造紙烘缸爆炸失效機理淺析
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本文作者：朱振飛 單位：江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院淮安分院
2009年10月30日凌晨4時，我市某造紙企業造紙車間1092型三缸雙網造紙機在運行中1#缸發生爆炸，缸體從齒輪傳動側周向斷裂，炸成兩段，大段落在機位左側三米處，小段落在機位右側兩米處，造紙機架被炸塌。
（1）烘缸概況
1092型三缸雙網造紙機1#烘缸，系河南省焦作市泌陽縣某機械廠制造，主要尺寸為1500×1350mm，無銘牌標志，無任何技術資料，制造年代不明。2005年投入運行，使用工作壓力為0.4MPa，斷續使用，累計使用時間不足4年。
（2）事故經過
2009年10月30日凌晨，操作人員交接班后，造紙機運轉正常，鍋爐使用工作壓力為0.5MPa，烘缸壓力表指示在0.4MPa，生產出1.5噸紙。凌晨4時許，機身突然震動，隨即1#缸發生爆炸。
（3）端口宏觀外貌
烘缸破裂斷口，位于筒體與法蘭聯接的轉角處，也是內壁切削加工的交接線處。此處車削加工質量粗劣，在轉角斷裂處靠近缸盆一側的內壁上還堆積著型砂，留有尖角，并未按要求圓弧過渡；在缸體周向內側的斷口上有十分明顯的宏觀裂紋。缸體壁厚為25～32mm，而宏觀裂紋的深度即達11～15mm，長度達2.38mm，為缸體周長的一半以上；且裂紋表面因氧化嚴重而呈暗黑色。整個斷面目視組織疏松，晶粒十分粗大，用手即可剝落；斷口半周平齊，半周有參差不齊的臺階。
2烘缸爆炸失效機理的分析
（1）理化檢驗和金相分析
從爆炸的缸體上切取300×300mm實物一塊做理化檢驗和金相分析，其結果，如表1和表2。從表1可見、Mn含量偏低，其含量低于各種牌號的灰鑄鐵規定值，P偏高，其余尚屬正常。兩相對照，缸體實物取樣的實測值，抗拉強度僅為規定值下限的55%，硬度（HB）為下限值的68%。金相組織中，片狀石墨粗大，長度>250～500μm，（正常值為100～200μm），分布較均勻；基體中珠光體呈中等片狀，間距>10～20μm，數量<65%～55%，鐵素體35%～45%，二元磷共晶呈孤立狀分布，數量為2%，碳化物塊狀分布，數量為3%。
（2）失效機理剖析
從理化檢驗和金相分析的結果，可以確定該缸體材質為灰鑄鐵。
根據冶金學原理，灰鑄鐵的基體組織一般分為：珠光體灰鑄鐵，金相組織為珠光體+石墨，只有0.8%的碳處于化合態（Fe3C），其余均為自由態（石墨）；鐵素體-珠光體灰鑄鐵，化合態的碳含量低于0.8%；鐵素體灰鑄鐵，碳全部以石墨形式出現（自由態）。要想得到細化的小尺寸片狀石墨和細小而均布的珠光體基體，關鍵在于嚴格控制化學成份和澆鑄溫度；在化學成份一定時，石墨化程度取決于冷卻速度，冷卻的慢，析出的自由碳就多。對于這只爆炸的烘缸，從缸體材質的石墨數量，形狀和尺寸，以及機械性能來看，該材質是屬于HT100的牌號，是灰鑄鐵中最低的牌號，不能滿足造紙烘缸工作條件的要求。
現在根據表1和表2，來剖析一下該烘缸的失效機理：粗大片狀石墨的成因。①鑄鐵的熔化溫度在1130℃～1135℃，在澆鑄前鐵水要過熱，澆鑄溫度應該在1250℃～1400℃范圍內，澆入鑄型的鐵水，在冷卻到1135℃～1130℃的溫度條件下，奧氏體-石墨的混合物，可自液體內結晶而出；當然形成石墨晶核、碳原子的擴散、成長為石墨晶體，這是一個很慢的過程，也需要能量。在鑄型中，從共晶溫度緩慢冷卻至共析溫度，奧氏體中也要析出過剩的碳；另外因為滲碳體（Fe3C）是不穩定的，在適當的溫度條件下，會發生分解，碳游離出來。這些碳原子就會向穩定的石墨晶體擴散、集結，導致石墨晶體的長大。②是錳偏低、磷偏高的影響、促進了石墨化的進程。
粗大的片狀石墨，嚴重地割裂烘缸基體。軟而脆的片狀石墨，在金屬基體中，起著空洞、裂縫和尖銳缺口的作用，割裂了基體的連續性。片狀石墨越多、體積越大、尺寸越長，對金屬基體的割裂越嚴重，尤其是片狀石墨形成封閉的網絡時，影響更大。片狀石墨的邊緣比較尖銳，其兩端易形成破裂源，當有應力存在時，會造成應力集中，當應力值達到某一數量級時，體心立方晶格的鑄鐵材料，就會沿著（100）面脆性破裂失效。從缸體金相組織來看，粗大的片狀石墨，有部分已構成近似封閉的網絡，所以1#缸體很容易破裂失效。
缸體鑄造時的冷凝收縮應力，導致鑄造裂紋的產生。鑄件冷卻時體積要收縮，灰鑄鐵的線收縮量平均為1%～1.3%，冷卻越快，形狀越復雜、尺寸越大、產生的內應力就越大，當型與制型材料柔性不足時，某一退讓性，收縮受阻，就會產生鑄造裂紋。所以大鑄件在溫度不低于700℃、鐵碳合金剛停止組織變化時，不應裸露在熱砂之外。
基于對上述機理的剖析，可以認定：1#烘缸的失效，主要是由于鑄造裂紋在使用中的擴展，這是因為：烘缸斷裂的部位，是在內壁與法蘭聯接的轉角處，正是厚薄不勻兩部分的結合線；此處形狀突變，缸體內壁又不是圓弧過渡而近似直角，在鑄件凝固收縮時，遇到較大的阻礙，產生收縮應力。此厚薄不勻的結合帶，就成為應力集中最敏感的區域，逐漸材質內部有粗大片狀石墨尖劈的割裂，外表面有不圓弧過渡的近似直角的缺口，內外應力集中疊加，因而產生十分粗大的宏觀裂紋。裂紋斷面收到嚴重氧化而具有暗黑色的特征，因而可以斷定，此種鑄造裂紋是屬于熱裂紋，發生在723℃以前。
此外，制造加工質量低劣，對鑄造裂紋的擴展，也有很大影響。該烘缸在斷口部位內壁，有很多型砂粘在缸壁上，車制加工未加工到，在此一帶不僅留下尖角，加大了應力集中，而且對存在的鑄造缺陷也無法檢查出來。
3結束語
這起烘缸爆炸事故，突出地反映了制造質量問題。要想獲得合乎標準規定要求的珠光體灰鑄鐵烘缸，則必須嚴格控制化學成分，澆鑄工藝和車制加工的質量。保證投入運行的烘缸無“先天性”缺陷。當然要確保安全生產，更要加強使用中的安全管理和實行定期檢驗制度，才能有效地防止事故發生。
