鎳基堆焊技術在危廢氣化熔融工藝中高溫腐蝕方面的應用

張 杰，陳元升，于海林，潘高峰，楊 平

(煙臺國冶冶金水冷設備有限公司，山東 煙臺 265500)

隨著國家環保力度的不斷加大，“危廢”的有效和無害化處置成為社會和民眾高度關注的焦點。同時，危廢的產生量和危廢的種類也隨著經濟的發展和新產品的開發在逐年遞增，目前的增長率約為12%，每年產生量近億噸。危廢(特別是醫療廢物、化工廢物、電子產品廢物等)也日益成為人們的生命健康和生態環境的重要威脅。

目前危廢的處置方式主要有填埋法、焚燒法、化學法和固化法。國際及國內公認比較有效的危廢無害化處置的前沿技術是等離子氣化熔融技術，主要是利用等離子炬產生的高溫、高反應活性等離子體，將危廢中的有機物在高溫下(1 400～1 600 ℃)快速氧化、分子鍵斷裂、熱解而被破壞掉，改變廢物的組成和結構成為可燃的小分子氣態物質或無機物，同時達到減容、無害化或綜合利用的目的。但目前等離子氣化熔融技術仍存在一些關鍵技術及工藝問題：如危廢處置工藝匹配問題、等離子體炬長期穩定運行問題、余熱鍋爐高溫腐蝕問題、熔融玻璃態物質處置問題等，特別是高溫腐蝕問題，嚴重制約了系統的長周期、高效穩定運行。

1 等離子氣化熔融腐蝕性物質產生機理

(1)等離子氣化熔融處理危廢的工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程圖

(2) 危廢物質在一燃室和二燃室氣化、裂解后生成二氧化碳(CO2)、水分(H2O)、氮氣(N2)、氧氣(O2)及有害氣體如氮氧化物(NOx)、氯化氫(HCl)、硫氧化物(SOx)、重金屬、氯化物及不完全燃燒氣體(如CO、CH4)等。

(3) 總反應化學式：

CnHmOxSkClyNz+O2=CO+CO2+SOx+HCl+N2+NOx+CH4+H2O

與普通的垃圾焚燒爐相比，危廢燃燒氣體產物中含氯、硫的濃度相對高得多，造成余熱鍋爐換熱面嚴重的高溫腐蝕。

2 高溫腐蝕原因分析

2.1 余熱鍋爐工作過程

從二燃室排出的1 100 ℃煙氣，經過余熱鍋爐對煙氣余熱進行回收利用。余熱鍋爐一般設計成煙道式或管殼式換熱器，高溫煙氣走煙道內部或殼程，管內走水，水在受熱管內沸騰并汽化，并在氣相空間實現汽水分離和熱量交換。

鹽酸等腐蝕性物質在露點以下對碳鋼等腐蝕嚴重，超過露點，腐蝕反而下降，直到260 ℃以上，鹽酸氣體與對碳鋼、不銹鋼的高溫反應激烈增加，在400～600 ℃ HCl與碳鋼、不銹鋼反應較為活躍，腐蝕速度與其濃度以及受熱面鋼管的壁溫有很大關系，管壁溫度超過300 ℃后，腐蝕速度迅速增加。

從國內、外危廢處置裝置運行情況分析，余熱鍋爐容易發生腐蝕的區域主要存在于過熱區域以及省煤器底部。

20 G受熱管在設備運行3個月后出現的嚴重點蝕而漏水，見圖2、圖3。

圖2 點蝕漏水圖一 圖3 點蝕漏水圖二

2.2 高溫腐蝕過程

2.2.1 氯化物對余熱鍋爐受熱面的腐蝕過程

高溫煙氣中的氯化物，主要是以氣態HCl、Cl2和金屬氯化物沉積物的形式存在。主要腐蝕形式有以下幾種：

1)氣相腐蝕

在高溫含氯氣氛中，直接導致余熱鍋爐受熱管氣相腐蝕。

2)氧化還原反應腐蝕

金屬氯化物低熔點灰分沉積鹽與金屬表面的氯化膜發生氧化還原反應，腐蝕受熱管基體。

3)電化學腐蝕

金屬氯化物與煙氣中其他無機鹽一起沉積在受熱管表面，形成低熔點共晶體，在高溫管壁上產生熔融性的腐蝕性鹽，在積灰和金屬交界面處形成局部液相，產生電化學腐蝕氛圍，基體金屬發生陽極溶解，O2和Cl2被還原，基體金屬被進一步氧化形成沉積或與Cl離子結合生成氯化物，在熔融氯化物的外表面形成一層疏松的外氧化膜，這一電化學過程嚴重腐蝕余熱鍋爐的過熱器、水冷壁。

4)主要的反應過程

(1)2Fe+3Cl2=2FeCl3或2Fe+6Cl=2FeCl3+3H2

(2)4FeCl3+3O2=2Fe2O3+6Cl2

(3)Fe2O3+6Cl=2FeCl3+3H2O

由于Fe與Cl2反應生成的中間產物FeCl2在高溫下為氣態，而FeCL3的熔點比較低，且易揮發，因此不斷隨煙氣被帶走，裸露出來的Fe與不斷補充過來的Cl、Cl2的反應一直持續進行，而且反應速率隨著反應溫度的升高而加快。該反應在400～600 ℃最為活躍。

2.2.2 硫化物對余熱鍋爐受熱面的腐蝕過程

高溫下硫和硫化氫能直接與金屬發生反應，生成硫化物，其主要腐蝕反應過程為

S+Fe→FeS H2S+Fe→FeS+H2

高溫下H2S可發生分解，產生的硫元素具有很高的活性，與Fe發生反應極為強烈：

H2S →H2+S S+Fe→ FeS

高溫部位(400～600 ℃)，又有SO2和CO存在時：

SO2+2CO→2CO2+S S+Fe→ FeS

第三起：南部某市有一只波斯貓因為地震從陽臺上摔下來，瘸了右前腿，成了一只殘疾貓。這是本次地震造成的最嚴重損失。

2SO2+O2→2SO3SO3+H2O →H2SO4

FeS+H2SO4→FeSO4+H2S

反應過程使在運行中形成的FeS膜破壞，腐蝕反應過程中形成的S和H2S又可參與金屬的腐蝕過程，對材料的腐蝕具有自催化作用并不斷加劇。

2.3 實驗證明

產生受熱面高溫腐蝕的條件：

(1)受熱面出現局部或間斷性的還原性氣體；

(2)煙氣成分中存在硫化物和氯化物；

(3)受熱面壁溫滿足高溫腐蝕溫度區間。

3 高溫腐蝕解決方案

對于露點溫度及以下的低溫腐蝕目前解決方案較多，如選用玻璃鋼、碳化硅材質等可以低成本并能很好解決問題。但對于高溫腐蝕目前仍存在較大難點，一方面如果采用特殊材料成本難以接受，另一方面使用高溫防腐涂料的可靠性以及換熱效率方面存在制約。

鑒于國內、外許多鋼廠項目中使用的Inconel材料堆焊工藝，Inconel堆焊層可以很好抵御煉鋼過程中高溫煙氣的沖刷、腐蝕等問題。

實驗表明：含鎳8%～12%的鎳合金無法有效抵御氯離子的腐蝕，而含鎳達到42%以上的鎳合金，完全可以抵制氯離子的腐蝕開裂。鎳基耐蝕合金在200～1 100 ℃能耐腐蝕介質的侵蝕，同時具有良好的高溫和低溫力學性能。在一些苛刻腐蝕條件下是一般不銹鋼無法取代的優良材料，在鎳中添加入鉻、銅、鐵、鉬、鋁、鈦、鈮、鎢等元素后，通過固溶強化后，不但改善其力學性能，而且可適應于各種腐蝕介質下侵蝕，使其具有優良的耐腐蝕性。

綜合材料性能、可焊性、抗腐蝕性、成本等因素，在20G碳鋼受熱管表面堆焊一層Inconel625，可以較經濟并有效解決“危廢氣化熔融工藝中余熱鍋爐高溫腐蝕”的問題。

Inconel625 的化學成分見表1。

表1 Inconel625化學成分 %

Inconel 625 的機械性能見表2。

表2 Inconel625機械性能

Inconel625合金具有以下特性：

(1)具有很好的耐還原、氧化、氮化介質腐蝕的性能；

(2)在室溫及高溫時都具有很好的耐應力腐蝕開裂性能；

(3)具有很好的耐干燥氯氣和氯化氫氣體腐蝕的性能；

(4)在零下、室溫及高溫時都具有很好的機械性能；

(5)具有很好的抗蠕變斷裂強度。

Inconel625尤其突出的性能是能夠抵抗干氯氣和氯化氫的腐蝕。在高溫下，退火態和固溶處理態的合金在空氣中具有很好的抗氧化剝落性能和高強度。

4 Inconel625堆焊工藝在危廢余熱鍋爐中應用

4.1 煙道式余熱鍋爐

煙道式余熱鍋爐見圖4。

圖4 煙道式余熱鍋爐

4.2 Inconel625堆焊工藝

在煙道內部，采用熔化極氣體保護焊工藝，在煙道內側受煙氣沖刷的碳鋼受熱管以及翼板表面，堆焊一層1.5～2.0 mm的Inconel625鎳基合金焊層。鎳基合金焊絲直徑為1.0～1.2 mm，保護氣體為氬氣，氣體流量為16～20 L/min；焊接速度為20～25 cm/min。

堆焊焊接試樣見圖5、圖6。

圖5 堆焊焊接試樣一 圖6 堆焊焊接試樣二

煙道內側堆焊見圖7、圖8。

圖7 煙道內側堆焊圖一 圖8 煙道內側堆焊圖二

4.3 Inconel625堆焊特點

1)焊接流動性差，焊縫熔深較淺

考慮到鎳基合金焊接的特性，為了獲得良好的焊縫成形及質量，堆焊時應采用稍高電流并小幅度擺動6～12 mm的施焊工藝。但僅僅依靠加大焊接電流是無法解決該問題，因為電流增加會引起裂紋和氣孔，降低堆焊層的耐蝕性能。

2)易產生焊接熱裂紋

鎳基合金為單相奧氏體組織，與碳鋼及不銹鋼等相比，具有高的焊接熱裂紋敏感性，層間焊縫易產生多邊化晶間裂紋。這種裂紋非常微細，一般為微裂紋，限制焊接線能量，避免采用大線能量焊接將有利于防止熱裂紋的產生。但如果線能量過小，會加速焊縫的凝固結晶速度，更易形成多邊化晶界。經過多次實驗，推薦焊接電流180～210 A，電壓25～28 V。該焊接工藝參數適于自動焊接(見圖9)和人工焊接(見圖10)。

圖9 自動堆焊 圖10 人工堆焊

4.4 Inconel625堆焊要點

鎳基合金對污染物的危害極為敏感，焊前一定要徹底清理焊接區表面，表面清潔度要達到Sa2.5，不得存在油脂、污垢，氧化皮、鐵銹和油漆涂層等。

保護氣體最常用的是氬氣，它成本低，密度大，保護效果好。

盡量采用平焊位置焊接，必須采用短弧焊接，也就是說焊條頂(壓)著電弧運條。焊槍做橫向擺動，但不能過大，使熔敷金屬與母材及前道焊縫充分熔合。

焊接收弧或再引弧時，應采用逆向收弧，把弧坑填滿，防止弧坑裂紋，并且能有利于抑制氣孔的發生，必要時要對弧坑進行打磨。

堆焊層要進行100%PT檢測或涂抹CUSO4飽和溶液，對發現的所有裂紋、氣孔進行修復，不得有暴露母材的缺陷存在。

5 結論及建議

(1)Inconel625在高溫時，有非常好的耐氯氣和氯化氫氣體腐蝕的性能。

(2)Inconel625有較好的可焊性，熔覆層組織致密，氣孔率低，焊接效率高，適合于大面積、批量、快速對危廢焚燒爐受熱面管進行堆焊處理。

(3)Inconel625堆焊技術的制造成本相當于特種材料成本要低許多。可以較好地兼顧項目投入成本以及裝備運行可靠性。

綜上所述，將Inconel625堆焊技術利用到危廢氣化熔融工藝中，可以有效防止受熱面高溫腐蝕及煙氣沖刷，提高系統整體的安全性和穩定性，值得在危廢氣化熔融工藝中推廣和使用，也可以將其應用到急冷器以及脫硫、脫硝工藝裝備中。