分享：垃圾焚烧炉用耐热铸钢护板腐蚀破坏分析及改进

随着城市化进程不断加快，生活垃圾产生量急剧增长，许多城市正面临着“垃圾围城”的困扰，垃圾焚烧发电作为“减量化、无害化、资源化”处置生活垃圾的最佳方式，肩负着生态环境保护的重任[1]。垃圾焚烧用耐热铸钢是焚烧炉中的核心关键部件，铸钢件的材质及性能将直接影响焚烧炉的可靠性及燃烧效率[2]。某电厂用于生活垃圾焚烧发电的机械炉排式焚烧炉连续服役7个月后，在检修过程中发现其顺推段的铸钢护板有明显受损破坏，护板为ZG30Cr20Ni10耐热钢铸件，与盖板同时保护炉体钢结构，护板的破坏影响到焚烧炉的正常运行和电厂的正常发电，同时也存在很大安全隐患，若焚烧炉一旦穿炉泄漏，将对电厂设备及人身安全造成更大威胁，导致更为严重的后果。为了查明焚烧炉铸钢护板受损破坏的原因，避免再次出现此类问题，趁电厂检修之机，笔者到电厂对焚烧炉的运行情况及炉排护板的服役工况进行了实地考察，并从现场取回部分铸钢护板样品，对该样品进行了检测，结合勘察了解的实际情况，查找护板受损破坏的真正原因，并针对原因优化设计方案和采取改进措施。

1.   现场勘查情况

电厂使用的是二段式机械炉排炉，焚烧炉上段为顺推往复炉排，由固定炉排与活动炉排交替构成，炉排安装有一定的倾角，炉排的推动方向与垃圾运动方向一致，由于原生垃圾中含有一定的水分，垃圾首先进入顺推段，在该段进行干燥和着火，因此顺推段湿度相对较大，渗滤液浓度较高，对炉内铸件的化学腐蚀较为明显。焚烧炉下段为逆推往复炉排，同样由固定炉排与活动炉排交替安装构成，炉排在炉内呈一定倾角，炉排运动方向与垃圾的运动方向相反，干燥着火后的垃圾物料进入逆推段，由于倾斜和逆推作用，底层垃圾在炉排逆推作用下上行，上层垃圾在重力作用下下行，不断地进行翻转和搅拌，与空气充分接触，使垃圾完全燃烧，逆推段相对顺推段较长，为主燃段。顺推和逆推段由多列炉排构成，钢结构由护板和盖板保护，防止钢结构受到高温腐蚀破坏。现场逆推段铸钢护板、盖板以及炉排片均未见受损，同材质的垃圾进料器铸件也未见受损。在焚烧炉的上段即顺推段，发现铸件护板明显受损破坏，尤其是护板上部破坏尤为严重，见图1，盖板也有轻微受损，但顺推段炉排片表面未见明显受损，在受损破坏较严重的护板上部取样进行检测分析。

2.   样件检测分析

2.1   化学成分分析

采用德国SPECTRO直读光谱仪对铸钢护板试样进行了化学成分分析，结果见表1所示。从检测结果可以看出，除碳含量超出标准上限外，护板的其它元素含量符合材料标准GB/T 8492—2014《耐热钢铸件》中ZG30Cr20Ni10的化学成分要求。

2.2   力学性能试验

使用SHT4605拉伸试验机和HB-3000布氏硬度计对铸钢护板进行力学性能检测，结果见表2。从检测结果可以看出，护板不同部位力学性能无明显差异，但其硬度均超过标准上限，强度偏高而塑性过低，延伸率未达到标准下限要求。

2.3   金相组织观察

通过肉眼观察发现，样品表面存在明显氧化腐蚀和开裂，护板试样经预磨抛光后，采用日本OLYMPUS GX71型金相显微镜观察，发现试样内部有较明显的疏松，铸件致密性较差。试样经三氯化铁盐酸水溶液侵蚀后，在金相高倍下观察发现，试样表面及内部存在较多的微裂纹，见图2。铸件试样基体组织为奥氏体，沿晶分布有较多的条块状及颗粒状一次碳化物，局部区域碳化物呈网状分布，见图3（a）；晶粒内部和晶界发现大量的弥散分布的二次碳化物和析出相，见图3（b）；铸件表面和开裂部位附近存在较严重的晶间腐蚀和裂纹，晶间腐蚀及裂纹沿奥氏体晶界分布的碳化物进行，见图3（c）；试样局部仍可以发现晶界碳化物已被腐蚀和氧化但未完全被腐蚀的组织形貌特征，见图3（d），化学腐蚀和高温氧化同时进行。

3.   分析讨论

随着现代社会的快速发展以及物质生活的不断丰富，生活垃圾成分呈现复杂化，垃圾及其渗滤液是危害环境的重要因素，高温焚烧是垃圾无害化处理最为有效的方式之一[3]。垃圾渗滤液来源于生活垃圾中本身含有的水分或雨水，经过成分复杂的垃圾层而形成的一种高浓度的有机废水，通常含有较高浓度的氯离子[4]，滤除未净的垃圾渗滤液在焚烧炉中将对铸钢件产生化学腐蚀破坏[5]。

从以上检测分析结果来看，护板碳含量不符合标准要求，明显超出标准上限，这使得铸件金相组织中出现较多沿晶分布的条块状及颗粒状一次碳化物，局部区域碳化物呈网状分布，晶粒内部和晶界出现大量的弥散分布的二次碳化物和析出相。众所周知，碳化物是材料腐蚀最为薄弱的环节，必然会严重降低材料的耐蚀性能[6]，在腐蚀介质和高温环境下，高碳铸钢护板必然遭到明显化学腐蚀和高温氧化作用，晶界碳化物优先受到腐蚀破坏，这从金相组织观察到的化学腐蚀和氧化作用沿着奥氏体晶界的网状碳化物进行的现象可以得到验证。同时，碳含量偏高还会导致铸钢硬度强度偏高而塑性过低[7]，护板脆性增加，这进一步提高了铸件应力腐蚀破坏的倾向。

结合现场勘查情况，护板在服役过程中，一方面在焚烧炉中承受高温氧化腐蚀，同时在顺推段承受化学腐蚀，ZG30Cr20Ni10是高合金耐热铸钢，在高温下具有较好的耐热性能，同时在常温下对于弱酸性垃圾渗滤液具有一定的耐蚀性能[8]，因此，对于同材质的垃圾进料器在较低温度下未见明显腐蚀。原生垃圾在顺推段经过充分干燥后再进入逆推段，此时垃圾中的渗滤液等化学腐蚀介质在高温下已完全分解，因此，逆推段基本不存在化学腐蚀，铸件主要承受高温氧化作用，因此在逆推段的护板、盖板以及炉排片均未见受损，仍可见金属光泽。但在温度较高和湿度较大的顺推段，铸件护板同时承受高浓度渗滤液的化学腐蚀和高温氧化腐蚀，从以上检测分析及金相检测结果可以看到，化学腐蚀和高温氧化同时进行，由于ZG30Cr20Ni10耐热钢中含有较高的铬元素，在铸件表面形成致密的氧化膜，能起到阻止高温氧化的作用，但由于垃圾渗滤液含有较高浓度的氯离子[4]，会进一步破坏氧化膜，致使氧化腐蚀进一步扩展，因此，在化学腐蚀和高温氧化腐蚀环境下，即使对于高合金的ZG30Cr20Ni10铸钢也会较快的受到破坏[9]。为了避免或减少护板受到严重腐蚀破坏，提高其使用寿命，一方面，优化成分设计，是保证护板耐蚀耐热性能从而避免腐蚀破坏的前提条件。从护板试样的金相照片可以发现，腐蚀和氧化作用沿着奥氏体晶界的碳化物进行，由于ZG30Cr20Ni10铸钢是高铬铸钢，同时碳含量较高，其金相组织中含有较多的一次碳化物，而碳化物是耐蚀性的薄弱环节[10]，因此需要进一步降低铸钢护板的碳含量，尽可能减少金相组织中的骨骼状一次碳化物，以提高其耐蚀性能。另一方面，护板内部有较明显的疏松，说明铸件致密性较差，应改进优化铸件工艺，减少疏松、缩孔等冶金缺陷，提高铸件内部质量。由于铸件在浇注成型最后凝固时，上部存在相对较多的杂质和缺陷，对于铸件的组织结构和耐热耐蚀性能必然造成影响[11]，从而加速了护板的腐蚀破坏速度，因此护板上部在高温和腐蚀环境下最先受损破坏，然后逐渐向下扩展。

4.   结束语

1）铸钢护板的碳含量超高，化学成分不符合标准要求，金相组织中形成较多的一次碳化物，这是铸钢护板沿晶腐蚀破坏的主要原因。

2）铸钢护板的腐蚀破坏是高浓度渗滤液的化学腐蚀和高温氧化腐蚀两方面的综合作用所导致。

3）护板铸件内部存在较明显的疏松，铸件致密性较差，加速了腐蚀破坏速度，护板在高温和腐蚀环境下首先从上部受损破坏，并逐渐向下扩展。

改进措施：

1）优化铸件成分设计，提高铸件在服役环境下的耐蚀性。在降低碳含量提高基体耐蚀性的同时，在钢中加入Mo、Cu、Ti等合金元素可显著提高材料的抗氯离子腐蚀以及晶间腐蚀性能，提高镍含量能保证金相组织及奥氏体的稳定性，有助于提高其耐热性能。

2）改进铸件工艺，提高铸件内部质量，是保证铸件护板使用寿命的重要条件。采用消失模铸造工艺，同时对材料进行均匀化处理并进行充分固溶，以确保铸件组织的均匀性和耐热耐蚀性能。

参考文献

[1]孙燕. 几种垃圾焚烧炉及炉排的介绍. 环境卫生工程,2002(2):77doi: 10.3969/j.issn.1005-8206.2002.02.009

[2]卢红梅. 二段往复式垃圾焚烧炉炉排安装工艺. 安装,2013(7):32doi: 10.3969/j.issn.1002-3607.2013.07.012

[3]王本强. 垃圾焚烧炉排片使用寿命延长方法. 中国新技术新产品,2020(5):91doi: 10.3969/j.issn.1673-9957.2020.05.042

[4]姚素娟. “年轻”垃圾渗滤液中无机离子变化特征的实验研究[学位论文]. 西安: 长安大学, 2012

[5]杨会芳. 耐热铸钢衬板(ZG35Cr24Ni7SiN)的缺陷分析及应用. 科技信息,2011(5):100doi: 10.3969/j.issn.1001-9960.2011.05.067

[6]黄俊霞,毕洪运,李实. 309S奥氏体耐热钢的高温性能研究. 宝钢技术,2021(1):34doi: 10.3969/j.issn.1008-0716.2021.01.007

[7]金大明. 铬含量对高铬铸铁力学性能的影响研究. 佳木斯大学学报(自然科学版),2018,36(2):255doi: 10.3969/j.issn.1008-1402.2018.02.024

[8]庄东汉. 材料失效分析. 上海: 华东理工大学出版社, 2009

[9]崔忠圻, 覃耀春. 金属学与热处理. 北京: 机械工业出版社, 2007

[10]刘正东,程世长,包汉生,等. 高铬马氏体耐热钢中δ铁素体形成及影响因素. 材料热处理学报,2010,31(11):61doi: 10.13289/j.issn.1009-6264.2010.11.023

[11]杨亚杰,常远,郭胤,等. 固溶处理对ZG40Cr25Ni20Si2耐热钢耐蚀性能的影响. 金属热处理,2021,46(5):175doi: 10.13251/j.issn.0254-6051.2021.05.029

文章来源——金属世界