耐熱不銹鋼在高溫Cl—環境中的腐蝕研究

李亮，劉旭，鄭國江，陳廷偉

耐熱不銹鋼在高溫Cl—環境中的腐蝕研究

李亮，劉旭，鄭國江，陳廷偉

本文通過對0Cr25Ni20掛片的表面腐蝕物及附著物的XRD分析，研究了Cl-對0Cr25Ni20耐熱不銹鋼的熱腐蝕機理，發現Cl-起到溶解氧化膜的作用，加劇了材料的氧化、熱腐蝕速率，導致掛片被腐蝕減薄，最終失效，并提出了相關的解決方案。

0Cr25Ni20；XRD；Cl-；高溫腐蝕

1前言

耐熱鋼廣泛應用于水泥生產設備中，其中，五級預熱器的C2～C5旋風筒內筒掛片均采用耐熱鋼鑄造或耐熱不銹鋼板制作而成。

通常掛片主要是在高溫氧化和生料沖刷的作用下逐漸減薄，高溫熱腐蝕在該過程中起到輔助作用。但是近些年，由于生料中的有害成分大幅增加（例如Cl元素），掛片往往在很短的時間內便失效，此時高溫Cl—腐蝕起到了主導作用，加速了掛片的失效。

沁陽金隅水泥有限公司采用電石渣作為原材料生產水泥，采用二級預熱器，C1旋風筒的出口溫度在580℃左右，內筒掛片采用20mm厚的0Cr25Ni20耐熱不銹鋼板制作而成，由于生料中Cl元素含量較高，導致C1旋風筒內筒掛片的使用壽命明顯縮短。針對掛片失效的問題，通過取樣分析，研究了Cl元素對0Cr25Ni20耐熱不銹鋼板的熱腐蝕機理，提出了相應的解決方案。

2失效原因分析

采用電火花激發直讀光譜儀、XRD衍射儀、熒光光譜儀及化學分析儀器等相關設備對掛片試樣、掛片表面腐蝕及附著物、入預熱器生料進行一一對應分析。

2.1入預熱器生料分析

對入預熱器的生料取樣兩次，每次取兩份，一共四份，第一次取自金隅水泥廠的物化檢測部門，第二次取自生料提升機處。樣品送往中國水泥發展中心物化檢測所進行分析，其生料中Cl元素的含量見表1。

表1　生料中Cl元素的含量，%

通常國內預熱器生料中的Cl含量在0.015%左右，含量偏高也在0.04%以內。

2.2掛片成分分析

采用電火花激發直讀光譜儀對0Cr25Ni20掛片的成分進行檢測，檢測結果見表2。

通過檢測，合金中的元素含量達到JB/T 6398-2006標準要求。

2.3掛片表面腐蝕物及附著物的XRD分析

對掛片表面腐蝕物及表面附著物取樣4份，分別是：

（1）附著在掛片表面的白色塊狀物，編號1A。

（2）表面附著淺綠色物的白色塊狀物（白色塊和淺綠色粉狀混合物），編號1B。

（3）兩面是黑色物質，中間夾層為深綠色的塊狀混合物（主體為深綠色物質），編號1C。

（4）黑色物質為主，表面附著深綠色物質的混合物（主體為黑色物質），編號2。

將上述四種物質按照XRD試驗的要求研磨成粉狀物，再進行定性分析（見圖1）。

2.3.1白色塊狀物（編號1A）

白色塊狀物的取樣位置位于附著在掛片表面的白色物質層，通過現場初步判斷，該白色物質的組成是生料的主要成分，見圖2。

通過分析，試樣1A的主要組成物質為Ca（OH）2、CaCO3和C，即主要為鈣化物和游離的碳（見圖3）。

2.3.2表面附著綠色物的白色塊狀物（編號1B）

在取樣時，發現綠色物質有兩種，一種是附著在白色物質表面的淺綠色物質，另一種是附著在掛片表面的深綠色物質。對上述兩種綠色物質進行取樣，分別進行組成分析。

該淺綠色物質附著在白色物質的表面上，沒有和掛片直接接觸（見圖4），初步判斷其組成應該是生料的主要成分。

通過分析（見圖5），試樣1B的主要組成物質為Ca（OH）2和CaCO3，即為鈣化物，是生料的主要成分。

2.3.3兩面附著黑色物質的深綠色物質的混合塊狀物（主體為深綠色物質，編號1C）

該試樣取自連接桿和掛片之間腐蝕殘留物比較多的地方，通過對該腐蝕物的定性分析，可以判斷出掛片加劇失效的原因（見圖6）。

通過對腐蝕物的分析（見圖7），黑色物質明顯就是掛片中金屬元素的氧化產物Fe2O3、NiFe2O4，而深綠色物質則為Cl-腐蝕金屬氧化膜后所得的尖晶石化合物Ca2Cr2O5（2CaO· Cr2O3）。

2.3.4附著深綠色物質的黑色物質的混合塊狀物（主體為黑色物質，編號2）

表2　掛片的化學成分，%

圖1　研磨后的試樣（從左至右編號依次為：1A、1B、1C、2）

圖2　白色塊狀樣的取樣位置及形態

圖3　試樣1A的XRD分析結果

圖4　表面附著淺綠色物的白色塊狀物的取樣位置及形態

圖5　試樣1B的XRD分析結果

圖6　附著黑色物質的深綠色物質的取樣位置及形態

圖7　試樣1C的XRD分析結果

該樣取自掛片黑色氧化物較多且氧化物表面附著深綠色腐蝕產物的地方，見圖8。

結果表明（見圖9），黑色腐蝕產物主要為掛片中金屬元素的氧化產物Fe2O3、NiFe2O4，附著的深綠色物質為尖晶石化合物Ca2Cr2O5。

3檢測結果分析

在高溫狀態下，耐熱鋼掛片中的Fe、Ni和Cr都與空氣中的O發生反應[1]、[2]：

耐熱鋼主要是靠致密的Cr2O3氧化膜形成，阻止O2進一步和Fe、Ni發生反應，防止耐熱鋼被進一步氧化。因此，耐熱鋼中Cr元素的含量決定其抗氧化性的能力大小。

沁陽金隅所使用的生料，其Cl含量遠高于其他水泥現場的含量，在600℃的工況中Ca、Cl均以游離態的形式存在，和氧化膜Cr2O3發生如下反應：

在金屬的高溫腐蝕理論研究中，Cl-的破壞作用就是起到溶解氧化膜的作用[3]，致密的氧化膜被破壞后，金屬又裸露在高溫環境中，再次被氧化，形成氧化膜，而氧化膜又被破壞——往復循環熱腐蝕過程。簡而言之，Cl-對金屬在高溫環境中的氧化過程起到催化、加劇作用。

對深綠色的腐蝕產物進行XRD定性分析，其主要物質組成是尖晶石化合物Ca2Cr2O5，說明生料中過量的Cl加劇了掛片的熱腐蝕和氧化的速率，導致掛片使用壽命明顯縮短。

4解決方案

由于現場生料不可變動，生料中的Cl含量較傳統高出很多，故在材料的選型上必須做出調整。

圖8　附著深綠色物質的黑色物質的取樣位置及形態

圖9　試樣2的XRD分析結果

傳統的Cr-Ni耐熱鋼，單一依靠Cr元素形成氧化膜進行抗氧化、抗腐蝕，Cl含量在0.02%左右，上限不超過0.04%時能夠滿足使用要求，一旦過量就會明顯縮短使用壽命。

應該采用Cr-Al-Si系耐熱鋼，該系鋼種能夠明顯提高抗腐蝕能力，其中Al元素形成的氧化膜其抗氧化、抗腐蝕能力優于Cr元素[4]。但是Al屬于輕金屬元素，在鑄造時有一定要求，需要帶真空（抽負壓）裝置的冶煉爐進行冶煉。

5結語

（1）Cl含量較高時，會成為掛片失效的最直接和最根本的原因。

（2）Cl-起到溶解耐熱鋼氧化膜的作用，加劇了掛片的氧化、熱腐蝕速率，導致掛片被腐蝕減薄，最終失效。

（3）采用Cr-Al-Si系耐熱鋼，能夠提高抗Cl-熱腐蝕的能力，提高掛片的使用壽命。

[1]肖紀美,等.材料腐蝕學原理[M].北京：化學工業出版社,2002.

[2]李美栓.金屬的高溫腐蝕[M].北京：冶金工業出版社,2001.

[3]馬海濤.高溫氯鹽環境中金屬材料的腐蝕.博士學位論文[D].2003.

[4]郭軍,姚正軍,張忠鏵,孫楊善.Fe3Al的高溫氧化和耐熱腐蝕性能[J].東南大學學報,1994, 24(4),33～37.■

Study of the Effect of Cl-Has on the Hot Corrosion Mechanics of Stainless Steel

LI Liang，LIU Xu，ZHENG Guo-jiang，CHEN Ting-wei
(Sinoma Technology&Equipment Group Co.,Ltd., Tianjin 300400,China)

The effect of Cl-on hot corrosion mechanics of heat resistant stainless steel 0Cr25Ni20 was studied by XRD analysis of the corrosion products on the surface of 0Cr25Ni20 coupon.The results showed that Cl-had the effect of dissolving oxide film,which could accelerate the rate of oxidation and hot corrosion of this material and cause the failure of 0Cr25Ni20 inner core.In additional,we offered solutions in this paper.

0Cr25Ni20；XRD；chlorine ion；hot corrosion

TQ172.622.29

A

1001-6171（2014）02-0043-04

中材裝備集團有限公司，天津300400；

2013-07-11；編輯：趙蓮