25-20耐熱鋼的性能測試及在水泥燒成系統(tǒng)中的應(yīng)用

李曉波，錢偉

目前，耐熱鋼ZG40Cr25Ni20Si2（簡稱：25-20）被廣泛應(yīng)用于預(yù)熱器C4、C5內(nèi)筒掛片、煙室喂料舌頭、回轉(zhuǎn)窯窯頭窯尾護板、篦冷機高溫段篦板等水泥燒成設(shè)備中。在現(xiàn)有資料中僅能查閱到其成分、室溫力學(xué)性能以及使用溫度上限。這對于設(shè)計者來說，在設(shè)計相關(guān)設(shè)備時沒有更詳實的數(shù)據(jù)作為依據(jù)，不利于設(shè)備可靠性；對于使用者來說，在規(guī)定的上限溫度以內(nèi)使用時，其實際使用效果沒有具體數(shù)據(jù)可參考。

基于上述問題，結(jié)合實際工況，對25-20在950℃時的高溫拉伸性能、高溫抗氧化性能以及高溫耐腐蝕性能進行深入研究。

1 常規(guī)數(shù)據(jù)

通過機械設(shè)計手冊以及金屬材料手冊，能夠查閱到的材料成分以及常溫力學(xué)性能，分別見表1、2。

表1 25-20的化學(xué)成分，wt%

表2 25-20的常溫力學(xué)性能

2 組織與性能

通過金相組織分析，得知ZG40Cr25Ni20Si2的鑄態(tài)組織，通過950℃的高溫拉伸、高溫氧化以及高溫腐蝕試驗得到該材料的實際性能數(shù)據(jù)，詳述如下：

2.1 金相組織

由圖1可以看出，25-20在鑄態(tài)時為單一的奧氏體組織，溫度＞727℃時也不會發(fā)生相變，具有良好的組織穩(wěn)定性。

圖1 25-20鑄態(tài)的金相組織（200×）

2.2 高溫力學(xué)性能

按照試驗標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4338-2006《金屬材料高溫拉伸試驗方法》，對25-20進行高溫力學(xué)性能試驗，測試溫度為950℃，測試結(jié)果見表3。

表3 25-20高溫力學(xué)性能

2.3 高溫抗氧化性能

對試樣進行高溫抗氧化性能研究，氧化實驗在小型箱式電阻爐內(nèi)進行，試驗溫度為950℃，連續(xù)100h，采用增重法測試其抗氧化性，見圖2。

由圖2可以看出，連續(xù)100h的高溫氧化后，25-20的氧化增重為0.744 5mg/cm2。根據(jù)HB5258-2000《鋼及高溫合金的抗氧化性測定試驗方法》中的規(guī)定，通過氧化增重速率（g/m2·h）可判定其抗氧化級別，見表4、5。

圖2 950℃連續(xù)100h的氧化動力學(xué)曲線圖

表5 25-20的抗氧化性（950℃、100h）

通過表4、5可以看出，25-20是一種高溫抗氧化性能非常優(yōu)異的耐熱鋼，在950℃使用時，氧化膜能夠均勻、致密地包覆在基材上，有效地阻隔氧元素。

2.4 高溫抗腐蝕性能

對試樣進行高溫抗腐蝕性能研究，試驗在鹽霧氣氛下進行，由5%NaCl+95%Na2SO4混合后，加蒸餾水配制成鹽溶液，均勻地噴涂在試樣表面，試驗溫度為950℃，連續(xù)100h，分別做兩組試驗，采用增重法和減重法測試其抗腐蝕性，見圖3、4。

通過圖3可知：連續(xù)100h腐蝕后，25-20腐蝕增重量為54.932 3mg/cm2。由圖4可知：連續(xù)100h腐蝕后，25-20 腐蝕減重量為 99.701 2mg/cm2。由圖3、4可以看出，25-20在高溫腐蝕環(huán)境中持續(xù)受到腐蝕破壞，不能有效阻止熔鹽侵蝕。由圖2、3可知，在950℃的腐蝕增重速率約是氧化增重的74倍。

圖3 950℃連續(xù)100h的腐蝕增重動力學(xué)曲線圖

圖4 950℃連續(xù)100h的腐蝕減重動力學(xué)曲線圖

在腐蝕試驗結(jié)束后，使用SEM掃描電鏡對腐蝕試樣進行分析，腐蝕試驗后的SEM掃描形貌見圖5。通過圖5可以看出，在100h腐蝕后，25-20的氧化膜明顯被腐蝕產(chǎn)物破壞，這表明，在有S、Cl氣氛的工況中，25-20的使用壽命明顯縮短，不能夠有效地預(yù)防腐蝕。

3 應(yīng)用與改進

通過測試ZG40Cr25Ni20Si2的相關(guān)性能，結(jié)合水泥燒成設(shè)備實際使用工況，調(diào)整25-20材料中的元素含量，使其達(dá)到較好的使用效果。

3.1 預(yù)熱器

（1）C4、C5內(nèi)筒掛片

通常25-20應(yīng)用在C4、C5內(nèi)筒上，使用壽命≮1年。一旦遇到入預(yù)熱器生料中含有腐蝕性元素，生料包覆在掛片表面，導(dǎo)致腐蝕性元素富集，造成使用壽命急速下降，掛片快速失效，見圖6。

圖5 25-20試樣腐蝕試驗后的SEM掃描形貌

圖6 內(nèi)筒掛片腐蝕之后的形貌

從圖6可以看出，在高溫腐蝕性工況下，掛片表面被嚴(yán)重腐蝕，局部產(chǎn)生裂紋，使用壽命僅在3個月左右。使用結(jié)果和高溫抗腐蝕試驗的結(jié)果是一致的。

通過查閱資料和文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)氯化物主要破壞氧化膜，硫化物腐蝕Ni元素。因此，在有腐蝕工況的環(huán)境中，ZG40Cr25Ni20Si2首先要適當(dāng)降低Ni元素的含量，其次添加Al、Mo、B這三種元素，這樣能夠有效地提高材料的使用壽命。Al元素的添加是為了形成能夠抗氯化物腐蝕的Al2O3膜；Mo、B這兩種元素本身能夠起到一定的抗腐蝕作用，主要用于強化材料，以彌補Ni元素量的減少。

（2）喂料舌頭

預(yù)熱器煙室的工況溫度通常在1 100～1 150℃，雖然喂料舌頭表面有一層澆注料保護，但澆注料一旦失效，喂料舌頭很快會被燒損。因此，需要提升25-20的耐熱性。適當(dāng)提升Ni元素含量，提高熱強性能。添加一定量Al元素，在材料表面形成Al2O3和Cr2O3雙層氧化膜。

3.2 回轉(zhuǎn)窯

回轉(zhuǎn)窯的窯頭窯尾護板對于材料的高溫耐磨性能有較高要求。因此，可以將25-20材料中的Ni元素減少30%，添加Nb和N元素以提高材料的耐磨性。

3.3 冷卻機

在使用冷卻機的固定斜坡篦板以及高溫段篦板時，同樣對高溫磨損有較高要求，由于有冷卻風(fēng)的保護，其實際工況溫度要低，因此，可以將25-20材料中的Ni元素減少50%，添加一定量的W和V元素，以提高材料耐磨性。

4 結(jié)語

ZG40Cr25Ni20Si2鑄態(tài)組織為單一的奧氏體，在工況溫度＞727℃時不會發(fā)生相變，具有良好的熱穩(wěn)定性能。950℃的試驗表明，該材料具有良好的熱強性能以及優(yōu)異的抗氧化性能，但對S、Cl化合物的抗腐蝕性能明顯不佳。因此，該材料在水泥燒成設(shè)備（預(yù)熱器、回轉(zhuǎn)窯、冷卻機）中應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)實際工況進行調(diào)整和改進，以達(dá)到較好的使用效果，提高使用壽命，確保生產(chǎn)的穩(wěn)定性和持續(xù)性。