆一侧的内壁上还堆积着型砂,留有尖角,并未按要求圆弧过渡;在缸体周向内侧的断口上有十分明显的宏观裂纹。缸体壁厚为25~32mm,而宏观裂纹的深度即达11~15mm,长度达2.38mm,为缸体周长的一半以上;且裂纹表面因氧化严重而呈暗黑色。整个断面目视组织疏松,晶粒十分粗大,用手即可剥落;断口半周平齐,半周有参差不齐的台阶。

缸体铸造时的冷凝收缩应力,导致铸造裂纹的产生。铸件冷却时体积要收缩,灰铸铁的线收缩量平均为1%~1.3%,冷却越快,形状越复杂、尺寸越大、产生的内应力就越大,当型与制型材料柔性不足时,某一退让性,收缩受阻,就会产生铸造裂纹。所以大铸件在温度不低于700℃、铁碳合金刚停止组织变化时,不应裸露在热砂之外。

(2)失效机理剖析

(2)事故经过

(3)端口宏观外貌

基于对上述机理的剖析,可以认定:1#烘缸的失效,主要是由于铸造裂纹在使用中的扩展,这是因为:烘缸断裂的部位,是在内壁与法兰联接的转角处,正是厚薄不匀两部分的结合线;此处形状突变,缸体内壁又不是圆弧过渡而近似直角,在铸件凝固收缩时,遇到较大的阻碍,产生收缩应力。此厚薄不匀的结合带,就成为应力集中最敏感的区域,逐渐材质内部有粗大片状石墨尖劈的割裂,外表面有不圆弧过渡的近似直角的缺口,内外应力集中叠加,因而产生十分粗大的宏观裂纹。裂纹断面收到严重氧化而具有暗黑色的特征,因而可以断定,此种铸造裂纹是属于热裂纹,发生在723℃以前。

这起烘缸爆炸事故,突出地反映了制造质量问题。要想获得合乎标准规定要求的珠光体灰铸铁烘缸,则必须严格控制化学成分,浇铸工艺和车制加工的质量。保证投入运行的烘缸无“先天性”缺陷。当然要确保安全生产,更要加强使用中的安全管理和实行定期检验制度,才能有效地防止事故发生。

从理化检验和金相分析的结果,可以确定该缸体材质为灰铸铁。

根据冶金学原理,灰铸铁的基体组织一般分为:珠光体灰铸铁,金相组织为珠光体+石墨,只有0.8%的碳处于化合态(fe3c),其余均为自由态(石墨);铁素体-珠光体灰铸铁,化合态的碳含量低于0.8%;铁素体灰铸铁,碳全部以石墨形式出现(自由态)。要想得到细化的小尺寸片状石墨和细小而均布的珠光体基体,关键在于严格控制化学成份和浇铸温度;在化学成份一定时,石墨化程度取决于冷却速度,冷却的慢,析出的自由碳就多。对于这只爆炸的烘缸,从缸体材质的石墨数量,形状和尺寸,以及机械性能来看,该材质是属于ht100的牌号,是灰铸铁中最低的牌号,不能满足造纸烘缸工作条件的要求。

1烘缸爆炸事故调查

本文作者:朱振飞 单位:江苏省特种设备安全监督检验研究院淮安分院

2009年10月30日凌晨,操作人员交接班后,造纸机运转正常,锅炉使用工作压力为0.5mpa,烘缸压力表指示在0.4mpa,生产出1.5吨纸。凌晨4时许,机身突然震动,随即1#缸发生爆炸。

此外,制造加工质量低劣,对铸造裂纹的扩展,也有很大影响。该烘缸在断口部位内壁,有很多型砂粘在缸壁上,车制加工未加工到,在此一带不仅留下尖角,加大了应力集中,而且对存在的铸造缺陷也无法检查出来。

3结束语

(1)理化检验和金相分析

(1)烘缸概况

从爆炸的缸体上切取300×300mm实物一块做理化检验和金相分析,其结果,如表1和表2。从表1可见、mn含量偏低,其含量低于各种牌号的灰铸铁规定值,p偏高,其余尚属正常。两相对照,缸体实物取样的实测值,抗拉强度仅为规定值下限的55%,硬度(hb)为下限值的68%。金相组织中,片状石墨粗大,长度250~500μm,(正常值为100~200μm),分布较均匀;基体中珠光体呈中等片状,间距10~20μm,数量65%~55%,铁素体35%~45%,二元磷共晶呈孤立状分布,数量为2%,碳化物块状分布,数量为3%。

2烘缸爆炸失效机理的分析

1092型三缸双网造纸机1#烘缸,系河南省焦作市泌阳县某机械厂制造,主要尺寸为1500×1350mm,无铭牌标志,无任何技术资料,制造年代不明。2005年投入运行,使用工作压力为0.4mpa,断续使用,累计使用时间不足4年。

粗大的片状石墨,严重地割裂烘缸基体。软而脆的片状石墨,在金属基体中,起着空洞、裂缝和尖锐缺口的作用,割裂了基体的连续性。片状石墨越多、体积越大、尺寸越长,对金属基体的割裂越严重,尤其是片状石墨形成封闭的网络时,影响更大。片状石墨的边缘比较尖锐,其两端易形成破裂源,当有应力存在时,会造成应力集中,当应力值达到某一数量级时,体心立方晶格的铸铁材料,就会沿着(100)面脆性破裂失效。从缸体金相组织来看,粗大的片状石墨,有部分已构成近似封闭的网络,所以1#缸体很容易破裂失效。

2009年10月30日凌晨4时,我市某造纸企业造纸车间1092型三缸双网造纸机在运行中1#缸发生爆炸,缸体从齿轮传动侧周向断裂,炸成两段,大段落在机位左侧三米处,小段落在机位右侧两米处,造纸机架被炸塌。

现在根据表1和表2,来剖析一下该烘缸的失效机理:粗大片状石墨的成因。①铸铁的熔化温度在1130℃~1135℃,在浇铸前铁水要过热,浇铸温度应该在1250℃~1400℃范围内,浇入铸型的铁水,在冷却到1135℃~1130℃的温度条件下,奥氏体-石墨的混合物,可自液体内结晶而出;当然形成石墨晶核、碳原子的扩散、成长为石墨晶体,这是一个很慢的过程,也需要能量。在铸型中,从共晶温度缓慢冷却至共析温度,奥氏体中也要析出过剩的碳;另外因为渗碳体(fe3c)是不稳定的,在适当的温度条件下,会发生分解,碳游离出来。这些碳原子就会向稳定的石墨晶体扩散、集结,导致石墨晶体的长大。②是锰偏低、磷偏高的影响、促进了石墨化的进程。

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