熱風閥閥桿鍍層失效原因分析

袁軍

(秦皇島秦冶重工有限公司 河北秦皇島066318)

1 前言

熱風閥是高爐煉鐵系統的關鍵閥門，安裝在高爐熱風爐系統1200～1450℃的高溫熱風管道中。熱風閥由閥體、閥蓋、閥板組成，閥板通過閥桿上下移動完成閥門啟閉動作。閥體、閥蓋、閥板均通以冷卻水，確保熱風閥耐高溫、耐高壓、可靠密封。閥桿與閥蓋間設有迷宮環浮動密封以避免外泄露，為了達到其耐腐蝕、耐磨、耐高溫的要求，一般在閥桿本體20鋼管表面鍍硬鉻。

2 閥桿鍍層的脫落

閥桿在高溫、高腐蝕性惡劣氣氛中頻繁啟閉，閥桿及密封填料間良好的耐磨及密封性能是非常重要的，閥桿表面電鍍層一旦脫落，會損壞閥桿與閥蓋配合處密封填料，造成密封處漏風，熱量流失，能源浪費，嚴重的將引起高爐休風，給用戶帶來巨大損失。但是隨著冶煉新工藝的采用和普及，惡化了熱風閥使用環境，熱風閥閥桿鍍層脫落，閥桿腐蝕質量問題也時常發生。

圖1是某鋼鐵公司使用的熱風閥閥桿鍍層脫落、腐蝕情況，由圖可見，閥桿鍍層有片狀脫落、也有點狀脫落。閥桿基體尤其是與閥板連接部位腐蝕嚴重。

圖1 閥桿鍍層脫落

3 閥桿腐蝕產物

對鍍層脫落、基體腐蝕的閥桿進行了取樣分析。圖2、圖3是在閥桿與閥板連接的腐蝕最嚴重處取樣，進行的腐蝕表面能譜分析，結果如下：

圖2 表面腐蝕產物SEM形貌

圖3 元素面能譜分析結果

從表面腐蝕產物SEM形貌分析，腐蝕表面明顯有C、Cl、S、K、Ca等元素的富集，表明閥桿在服役過程中，高爐活性炭氣氛和高溫引起碳原子在閥桿表面沉積。氧化層的主要腐蝕產物是氧化鐵，含有微量的Cl、S等元素，說明閥桿受到了氯氣、二氧化硫或硫化氫等腐蝕性氣體的腐蝕。

4 腐蝕原因

上述分析結果也說明了高爐氣氛中除高爐煤氣外，還含有較高的含Cl、S等的酸性氣體。資料介紹[1]，大高爐原料越來越多的使用進口礦石，運輸方式主要是海運，使氯元素含量普遍高于地方礦，導致高爐煤氣中Cl元素含量更高。焦炭、煤粉、球團也都是燒結礦所需的原料，同樣也不同程度的帶入氯化物、硫化物。同時，企業為降低高爐冶煉成本，提高產量，廣泛采用燒結礦噴灑氯化鈣(CaCl2)溶液、高爐富氧噴煤等技術[2]，這些技術的應用也會造成爐氣中的酸性組分(SO2、SO3、H2S、HCl等)含量相對增高。當各種酸性組分存留于爐氣中，遇其溫度降至露點以下時，對管道部件就會造成腐蝕，熱風閥閥桿正是處于這樣的酸性腐蝕環境中。氯化物、硫化物為酸性介質，與鍍層Cr、基體Fe形成了原電池，從而導致閥桿腐蝕，鍍層脫落。

即使在中性環境中，氯離子的存在也會對金屬材質甚至不銹鋼產生腐蝕，因為氯離子的體積小，容易穿透金屬氧化膜，金屬氯化物水解在微區，形成酸性環境，使得金屬氧化膜結構被破壞，從而發生腐蝕。

那么，能否最大限度地隔離腐蝕環境，讓腐蝕無孔可入呢？

5 閥桿鍍層質量分析

鑒于熱風閥閥桿的工況條件，閥桿需要耐高溫、耐磨、致密性高、鍍層無孔隙且結合牢固，鍍層厚度0.08～0.15mm，硬度HV≥850。對于上述要求，進行如下試驗：

1)電鍍層孔隙試驗[3]

采用貼濾紙法確認電鍍層是否存在孔隙。

試驗溶液：用蒸餾水配制含有下列成分的溶液：

試驗步驟：

(1)保持試驗環境的清潔，避免空氣中彌漫有鐵粉。

(2)用乙醇或其它適當的除油劑徹底除去待測表面的油污，用蒸餾水洗凈并晾干。

(3)將浸有上述試驗溶液的濾紙緊密貼附在待測表面上保持10min，若濾紙在此期間干燥了，可滴試驗溶液少許將濾紙濕潤。

(4)10分鐘后取下濾紙，觀察與鍍層接觸的表面。

如果濾紙上有藍色印痕，這是基體鐵與溶液的反應產物，表明鍍層上有通達鋼鐵基體的孔隙。圖4是電鍍層有孔隙和沒有孔隙檢驗結果對比。

圖4 有孔隙和沒有孔隙檢驗結果對比

閥門長期工作在熱風管道中，管道內存在多種氣氛，屬于弱酸性介質。如果鍍層存在孔隙，每個孔隙即與管道內弱酸性介質形成一個微原電池，基體材料鐵與鍍層材料鉻為兩個電極，形成電化學腐蝕，造成電鍍層腐蝕脫落。

鍍層存在微孔隙，是閥桿腐蝕的原因之一。

2)電鍍層與基體結合強度

劃格試驗采用30°銳刃的硬質鋼劃刀，在閥桿鍍層上劃1mm的方格，磨擦觀察在此區域內鍍層從機體上的剝落情況。如果剝落，則鍍層附著力弱，說明鍍層與基體結合強度低。如果電鍍層與基體結合不牢，容易使氧化性介質進入鍍層與基體之間，加速鍍層的腐蝕脫落，這是閥桿腐蝕的原因之二。

3)電鍍層表面粗糙度

電鍍閥桿粗糙度要求Ra不大于0.8μm，粗糙度達不到要求，既容易形成孔隙，又容易在使用過程中磨損。這是閥桿腐蝕的原因之三。

4)電鍍層硬度

要求鍍層硬度，防止閥板啟閉過程中，閥桿鍍層被填料以及填料處粉塵劃傷或磨損，導致閥桿基體腐蝕，這是閥桿腐蝕的原因之四。

同時，電鍍層表面不允許有起泡(起皮)、花紋、麻點、磕碰等缺陷。這些缺陷很容易造成電鍍層腐蝕脫落。

通過以上分析知道，惡劣的高爐工況條件是設備生產廠家無法左右的，只有生產出滿足用戶工況條件的產品。本課題中只能針對閥桿鍍層質量問題產生的原因，采取措施，從根本上解決鍍層質量問題，防止微孔腐蝕，防止鍍層脫落。

6 質量保證措施

為保證電鍍層質量，消除鍍層孔隙，提高電鍍層與基體結合強度，滿足粗糙度、硬度要求，杜絕表面缺陷，采取以下措施：

1)對電鍍閥桿嚴格技術要求：

(1)閥桿在機械加工前必須去應力退火，以防后續使用過程中閥桿本體受熱變形，鍍層脫落。

(2)鍍前閥桿表面粗糙度Ra值不大于0.8μm。

(3)鍍前必須經過酸洗處理，徹底去除閥桿表面氧化層、油污等。

(4)鍍層要求耐腐蝕性硬鉻。

(5)鍍層厚度0.08～0.15mm。

(6)鍍層硬度不小于HV850。

(7)鍍層不允許有通達基體的孔隙。

2)嚴格電鍍溶液要求：降低鍍液濃度，優化電鍍溶液配方：鉻酐(CrO3)50g/L；硫酸(H2SO4)0.3g/L；氟硼酸鉀(KBF4)0.4g/L。

3)嚴格控制雜質含量

選擇與鍍液不發生反應的掛具、夾具，避免形成雜質離子。

4)鍍前表面酸洗處理

將閥桿浸入含有硫酸(H2SO4)120g/L、緩蝕劑0.3～0.5g/L，50～75℃的酸洗液中，停留一段時間，直到將表面污物除凈為止。酸洗處理后的閥桿要盡快電鍍。

5)閥桿鍍前預熱。

鍍前閥桿先浸入在鍍液中停留10～15min，待溫度均勻后再通電實施電鍍。

7 結語

通過以上技術手段，形成了有效的生產保障措施和流程，保證了電鍍層質量。近幾年，有關閥桿電鍍層脫落、腐蝕的反饋越來越少，基本滿足了用戶高風溫、高風壓、強化冶煉的工況條件，提高了熱風閥使用壽命，取得了良好的經濟效益和社會效益。