淺談鍋爐風(fēng)帽的性能改進(jìn)措施

陶宇飛 潘躍忠

第一作者第二作者 摘要：對(duì)于鍋爐風(fēng)帽生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)，如何在提高風(fēng)帽使用性能、增加使用壽命的同時(shí)，又能有效的降低生產(chǎn)成本，是當(dāng)前生產(chǎn)企業(yè)面臨的重要問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：風(fēng)帽生產(chǎn)改進(jìn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TK223文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：

鎳屬于稀有元素，在風(fēng)帽生產(chǎn)中必不可少，無(wú)形之中提高了企業(yè)的生產(chǎn)成本。現(xiàn)在有些企業(yè)在進(jìn)行高溫耐磨鋼制風(fēng)帽生產(chǎn)的時(shí)候，加入了稀土和錳元素來(lái)替代部分鎳，通過(guò)熱處理技術(shù)，對(duì)風(fēng)帽生產(chǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，不但提高了風(fēng)帽的耐磨損性能、延長(zhǎng)了使用壽命，而且降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，值得大力推廣。

1現(xiàn)有風(fēng)帽的成分及性能

上世紀(jì)90年代初期，我國(guó)循環(huán)流化床鍋爐曾采用普通高硅耐熱鑄鐵和RQTSi5.5制作風(fēng)帽，但該種風(fēng)帽易燒毀壽命很短，一般在3個(gè)月左右，低的甚至不足2個(gè)月就燒穿。所以為了保證鍋爐安全運(yùn)行，提高風(fēng)帽的使用壽命、保證發(fā)電效率，一些電廠開(kāi)始采用1Crl8Ni9Ti材質(zhì)來(lái)制造風(fēng)帽。這種風(fēng)帽壽命可達(dá)到6個(gè)月到1年。因?yàn)轱L(fēng)帽的工作環(huán)境特別惡劣，長(zhǎng)期處于900－1000℃的高溫環(huán)境中，且經(jīng)受煤渣的沖擊磨損，所以不少企業(yè)包括學(xué)者一直探尋開(kāi)發(fā)新的耐高溫耐磨材料制造風(fēng)帽，但是一直沒(méi)有令人滿意的材料提高風(fēng)帽壽命，這一直是困擾電廠進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)效益的問(wèn)題。

隨著近年來(lái)隨著材料性能的不斷改進(jìn)，很多企業(yè)以Cr25Ni14Si2、2Cr25Ni20等材質(zhì)制造風(fēng)帽，耐磨、耐高溫性能得以大幅提高，普遍的使用壽命可以達(dá)到1~2年，但是隨著近些年有色金屬的價(jià)格不斷攀升，大量合金元素的加入，特別是鎳元素的加入，使得企業(yè)生產(chǎn)成本大幅增加。所以根據(jù)合金元素對(duì)耐磨耐熱鋼的影響和風(fēng)帽使用條件特點(diǎn)以及出于對(duì)經(jīng)濟(jì)性的考慮，最終選用ZG35Cr25Mn7Ni5Si2RE為基的耐磨耐熱鋼，提高此耐磨耐熱鋼在高溫氧化性氣氛及沖擊磨損的工況下的使用性能及經(jīng)濟(jì)性能。

2 化學(xué)成分對(duì)風(fēng)帽性能的影響

在滿足材料使用性能要求的前提下，以降低企業(yè)生產(chǎn)成本為原則，設(shè)計(jì)出適合于企業(yè)需求的耐磨耐熱鋼，從而獲得良好的社會(huì)效益；并以碳、鉻、鎳和錳為主要元素，硅及稀土等為輔助元素，通過(guò)合適的元素成分配比，使它們之間達(dá)到有機(jī)結(jié)合，更好的發(fā)揮合金元素作用，并以較低的成本獲得良好的使用性能和經(jīng)濟(jì)效益。

2.1 碳

碳是鋼中的主要元素，對(duì)鋼的性能有很大影響。隨著含碳量的增加，鋼在室溫條件下析出滲碳體的數(shù)量也越多，給鋼帶來(lái)了很高的強(qiáng)度、硬度，但塑性、韌性下降。隨著溫度的提高，碳化物會(huì)不斷的聚合長(zhǎng)大，對(duì)鋼的抗蠕變性能產(chǎn)生不利影響，特別是在高溫條件下長(zhǎng)期使用，高的含碳量會(huì)使更多的碳化物從基體中析出，使固溶體中的合金元素含量降低，減弱合金元素在鋼中的強(qiáng)化作用，使材質(zhì)的強(qiáng)度、塑性、耐蝕性和抗氧化性降低，所以耐熱鋼使用時(shí)含碳量不宜太高。碳可以和強(qiáng)碳化物形成元素(如Nb、Ti、V、W等)在高溫條件下形成穩(wěn)定的MC型特殊碳化物，可顯著提高鋼在高溫下的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。但過(guò)高的含碳量容易使鋼在凝固時(shí)沿晶界析出網(wǎng)狀M23C6型碳化物，使鋼的脆性增大。碳在鋼中還是穩(wěn)定和促進(jìn)奧氏體的元素。綜合考慮確定碳的含量為0.25%～0.45%。

2.2 鉻

鉻元素加入到鋼中，可以提高鋼的淬透性。而且鉻與鐵會(huì)形成連續(xù)固溶體使鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性提高，但塑性、韌性會(huì)降低。鉻在氧化性介質(zhì)中會(huì)形成一層致密的氧化膜，并分布在晶界處包裹在金屬晶粒的表面，阻止金屬基體繼續(xù)受到氧化而被破壞，因而隨著鉻含量增加，鋼的抗氧化性能提高。但隨工件使用溫度的進(jìn)一步提高，要滿足工件對(duì)氧化性能要求的最好方法就是繼續(xù)增加鋼中鉻的含量，如工作溫度達(dá)到1100℃以上時(shí)，抗氧化的耐磨耐熱鋼的鉻含量就應(yīng)大于25%才能滿足使用要求。在耐熱鋼和耐蝕鋼中，若鉻量過(guò)低，由于含鉻碳化物的沉淀析出會(huì)產(chǎn)生貧鉻區(qū)，使鄰近晶界貧鉻，降低鋼的抗腐蝕性和抗氧化性，使鋼塑性、韌性及強(qiáng)度降低，脆性增加。但鉻含量過(guò)高會(huì)形成M23C6，同時(shí)增加殘余奧氏體量，使硬度降低，耐磨性降低。為了保證材質(zhì)的高溫抗氧化性及耐磨性，應(yīng)將鉻含量控制在19%～28%范圍內(nèi)。

2.3 鎳

鎳和碳不形成碳化物，它是形成和穩(wěn)定奧氏體的主要合金元素。在這方面的作用僅次于碳和氮。鎳與鐵以互溶的形式存在于鋼中的α相和γ相中，使之強(qiáng)化，并通過(guò)細(xì)化α相中的晶粒，改善鋼的性能，特別是韌性。當(dāng)溫度超過(guò)950℃時(shí)，錳對(duì)抗氧化不利，而鎳則本身不氧化，盡管鎳不是抗氧化的有效元素，但可提高合金的高溫強(qiáng)度。在鎳鉻耐熱鋼中，鎳與鉻配合使用可以獲得良好的效果。在含碳量、含鉻量不變時(shí)，含鎳量提高則可顯著改善耐熱鋼的高溫性能與常溫性能。另外，由于鎳是一種稀缺的元素，綜合以上因素，把鎳的含量定在4%～6%。

2.4硅

硅在鋼中不形成碳化物，而是以固溶體的形態(tài)存在于鐵素體或奧氏體中。在氧化氣氛中加熱硅在鋼中可形成SiO2薄膜，大幅提高鋼在高溫時(shí)的抗氧化性能，可以起到部分地代替鉻的作用。硅還能提高鋼的抗?jié)B碳性，在800℃左右使用時(shí)，硅有助于α相的析出。硅還可以提高鋼中固溶體的強(qiáng)度，但含量過(guò)多將顯著降低鋼的塑性、韌性，并使焊接性能惡化。故在抗磨耐熱鋼中硅含量不易太高，本材質(zhì)將硅含量控制在1.6%～2.0%范圍內(nèi)。

2.5 錳

錳是好的脫氧劑和脫硫劑，錳與硫形成熔點(diǎn)高的MnS，可防止因生成FeS而導(dǎo)致熱脆現(xiàn)象。錳和鐵形成固溶體，提高鋼中鐵素體和奧氏體的硬度和強(qiáng)度，同時(shí)又是碳化物形成元素。錳在鋼中是擴(kuò)展γ相區(qū)和穩(wěn)定γ的元素，其促進(jìn)作用相當(dāng)于鎳的一半。錳還可以增加氮在鋼中的溶解度，從而在含氮鋼中起積極的穩(wěn)定奧氏體的作用。一般認(rèn)為，錳對(duì)抗氧化性能沒(méi)有顯著影響，但含量過(guò)高也會(huì)有損于抗氧化性能和降低蠕變極限。錳與氮有穩(wěn)定奧氏體，抑制在800℃下長(zhǎng)期使用析出金屬間化合α相的作用，防止工件長(zhǎng)期在800℃下使用變脆的情況出現(xiàn)。但在高溫使用的耐熱鋼中，錳量過(guò)高會(huì)使凝固時(shí)和高溫使用過(guò)程中組織粗大。故本材質(zhì)將錳含量控制在6.0%～8.0%范圍內(nèi)。

2.6 稀土元素

在耐磨耐熱鋼中加入少量的稀土元素可顯著地提高其抗氧化性和耐腐蝕性能，改善和提高鋼的蠕變抗力、持久強(qiáng)度和高溫?cái)嗔秧g性。稀土元素的這些作用主要是通過(guò)強(qiáng)化晶界達(dá)到的。

在鋼中加入稀土元素，可以去除鋼液中的氧和硫，減少非金屬夾雜，凈化鋼液，提高鋼液質(zhì)量。另外，稀土元素提高鉻在鋼中的擴(kuò)散速度，使表面能較快地生成Cr203保護(hù)膜，阻止了富Ni、Fe或Mn尖晶石氧化物的形成。研究表明：當(dāng)稀土元素含量達(dá)到0.05%以上時(shí)，可顯著地表現(xiàn)出上述作用，但稀土元素加入量應(yīng)嚴(yán)格控制以免增加鋼中的夾雜物，一般控制1%以下。故本材質(zhì)將稀土元素含量控制在0.08～0.1%。

3 選擇風(fēng)帽的熱處理工藝

3.1 熱處理的目的

對(duì)風(fēng)帽熱處理的目的就是要在奧氏體化溫度下，使得材料鑄態(tài)組織中粗大的強(qiáng)化相(碳化物、氮化物以及各種金屬間化合物)重新溶解在奧氏體中，從而成為單一的奧氏體或奧氏體+少量碳化物(<5%)組織。

3.2 鑄鋼件熱處理的特點(diǎn)

鑄鋼件的鑄態(tài)組織中，常有粗大枝晶及偏析。熱處理時(shí)，其加熱溫度應(yīng)稍高于同類(lèi)成分的鍛鋼件，其奧氏體化保溫時(shí)間也需長(zhǎng)點(diǎn)。鑄鋼件熱處理時(shí)，必須根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)合理堆放，盡量避免變形。

3.3 熱處理工藝的制定

一般在鑄態(tài)下使用，只有要求較高蠕變強(qiáng)度的鑄件才進(jìn)行固溶處理和時(shí)效處理。固溶處理的目的是溶解鑄態(tài)析出的碳化物，獲得單相奧氏體組織。固溶處理后進(jìn)行時(shí)效處理，則使過(guò)飽和的固溶體均勻析出彌散碳化物相，提高鑄鋼抗蠕變強(qiáng)度。在高溫箱式電阻爐中進(jìn)行1050℃的固溶處理，保溫2個(gè)小時(shí)出爐空冷；之后進(jìn)行800℃的時(shí)效處理，保溫4個(gè)小時(shí)，出爐空冷。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在改進(jìn)后的合金鋼中各元素所占的比例為C：0.35%，Cr：25%，Mn：7%，Ni：5%，Si：2.0%，RE：0.08%，并經(jīng)固溶時(shí)效后，獲得了鐵基奧氏體鋼。與廠家現(xiàn)用風(fēng)帽相比，減少了稀缺元素鎳的加入量，降低了成本。研制風(fēng)帽顯微組織為奧氏體＋均勻彌散分布的碳化物，析出的碳化物均勻彌散分布在晶界上，提高了鋼的強(qiáng)度。合金鋼組織與廠家現(xiàn)用的風(fēng)帽相比有明顯細(xì)化。

參考文獻(xiàn)

[1]吳新，趙長(zhǎng)遂，等.流化床風(fēng)帽溫度及其耐熱性的試驗(yàn)研究[J]，熱能動(dòng)力工程2000年，第15卷（總第87期）:252－255.

[2]李美栓，金屬的高溫腐蝕[M]，北京冶金工業(yè)出版社，2001:300-310.

[3]黃健中，材料的耐蝕性和腐蝕數(shù)據(jù)[M]，北京化學(xué)工業(yè)出版社，2003:214-218.

[4]朱日彰，何業(yè)東，齊慧濱.高溫腐蝕及耐高溫腐蝕材料[M]，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1995:35-39.

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)用PDF形式查看。