造纸烘缸爆炸失效机理浅析

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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。

1烘缸爆炸事故调查

（1）烘缸概况

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。

（2）事故经过

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。

（3）端口宏观外貌

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。

2烘缸爆炸失效机理的分析

（1）理化检验和金相分析

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）失效机理剖析

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。