澳斯邁特爐噴槍用不銹鋼310S鎳基合金堆焊涂層抗高溫耐腐蝕性能研究

王 強,趙 剛,白曉東,崔 健

(寧夏東方鉭業宇發高溫材料分公司,寧夏 石嘴山 753000)

澳斯邁特爐在銅冶煉行業中使用廣泛,其核心是富氧頂吹熔池熔煉技術,將氧氣、空氣及燃料通過噴槍送入熔池,在攪拌作用下完成一系列復雜的物理化學反應,促進熔池內的冰銅等物質加速反應,進行強氧化熔煉[1-2]。但在實際生產過程中存在噴槍燒損、更換噴槍前端鋼管較為頻繁的問題,影響生產效率[3-5],需對其進行改進。

1 噴槍結構與工作原理

1.1 爐體結構

澳爐長約21～22 m,從內至外由4層鋼管組成,鋼管的主要成分為不銹鋼與低碳鋼,自上而下垂直通入爐體內,四層鋼管依次為噴槍燃料管、內層噴槍管、外層噴槍管、噴槍后燃氣管。最前端為混合腔,其材料一般選用310S不銹鋼。310S不銹鋼屬于25Cr-20Ni系的高合金不銹鋼,具有耐高溫氧化性,使用溫度范圍廣,固溶狀態無磁性,良好的焊接性,被廣泛用于各種爐用掛件。

1.2 工作原理

噴槍最內層的燃料管主要向爐內輸送燃料,如煤粉、天然氣等,內層噴槍管主要輸送氧氣,滿足冶煉過程中氧氣的需求量。外層噴槍管輸送壓縮風,即壓縮空氣,用來參與熔池反應并攪拌熔池,對噴槍外壁有一定的冷卻作用,有利于噴槍表面掛渣。噴槍后燃氣管主要輸送冷卻氣,最前端的500 mm稱為混合腔,空氣、氧氣、燃料等均在這里混合后進入熔池,參與強氧化反應。

2 噴槍壽命與材質的關系

噴槍壽命包括槍身壽命與槍頭壽命,槍身壽命較長,主要是槍頭部容易出現破損、開裂,嚴重燒損時需對其進行修復,切除破損部位,重新找到一節新的鋼管進行焊接。槍頭在熔池中的工況環境較惡劣,受到高溫及強腐蝕等導致槍頭壽命較短,目前各冶煉廠都選用不銹鋼316L和310S作為槍頭材料,且310S的耐高溫及耐腐蝕性能更好,因為310S不銹鋼中含有大量的Ni與Cr元素,具有一定的耐腐蝕性。更換槍頭的周期一般為140 h左右,很難突破200 h。故需找到一種焊接性好、耐高溫腐蝕,可作為槍頭或保護材料,以延長槍頭壽命[6-7]。

3 堆焊涂層過程與方法

3.1 試件制備

試驗基體材料使用外徑40 mm,內徑20 mm,壁厚10 mm的310S不銹鋼管,為了方便試驗操作,將其均分成兩個槽型。對不銹鋼310S進行表面清潔處理,放入酒精燒杯內,放入超聲波清洗機中8～10 min,晾干以后放入高溫真空爐中進行退火,退火溫度控制在1050 ℃～1100 ℃,保溫40～60 min。

3.2 氬弧焊堆焊

氬弧焊的原理是通過高電流使焊絲在被焊金屬上融化成液態熔池,使金屬和被焊金屬達到冶金結合的一種焊接技術,由于有源源不斷的氬氣送上,令焊材與空氣無法接觸,防止金屬氧化。氬弧焊可使用保護氣體進行堆焊,操作簡單。因為普通焊接部分金屬會被氧化,故選用氬弧焊堆焊。

3.3 鎳基焊絲的選擇

選擇焊絲時既要考慮焊絲的耐腐蝕性,也要考慮耐高溫性及基體成分相近,因為形成的涂層或堆焊層需要長期浸入1200 ℃熔池中,物理化學反應極為復雜,整個噴槍需要在熔池內進行攪動,加快反應。為了提升槍頭強度,需綜合考慮各種需求,選擇與310S材料成分相近的鎳基合金焊絲作為堆焊涂層。

3.4 堆焊涂層的制備及處理

氬弧焊焊機使用瑞凌銳龍WS-300S 型號,電流控制在80～100 A,使用氬氣要求純度在99.99%以上,氣體流量控制在10～12 L/min。由于鎳基合金焊絲熔點較高,含有較多高熔點金屬,故使用氬弧焊時電流較高,焊絲黏度較大,堆焊存在一定的難度。要求在表面成型堆焊涂層并將基體310S不銹鋼封住即可,收弧時填滿弧坑,以防弧坑出現裂紋。堆焊涂層表面凹凸不平,平均厚度約為1200～1400 μm。表面呈暗黃色金屬狀,表層有一定的氧化現象。由于堆焊涂層表面存在一些細微孔洞,需對已經堆焊好的涂層進行車加工處理,令堆焊涂層在400～600 μm。

3.5 中頻爐抗高溫耐硫化腐蝕

將車加工后帶有堆焊涂層的試件置于中頻爐坩堝內,同時放入已經破碎顆粒狀冰銅碎渣,中頻爐功率控制在2000～2200 W,此時爐內溫度為1200 ℃～1300 ℃,控制在冰銅剛融化的程度。腐蝕采用的是間斷性腐蝕方式,每天腐蝕8 h后出爐觀察堆焊涂層的腐蝕情況,堆焊涂層沒有破壞則繼續進行腐蝕,此試件共在中頻爐內冰銅腐蝕62.5 h。

4 試驗結果與討論

4.1 不銹鋼試件腐蝕前后對比

圖1 不銹鋼堆焊試件Fig.1 Stainless steel surfacing welding specimen

圖2 腐蝕后的不銹鋼試件Fig.2 Corroded stainless steel specimen

對不銹鋼試件進行堆焊后再進行車加工,使表面光滑平整,去掉微小的空洞及縫隙,圖1表面形成900 μm左右的堆焊層后,車加工后形成450 μm左右的堆焊涂層,可以看出,試件表面呈波紋狀,焊縫之間連接較為緊密,氬氣保護較好,只有表面高溫造成氧化表皮。圖2是經過中頻爐腐蝕后的試件,其表面在長期腐蝕后有減重現象,減重8%～9%,表面較為光滑平整,沒有明顯的空洞及缺陷,在上下尖銳邊緣處未見基體310S不銹鋼漏出,證明模擬澳斯邁特爐內環境中鎳基合金堆焊涂層可耐高溫抗硫化腐蝕,腐蝕時間超過60 h。

4.2 微觀形貌觀察

圖3為不銹鋼試件腐蝕60 h后放大70倍后的截面圖,可以清晰看到涂層在上部雖有部分向內部的侵蝕現象,但沒有腐蝕至基體,可以看到焊接時高溫形成的過渡層,此處金屬發生相變,使基體金屬與焊絲成熔融狀態結合在一起,結合性能更好,強度更高。圖4可以看到結合層與圖3厚度相似,約為200 μm左右,由于基體金屬長時間放置在高溫環境中,晶粒有長大的現象,晶界較為明顯。雖有部分小的裂紋通過堆焊涂層的疏松層,甚至通過過渡層,但是由于裂縫中進入氧氣量較少,硫化反應較弱,未對基體造成損傷及侵蝕。在中頻爐坩堝內腐蝕屬于靜態模擬,更有利于鎳基合金中Cr元素形成氧化物Cr2O3,彌補小的腐蝕細縫,進一步保護涂層。

4.3 堆焊涂層EDS分析及硫化腐蝕機理分析

如圖5所示,堆焊涂層主要的金屬元素為Cr、Ni、Mo、Fe、Cu等,在冰銅的硫化環境中,不同的金屬反應溫度與程度均不相同,總的反應原理是相同的,硫化反應的總方程式為:

圖5 堆焊涂層EDS分析結果Fig.5 EDS analysis results of surfacing coating

M+1/2S2=MS (M為金屬)

金屬元素參與硫化反應后生成對應的硫化物,這與不銹鋼的腐蝕與溫度有關,溫度越高,腐蝕程度越嚴重。但是生成的硫化物有的熔點較低,生成后存在的時間較短,馬上就會分解,冰銅中的S元素會源源不斷供應,這樣上述反應會不斷進行,不銹鋼會不斷參與硫化反應,對堆焊涂層進行逐層消耗。對堆焊涂層裂縫細縫進行EDS掃描,可以看到在涂層失效處的裂縫中,S元素與Cu元素都非常高,說明在涂層失效后大量熔融的冰銅從細縫中滲入,冰銅分解后的硫化物是腐蝕能力較強的化合物,Cr元素在細縫周圍分布較為均勻,在細縫處全部被硫化物占據,Cr元素極低,涂層表面在長時間腐蝕后存在Cr的硫化物,起到一定的涂層保護作用,提高了堆焊涂層的抗熱腐蝕能力,阻止S元素向內擴散。在堆焊涂層中Fe和Ni元素含量較為平均,在硫化反應過程中不斷生成FeS2、Ni3S2等硫化物,但是因為這兩種硫化物的分解溫度為600 ℃～800 ℃,很容易在熔融的冰銅中分解,不能對基體起到實質的保護作用。鎳基焊絲中含有5%左右的Mo元素,本身具有抗氧化耐高溫的作用,在與冰銅接觸腐蝕的過程中,Mo元素會在低溫階段(800 ℃～1000 ℃)與S元素優先結合,形成MoS2,二硫化鉬具有一定的耐腐蝕性能,分解溫度為1700 ℃～1800 ℃,故1200 ℃～1300 ℃的環境溫度為其提供了一個較為理想的空間。硫化物比氧化物的韌性要高,并不像氧化物那樣脆,這樣在槍頭上下沖刷過程中可以起到保護作用。這是鎳基合金堆焊涂層能在冰銅熔融環境下抗高溫耐腐蝕的根本原因。

5 結論

模擬澳爐的使用工況可能會比實際的澳爐運行溫度更高,雖然是靜態模擬,但是冰銅的純度更高,腐蝕能力要比實際運行時更強。故鎳基合金堆焊的實際使用效果會更好。鎳基合金堆焊涂層的制備至關重要,需要嚴格控制焊機的電壓與氬氣流量,將電流控制在80～100 A,氬氣要求純度99.99%以上,氣體流量控制在10～12 L/min。電流過大會導致熔池過大,使合金元素燒損揮發過多,影響焊接性能。氬氣含量過低則極易造成堆焊涂層的氧化,影響最終試驗結果。需深入研究,延長噴槍使用時間,提高生產效率。