污水污泥處理設(shè)備碳鋼與不銹鋼的選擇

江 海，劉興華

（1.帕薩旺-蓋格環(huán)保技術(shù)（杭州）有限公司，杭州 310053；2.浙江星月車業(yè)有限公司，浙江 金華 321307）

近年來，隨著國家對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，全國各地陸續(xù)建設(shè)了規(guī)模不等、數(shù)量可觀的污水處理廠、污泥干化或焚燒廠，而其中針對(duì)污水污泥的處理設(shè)備投資在總投資中的比重占50%～60%或更高。目前，污水污泥處理工程有著城鎮(zhèn)小型化的趨勢(shì)，一般投資額有限，如果一味的追求設(shè)備的材料質(zhì)量而忽略了材料的適用性，勢(shì)必會(huì)造成投資成本嚴(yán)重超標(biāo)，給企業(yè)和用戶帶來極大的經(jīng)濟(jì)難題。

環(huán)保行業(yè)所用的設(shè)備因其使用的特殊性及所處環(huán)境的惡劣性，既要保證機(jī)器設(shè)備的可靠性及耐腐蝕性，又需要平衡整機(jī)的壽命及經(jīng)濟(jì)性，因而材料的選擇就顯得尤為重要。許多技術(shù)人員在實(shí)踐中往往只考慮或片面強(qiáng)調(diào)其中的部分有利因素，如不銹鋼的耐腐蝕性等而要求將整機(jī)全部做成不銹鋼的，實(shí)際上這種選擇是不合理也不可取的。本文擬將碳鋼與不銹鋼的選材要素進(jìn)行對(duì)比，以便企業(yè)和用戶在選擇設(shè)備材料時(shí)，避免盲目地一味選擇所謂的高端材料。

1 兩類常用材料的機(jī)械性能對(duì)比

碳鋼的密度略高于鐵素體和馬氏體型不銹鋼，略低于奧氏體型不銹鋼；電阻率按碳鋼、鐵素體型、馬氏體型和奧氏體型不銹鋼排序遞增；線膨脹系數(shù)大小的排序也類似，奧氏體型不銹鋼最高，碳鋼最小；碳鋼、鐵素體型和馬氏體型不銹鋼有磁性，奧氏體型不銹鋼無磁性，但其冷加工硬化生成馬氏體相變時(shí)將會(huì)產(chǎn)生弱磁性，因此，設(shè)備中有要求高精度的機(jī)械類儀表時(shí)，要特別注意這一點(diǎn)，可在加工后用熱處理的方法消除這種馬氏體組織以恢復(fù)其無磁性。碳鋼和不銹鋼的機(jī)械性能對(duì)比見表1、表2。

從表1、表2中可以看出，碳鋼在機(jī)械性能方面要明顯優(yōu)于不銹鋼。因而在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意屈服強(qiáng)度等特征參數(shù)，否則可能導(dǎo)致不可預(yù)料的后果。以某廠的刮泥機(jī)為例，此刮泥機(jī)為中心傳動(dòng)式，長度約20m，材質(zhì)應(yīng)業(yè)主要求采用AISI304，在使用過程中，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行阻力很大，運(yùn)行不暢，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量情況，材料的兩端下沉，變形嚴(yán)重，分析原因?yàn)樵O(shè)計(jì)是按碳鋼設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均為碳鋼參數(shù)，但材料換為AISI304后，未進(jìn)行強(qiáng)度校核，因不銹鋼屈服極限顯著低于碳鋼，導(dǎo)致了整個(gè)機(jī)架強(qiáng)度不夠，在運(yùn)行過程中由于自身重力影響造成了材料兩端下沉嚴(yán)重，接地部分磨擦阻力增大。

一般來說，碳鋼比最常用的普通奧氏體不銹鋼在屈服極限上要高出10%～20%，同時(shí)不銹鋼的硬度要高于碳鋼很多，所以用碳鋼機(jī)架比不銹鋼機(jī)架更易機(jī)加工制造，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性上也更加穩(wěn)定。

表1 碳鋼和不銹鋼的機(jī)械性能對(duì)比（1）[1]

表2 碳鋼和不銹鋼機(jī)械性能對(duì)比（2）[2]

2 熱膨脹性受環(huán)境溫度的影響

奧氏體不銹鋼（如AISI304、AISI316等）易受溫度的影響，在同樣溫度變化的情況下，用不銹鋼做成的機(jī)架或者零部件變形也較大。因而環(huán)境溫度對(duì)不銹鋼制造的機(jī)器設(shè)備的精度，以及安裝精度和運(yùn)行狀態(tài)都有影響。常有工人發(fā)現(xiàn)，打完孔或其他方式加工后的不銹鋼零件無法對(duì)中對(duì)齊即是此因。

表3將常用的碳鋼材料和不銹鋼的熱膨脹系數(shù)進(jìn)行了簡單的對(duì)比。

表3 碳鋼材料和不銹鋼熱膨脹系數(shù)對(duì)比[4]

從表3中還可看出，一般奧氏體不銹鋼明顯要比普通碳鋼的膨脹系數(shù)大，其熱膨脹系數(shù)約為普通碳鋼的1.6倍；針對(duì)于此的簡單近似說法是：普通碳鋼1米1度1絲，即1m的鋼溫度升高1℃伸長0.01mm，而不銹鋼為0.016mm，此外AISI316要比AISI304的膨脹系數(shù)稍低一些。

3 機(jī)加工成形能力對(duì)比

奧氏體不銹鋼相對(duì)于碳鋼來說，硬度較高，機(jī)械切削力比正火后的45號(hào)鋼要高出20%左右[3]，并且加工后表面硬度更高，因而加快了刀具的磨損；并且由于不銹鋼的導(dǎo)熱性差（導(dǎo)熱系數(shù)約為碳鋼的1/3），在車銑刨磨加工時(shí)，切削熱不易傳導(dǎo)出去，冷卻液選擇就顯的很重要；同時(shí)，不銹鋼由于較大的線膨脹系數(shù)（比碳鋼大40%～60%），并隨著溫度的升高，線膨脹系數(shù)的數(shù)值也相應(yīng)提高，對(duì)于高精度的零部件加工和精度控制帶來了困難。

4 耐腐蝕性的對(duì)比

不銹鋼與碳鋼兩種材料的防腐蝕機(jī)理是不一樣的。

碳鋼鍍鋅是利用鋅與鐵形成原電池，即犧牲鋅極而保護(hù)鐵極，鋅對(duì)基體產(chǎn)生電化學(xué)保護(hù)，鋅的抗大氣腐蝕的機(jī)理有機(jī)械保護(hù)及電化學(xué)保護(hù)，在大氣腐蝕條件下鋅層表面有ZnO、Zn(OH)2及堿性碳酸鋅保護(hù)膜，從而減緩鋅的腐蝕，這層保護(hù)膜（也稱白銹）受到破壞后又會(huì)形成新的膜層。當(dāng)鍍鋅層有小的裂紋或損壞時(shí)，鋅將以犧牲陽極的形式繼續(xù)防止裂紋或損壞處的鋼鐵生銹，這是鍍鋅層優(yōu)越的特點(diǎn)。而且鐵鋅合金層硬度比純鋅高得多（接近純鐵），因而鍍層抵抗碰撞和刮損的能力很高。

不銹鋼是靠其表面形成的一層極薄而堅(jiān)固細(xì)密的穩(wěn)定的富鉻氧化膜形成防護(hù)層，防止氧原子的繼續(xù)滲入、繼續(xù)氧化從而獲得抗銹蝕的能力。但一旦由于某種原因破壞了這層薄膜，空氣或液體中的氧原子就會(huì)不斷滲入，或者是金屬中的鐵原子不斷地離析出來，形成疏松的氧化鐵，金屬表面也就會(huì)受到不斷地銹蝕。

4.1 不銹鋼材料的腐蝕

不銹鋼材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕，須滿足三個(gè)條件：材料、應(yīng)力、介質(zhì)；其首要因素是應(yīng)力，其次是工況。

奧氏體不銹鋼在Cl-濃度大于25ppm的環(huán)境中使用，材料就具有應(yīng)力腐蝕傾向。當(dāng)應(yīng)力超過一定的閾值（工作應(yīng)力、溫差應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力、生產(chǎn)加工安裝過程中的應(yīng)力等等，在這些應(yīng)力的疊加作用下）時(shí)，材料就會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。不銹鋼應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的失效是突然性的，不會(huì)像均勻腐蝕那樣雖然腐蝕但未達(dá)失效狀態(tài)時(shí)還能用上相當(dāng)長一段時(shí)間，所以要特別注意焊縫和拐角這些地方。不銹鋼材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕對(duì)溫度也是很敏感的，溫度越高，發(fā)生應(yīng)力腐蝕的濃度越低，如在130℃左右時(shí)，即使1ppm的Cl-濃度也能對(duì)AISI316L產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。

此外，不銹鋼的型號(hào)種類不同，其耐腐蝕性也顯著不同。AISI316不銹鋼比AISI304不銹鋼添加了抗點(diǎn)蝕合金元素Mo，具有更好的點(diǎn)蝕溫度抗力，從而大幅度提高了其抗點(diǎn)蝕性能。相同條件下，AISI316不銹鋼的臨界點(diǎn)蝕溫度都明顯高于AISI304不銹鋼。在常溫靜態(tài)實(shí)驗(yàn)條件下，304不銹鋼受氯離子作用而點(diǎn)蝕的濃度界限約為150mg/L，316L不銹鋼約為250mg/L；設(shè)備運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)又會(huì)高出很多。

4.2 熱鍍鋅層對(duì)鋼鐵防腐蝕的作用

由于鋅能溶解于酸和強(qiáng)堿，因此熱鍍鋅層只能適用于一般大氣和天然水的防腐蝕環(huán)境中。在鄉(xiāng)村和空氣比較潔凈的地區(qū)，鍍鋅層能維持很多年，而在工業(yè)污染區(qū)域或海岸地區(qū)，鍍鋅層的耐用年限就較短。此外，鍍鋅層越厚，耐用年限也越長，耐用年限與厚度幾乎成正比。鍍層厚度也可用單位面積上鋅的質(zhì)量（g/m2）表示，1μm鍍層厚度對(duì)應(yīng)7.2g/m2的附鋅量。目前對(duì)熱鍍鋅層耐用年限的試驗(yàn)已有大量數(shù)據(jù)，由于具體試驗(yàn)環(huán)境不同，這些數(shù)據(jù)也有一定差異。比較典型、有代表性的數(shù)據(jù)見表4。

表4 鍍鋅產(chǎn)品耐用年限的規(guī)定[5]

從以上資料數(shù)據(jù)可以看出，國家標(biāo)準(zhǔn)要求熱鍍層厚度一般在80μm左右或者以上，以此可以推算出設(shè)備的使用年限。市面上普通不銹鋼AISI304的防腐性能并不是很理想，而且不銹鋼對(duì)于污水處理行業(yè)中常出現(xiàn)的Cl-又很敏感，所以選用普通不銹鋼并不能真正達(dá)到“不銹”的目的，同時(shí)不銹鋼的價(jià)格也較高，一般用戶難以接受。而采用碳鋼加防腐涂層，可根據(jù)不同環(huán)境做針對(duì)性防腐，防腐性能并非一定比不銹鋼差。

此外，考慮到國內(nèi)污水污泥中的金屬離子含量都比較高的實(shí)際情況，不可避免會(huì)產(chǎn)生電化腐蝕，在這種情況下，碳鋼鍍鋅就顯得更有優(yōu)勢(shì)。

5 經(jīng)濟(jì)性及其他因素對(duì)比

與不銹鋼相比，熱浸鍍鋅鋼主要用于鋼鐵的防大氣腐蝕，最大的優(yōu)點(diǎn)就是價(jià)格便宜。根據(jù)MEPS鋼鐵價(jià)格數(shù)據(jù)可以知道，通常情況下，最為常用的AISI304材質(zhì)的不銹鋼價(jià)格一般為碳鋼的5倍左右，AISI316L鋼約為普通碳鋼8.5倍以上。由于碳鋼及不銹鋼的價(jià)格相差太過懸殊，因此用不銹鋼做的設(shè)備或者零部件遠(yuǎn)沒有采用碳鋼制造的經(jīng)濟(jì)性好。

此外，部件在設(shè)備中的關(guān)鍵性也是需要考慮的一個(gè)因素，基于不銹鋼易腐蝕的特點(diǎn)，即突然失效性，在做材料選擇時(shí)就不得不慎重考慮；當(dāng)然還有其他種種因素，如美觀性，不銹鋼酸洗后的外觀因批次或時(shí)間因素可能差異較大；而且用于不銹鋼的酸洗鈍化液污染嚴(yán)重，所以酸洗池的建設(shè)也是環(huán)保部門要嚴(yán)格控制的。

6 結(jié)語

不可否認(rèn)，不銹鋼在某些性能方面確實(shí)強(qiáng)過普通碳鋼，但是事物總是有兩面性的，所以在滿足一般使用要求的情況下，尤其是在國家提倡降耗的大環(huán)境下，如果碳鋼鍍鋅可以滿足一般工程使用要求時(shí)，還是應(yīng)該優(yōu)先選擇的。當(dāng)然，如果環(huán)境很惡劣，并且設(shè)備或者部件比較關(guān)鍵，對(duì)設(shè)備材料的選擇就需要斟酌了。

綜上，對(duì)設(shè)備做材料選擇時(shí)應(yīng)該考慮的主要因素如下：材料的機(jī)械性能（如強(qiáng)度、韌性、脆性、硬度），以及基于這些性能的機(jī)加工性能和焊接性能（即成形能力）、耐腐蝕性能、設(shè)備部件的關(guān)鍵性和經(jīng)濟(jì)性等因素，并且也要考慮到如整機(jī)壽命的合理性設(shè)計(jì)等其他因素。

[1]GB/T699-1999 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,GB/T700-1988 碳素結(jié)構(gòu)鋼,GB/T3077-1988 合金結(jié)構(gòu)鋼[S].

[2]GB/T1220-2007 不銹鋼棒[S].

[3]曹玉泉.奧氏體不銹鋼車削工藝的研究[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào)（建筑與環(huán)境科學(xué)版）， 2004（6）.

[4]成大先，馬慶芳，等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)、實(shí)用熱物理性質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社.

[5]周濟(jì).熱鍍鋅、電鍍鋅及鋅合金創(chuàng)新生產(chǎn)工藝實(shí)用全書[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社.