生活垃圾焚燒爐爐排塊材質(zhì)性能分析

陳宇翔

（上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703）

0 引言

采用焚燒的方式來處理固廢，是實(shí)現(xiàn)其無害化、減量化、資源化的有效手段，在國(guó)內(nèi)已得到很大的重視[1]。機(jī)械爐排爐技術(shù)因具有完善可靠、容量大、對(duì)垃圾適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，成為了垃圾焚燒的主要處理手段。截至2019年11月，全國(guó)46個(gè)垃圾分類重點(diǎn)城市居民小區(qū)垃圾分類覆蓋率達(dá)53.9%；30個(gè)城市已出臺(tái)垃圾分類地方性法規(guī)；16個(gè)城市將垃圾分類列入計(jì)劃；237個(gè)地級(jí)市啟動(dòng)垃圾分類[2]。近年來，國(guó)內(nèi)對(duì)垃圾分類愈發(fā)重視，垃圾也從高水分、低熱值往高熱值、低水分的趨勢(shì)發(fā)展，為了提高電廠的經(jīng)濟(jì)效益，部分電廠會(huì)摻燒適當(dāng)?shù)奈勰唷⒔ㄖ筒蛷N垃圾等。而爐排塊作為機(jī)械爐排的重要部件之一，勢(shì)必要對(duì)其性能的增強(qiáng)進(jìn)行研究。

爐排塊位于爐排表面，垃圾覆蓋于爐排塊上表面進(jìn)行燃燒，下表面又有一次風(fēng)，所以爐排塊表面的溫度會(huì)低于爐膛內(nèi)部的溫度。在爐排塊表面均勻設(shè)置幾個(gè)溫度監(jiān)測(cè)裝置，在焚燒爐運(yùn)行時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖1所示，運(yùn)行過程中爐內(nèi)溫度最高約為950℃，而爐排塊表面溫度在200～500℃，未超過500℃。隨著垃圾熱值的升高，爐膛的溫度將得到提高，爐排塊表面溫度推測(cè)將在500℃左右，爐排塊長(zhǎng)時(shí)間在高溫的環(huán)境中工作，在熱風(fēng)的作用下腐蝕將進(jìn)一步加強(qiáng)，且垃圾成分復(fù)雜，對(duì)爐排塊的意外損傷也頻繁存在，所以要求爐排塊有較好的耐高溫、耐腐蝕、抗氧化性、抗沖擊和抗拉強(qiáng)度。因此，根據(jù)垃圾燃燒工況對(duì)爐排塊材質(zhì)性能的要求，分別對(duì)QT450、HZ922TS、SCH11 3種材質(zhì)進(jìn)行合金的力學(xué)性能分析，為爐排塊材質(zhì)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

圖1 HZ922TS爐排塊24 h爐膛內(nèi)溫度及爐排塊表面溫度

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制造

選用剛澆鑄的鑄態(tài)HZ922TS爐排和在爐內(nèi)使用兩年并存在一定磨損后的HZ922TS爐排塊割取試樣，且制作QT450和SCH11的爐排塊割取試樣，試樣如圖2～4所示。

1.2 試驗(yàn)方法

圖2 標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，10 mm×10 mm×55 mm

圖3 室溫力學(xué)性能拉伸試樣，φ12.5 mm×99 mm

圖4 布什硬度試樣，⌒70 mm_50 mm

采用線切割和加工分別在鑄態(tài)HZ922TS、使用后HZ922TS、QT450、SCH11上割取金相試樣φ10 mm×10 mm，經(jīng)鑲嵌、磨拋和化學(xué)試劑腐蝕后置于光學(xué)顯微鏡下，依據(jù)GB/T13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》觀察其組織形貌。依據(jù)GB/T11170-2008《不銹鋼多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法》、GB/T20123-2006《鋼鐵總碳硫量的測(cè)定高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法》檢測(cè)其主要成分含量。在拉伸測(cè)試儀上，依據(jù)GB/T228-2002《金屬拉伸試驗(yàn)方法》，測(cè)試合金鑄件的常溫拉伸性能拉伸速率為1 mm/min[3]，如圖3所示。在沖擊試驗(yàn)機(jī)上測(cè)量合金沖擊值，沖擊試驗(yàn)機(jī)打擊能量為300 J，并依據(jù)GB/T231.1-2018《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》檢測(cè)合金鑄件的布氏硬度。以上測(cè)試項(xiàng)各取3個(gè)試樣，測(cè)試結(jié)果為3個(gè)試樣測(cè)試之后的平均值。并在掃描電鏡上觀察各合金沖擊試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)的斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 化學(xué)成分

各合金爐排塊的主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 各合金爐排塊的主要化學(xué)成分

對(duì)奧氏體耐熱鋼來說，抗高溫氧化腐蝕是決定材料壽命的主要因素。一般隨著溫度的升高，材料的高溫氧化腐蝕越嚴(yán)重，如果鋼的表面形成了FeO，鋼的氧化速度會(huì)劇增，由于FeO為鐵的缺位固溶體，故鐵離子具有很高的擴(kuò)散系數(shù)，則氧化層容易剝落，從而降低鋼的持久蠕變強(qiáng)度。Cr和Ni的氧化物致密，不會(huì)從材料表層脫落。目前的研究認(rèn)為鋼中的Cr含量大于或等于20%時(shí)或在管子內(nèi)外表層鍍Cr，可有效阻止鋼中形成Fe的氧化物，獲得比較滿意的抗高溫氧化性能[4]。

2.2 合金顯微組織

各合金材質(zhì)的爐排塊取段處理后的金相組織結(jié)構(gòu)如圖5所示。使用后HZ922TS顯微組織主要以片層狀的奧氏體+碳化物產(chǎn)物體現(xiàn)，如圖5（a）所示，在經(jīng)過工況使用后，相當(dāng)于熱處理后形成的以?shī)W氏體為基體內(nèi)分布著均勻碳化物顆粒。鑄態(tài)HZ922TS顯微下呈現(xiàn)的是以顏色較亮的奧氏體和部分不連續(xù)分布的碳化物，如圖5（b）所示。QT450的顯微組織可看出，球化級(jí)別為5級(jí)，即球化率約60%，石墨大小約為5級(jí)，在經(jīng)過化學(xué)試劑侵蝕后可觀察出在顯微組織為鐵素體+珠光體+極少量的碳化物，其中珠光體數(shù)量大于30%～40%，碳化物數(shù)量小于1%，如圖5（c）所示。SCH11在顯微下主要以?shī)W氏體+鐵素體+合金碳化物為主，如圖5（d）所示。

圖5 合金的鑄態(tài)金相組織

2.3 合金室內(nèi)溫度力學(xué)性能

各合金的常溫力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示，可以看出：

表2 各合金爐排塊的力學(xué)性能

（1）鑄態(tài)HZ922TS的爐排塊在抗拉強(qiáng)度和沖擊韌度等力學(xué)性能上較在工況條件下使用2年過后的使用后HZ922TS的力學(xué)性能要高，由此可見，在使用過后，抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性輕微降低；

（2）HZ922TS、QT450、SCH11 3種合金中，SCH11的抗拉強(qiáng)度和常溫下沖擊韌性較高，而HZ922TS的硬度較高沖擊韌性較低，QT450的抗拉強(qiáng)度較低硬度較低。

采用掃描電鏡觀察合金的沖擊及拉伸斷口微觀形貌，結(jié)果如圖6～7所示。HZ922TS顯示纖維狀的斷面，斷口沒有金屬光澤，色質(zhì)灰暗，呈現(xiàn)為解理特征屬塑性斷裂。QT450斷口呈晶粒狀有強(qiáng)烈反光的解里刻面，呈現(xiàn)“河流花樣”的紋理，顯示為解理特征屬于脆性斷裂，脆性較高。SCH11顯示大量微坑狀斷面，呈現(xiàn)韌窩特征，塑性較高。

圖6 合金SEM沖擊斷口形貌

圖7 合金SEM拉伸斷口形貌

2.4 合金工作溫度下的沖擊韌度

機(jī)械垃圾焚燒爐對(duì)爐排塊的要求除了具有一定的抗磨性、抗氧化性、抗拉強(qiáng)度等性能以外，對(duì)爐排塊的沖擊韌度也有較高的要求，高強(qiáng)度的沖擊韌度可大大降低部分工業(yè)垃圾、結(jié)塊垃圾等對(duì)爐排造成意外的損壞，能進(jìn)一步地降低爐排塊的損壞率。針對(duì)沖擊韌度對(duì)3種不同成分合金做出不同溫度條件的測(cè)試，結(jié)果如圖8所示。

圖8 合金不同工作溫度下的沖擊韌度變化曲線

由此看出，在常溫至700℃的范圍內(nèi)，SCH11的合金隨著溫度的升高，沖擊韌度呈線性提升，在該溫度區(qū)間內(nèi)，SCH11具有更強(qiáng)的力學(xué)性能；而QT450在常溫至300℃，沖擊韌度逐漸上升，但是在300～700℃時(shí)，沖擊韌度趨于平穩(wěn)不再增高；HZ922TS在常溫至500℃間的沖擊韌度存在上升500℃后趨于停止增加，且沖擊韌度在3種材質(zhì)中較低。在一定的工作溫度中，SCH11能適應(yīng)更高的溫度且力學(xué)性能隨著溫度的升高而升高，而QT450和HZ922TS在達(dá)到一定的溫度后，性能不再增加，達(dá)到峰值。

3 分析結(jié)果

從金相看出，鑄態(tài)HZ922TS晶體較為清晰，紋路明顯，使用后HZ922TS背景較為渾濁，晶體變大產(chǎn)生部分碳化物顆粒，組織結(jié)構(gòu)基本未發(fā)生變化，說明HZ922TS材質(zhì)的爐排塊在使用2年后未發(fā)生明顯質(zhì)變，使用效果較好。SCH11主要以?shī)W氏體為主，沿著晶界產(chǎn)生白色點(diǎn)狀的高溫合金碳化物，主要為鉻和鎳成分，在進(jìn)一步高溫使用或熱處理后會(huì)進(jìn)一步融合，耐熱、耐磨、耐腐蝕的性能進(jìn)一步提高，在高溫使用狀態(tài)下，有更高強(qiáng)度的力學(xué)性能，能更適用國(guó)內(nèi)垃圾條件的發(fā)展趨勢(shì)[5]。QT450含碳量較高，更加耐燒，但是力學(xué)性能明顯較低，很難符合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有垃圾條件，極易出現(xiàn)爐排損壞的情況，而在高溫情況下QT450的力學(xué)性能達(dá)到一定溫度后存在峰值，性能不再提高。HZ922TS性能較其他2種材質(zhì)較為適中，與QT450相似，當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)沖擊韌度達(dá)到峰值不再提高，且整體沖擊韌度較另2種材質(zhì)低。斷口的特征分析，SCH11呈韌窩特征，塑性較高；QT450斷面整齊，屬于脆性斷裂，脆性較大；HZ922TS斷面呈現(xiàn)限位狀，性能適中。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)生活垃圾焚燒爐爐排塊材質(zhì)性能進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下。

（1）HZ922TS使用2年后，在爐內(nèi)長(zhǎng)期的高溫和腐蝕情況下，化學(xué)成分和力學(xué)性能未出現(xiàn)較大的改變和降低，在爐排塊磨損量滿足一定要求之內(nèi)，該材質(zhì)的爐排塊使用壽命較為可觀。

（2）HZ922TS、QT450、SCH11的 硬 度 分 別 為391.2 HBW、206.4 HBW、282 HBW，常溫下沖擊韌度分別為3.2 J/cm2、4.4 J/cm2、8.5 J/cm2，常溫下抗拉強(qiáng)度分別為830.4 MPa、594 MPa、801.6 MPa。

（3）在常溫-700℃的工作溫度下，SCH11的沖擊強(qiáng)度較HZ922TS和QT450要高，而且隨著溫度的上升，SCH11的沖擊韌度持續(xù)上升。

（4）QT450脆性較高，不適合現(xiàn)有垃圾工況，易發(fā)生斷裂。HZ922TS性能適中，但是硬度較高，雖然適用目前垃圾燃燒，但是可塑性較低，對(duì)爐排塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)局限性較大。SCH11性能較高，且可塑性較高，能較好地滿足垃圾燃燒需要的性能特征和結(jié)構(gòu)特征。

（5）3種合金中HZ922TS適應(yīng)性適中，但是SCH11更能適應(yīng)垃圾焚燒的工況，且隨著垃圾焚燒行業(yè)的發(fā)展，具有更好的強(qiáng)度韌性，使用壽命較另外2種高。