一種針對高溫腐蝕工況的新型耐熱鋼的研究

一種針對高溫腐蝕工況的新型耐熱鋼的研究

劉旭，孫建，鄧榮娟，向東湖

本文介紹了一種針對高溫腐蝕工況的新型耐熱鋼TRG-ZA-10。傳統(tǒng)的Cr-Ni奧氏體耐熱鋼，以ZG40Cr25Ni20Si2為代表，具有良好的高溫抗氧化性能和熱強性能，但在硫化物和氯化物濃度較高（尤其是氯化物）的高溫工況中，其使用壽命急劇下降，不能滿足使用要求，因此需要一款專門針對高溫腐蝕工況的新型材料以解決該問題。

高溫腐蝕；硫化物；氯化物；耐熱鋼

以ZG40Cr25Ni20Si2為代表的傳統(tǒng)Cr-Ni奧氏體耐熱鋼，具有良好的高溫抗氧化性能和熱強性能，但在硫化物和氯化物濃度較高（尤其是氯化物）的高溫工況下，其使用壽命會急劇降低。

《水泥技術》雜志2014年第2期《耐熱不銹鋼0Cr25Ni20在高溫Cl-環(huán)境中的腐蝕研究》一文中，作者發(fā)表了研究結(jié)果，在溫度為580℃、生料中氯濃度為0.2%～0.4%的工況中，ZG40Cr25Ni20Si2使用壽命僅為4個月；《水泥技術》雜志2015年第5期《一種新型節(jié)鎳型耐熱鋼的研究》一文中，作者介紹了研發(fā)的新型材料T709U，它的主要特點是成本低，在高溫下其綜合性能優(yōu)于ZG40Cr25Ni20Si2，高溫抗腐蝕性能比ZG40Cr25Ni20Si2提高60%左右，但按一年的使用壽命評估，仍達不到使用要求。

基于上述問題，我們研發(fā)了一種針對高溫腐蝕工況的耐熱鋼，用于解決較高腐蝕性氣氛工況中，內(nèi)筒掛片使用壽命不足的問題。

1 成分設計

在工況溫度為950℃的條件下，新耐熱鋼需同時滿足以下兩個要求：

（1）高溫抗氧化性能達到完全抗氧化級，且優(yōu)于ZG40Cr25Ni20Si2。

（2）高溫耐氯化物和硫化物腐蝕性能與ZG40Cr25Ni20Si2相比，提高不低于200%，即前者至少是后者的3倍。

新型耐熱鋼TRG-ZA-10在成分設計上仍以奧氏體為基體，優(yōu)化成分配比，固熔更多有效抗腐蝕的合金元素，實現(xiàn)上述目標值。

《水泥技術》雜志2014年第2期《耐熱不銹鋼0Cr25Ni20在高溫Cl-環(huán)境中的腐蝕研究》一文中，介紹了Cr-Si-Al系奧氏體型耐熱鋼研究，但是在實際工程化實驗的冶煉過程中發(fā)現(xiàn)，由于目前耐熱鋼鑄造廠使用的中頻感應爐均為大氣氣氛，而非“真空”氣氛或“惰性氣體保護”氣氛，加入的Al元素均被氧化、造渣，添加Al元素抗腐蝕的目的在耐熱鋼鑄造廠中暫時無法實現(xiàn)。

合金中設計添加了Ni、Cr、Si等金屬、非金屬元素?？垢g合金中大量的Ni元素能形成并穩(wěn)定奧氏體組織，提高熱強性，在本合金中考慮到元素的固熔濃度，沒有使用也能起同樣作用的非金屬元素N；大量的Cr元素和一定量的Si元素，能保證高溫抗氧化性和耐腐蝕性[1、2]；添加大量的Mo元素，能夠有效防止氯化物的熱腐蝕[3]，提高鋼的熱強性，生成碳化物，起到耐磨的作用；添加微量的Nb/Ti元素（二選一，根據(jù)Mo元素的添加量來進行選擇），形成碳化物，產(chǎn)生彌散強化，能改善抗晶間腐蝕能力，同時起到細化晶粒作用；W+V元素的配合使用，主要目的同樣是改善抗晶間腐蝕能力，同時提高鋼的熱強性；微量的RE元素，對鋼液起到凈化作用，并細化晶粒。

2 性能測試

2.1 高溫力學性能

按照GB/T 4338-2006《金屬材料高溫拉伸試驗方法》測定新材料1～4號試樣和25-20（ZG40Cr25Ni20Si2簡稱）試樣的高溫力學性能，結(jié)果見表1。

表1 高溫力學性能

圖1950 ℃連續(xù)100h的氧化動力學曲線圖

2.2 高溫抗氧化性能

試樣的高溫抗氧化性能實驗在小型箱式電阻爐內(nèi)進行，試驗溫度為950℃，連續(xù)100h，采用增重法測試其抗氧化性，結(jié)果見圖1。

由圖1可以清晰地看出：連續(xù)100h氧化后，25-20的氧化增重為0.974 5mg/cm2，新材料的1號試樣的氧化增重為0.350 4mg/cm2，2號試樣的氧化增重為0.386 1mg/cm2，3號試樣的氧化增重為0.432 8mg/cm2，4號試樣的氧化增重為0.395 5mg/ cm2，平均值為0.391 2mg/cm2。新材料的抗氧化性能優(yōu)于25-20。

HB5258-2000《鋼及高溫合金的抗氧化性測定試驗方法》中規(guī)定了抗氧化級別的判定方法（見表2），表3為兩種材料抗氧化性能的測定數(shù)據(jù)。由此可以看出，新材料在抗氧化性能上明顯優(yōu)于25-20，屬于完全抗氧化級別，達到研發(fā)目標。

表2 氧化級別評定表，g/cm2·h

表3 兩種材料的抗氧化性（950℃、100h）

2.3 高溫抗腐蝕性能

在鹽霧氣氛下對試樣進行高溫抗腐蝕性能研究，由5%NaCl+95%Na2SO4混合后，再加蒸餾水配制成鹽溶液，均勻噴涂在試樣表面，試驗溫度為950℃，連續(xù)100h，分別做增重法和減重法兩組試驗，測試其抗腐蝕性，見圖2、3。

通過圖2可以得出：連續(xù)100h腐蝕后，25-20的腐蝕增重為54.933 2mg/cm2，1號試樣的腐蝕增重為9.685 4mg/cm2，2號試樣的腐蝕增重為11.004 2 mg/cm2，3號試樣的腐蝕增重為12.512 4mg/cm2，4號試樣的腐蝕增重為11.704 2mg/cm2。25-20的腐蝕增重量是TRG-ZA-10均值的4.9倍，腐蝕增重前者比后者高390%。

通過圖3可以得出：連續(xù)100h腐蝕后，25-20的腐蝕減重約為99.701 2mg/cm2，1號試樣的腐蝕減重約為19.271 2mg/cm2，2號試樣的腐蝕減重約為21.178 2mg/cm2，3號試樣的腐蝕減重約為24.271 2 mg/cm2，4號試樣的腐蝕減重約為21.871 2mg/cm2。25-20的腐蝕減重量是TRG-ZA-10均值的4.6倍，前者腐蝕減重量比后者高360%。

上述結(jié)果表明：新材料TRG-ZA-10的成分設計合理，在有氯化物和硫化物腐蝕的環(huán)境中，無論腐蝕增重量還是減重量都明顯低于25-20，能夠有效地減緩氯化物腐蝕速率，提高使用壽命，達到了研發(fā)目標。

圖2950 ℃連續(xù)100h的腐蝕增重動力學曲線圖

圖3950 ℃連續(xù)100h的腐蝕減重動力學曲線圖

3 結(jié)語

（1）新材料在950℃的高溫力學性能優(yōu)于25-20，前者比后者提高74%。

（2）新材料在950℃時能夠達到完全抗氧化級別，該性能明顯優(yōu)于25-20。

（3）新材料在950℃的耐腐蝕性能明顯優(yōu)于25-20，前者比后者提高了360%～390%。

（4）新材料與25-20的配料成本相比，在全部使用新料的前提下，前者比后者高40%左右。

[1]李鐵藩.金屬高溫氧化和熱腐蝕[M].北京：化學工業(yè)出版社，2003.

[2]李美栓.金屬的高溫腐蝕[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

[3]馬海濤.高溫氯鹽環(huán)境中金屬材料的腐蝕[D].博士學位論文，2003.■

Investigation of New Type Heat-resistant Steel for High Temperature Corrosion Conditions

LIU Xu,SUN Jian,DENG RongJuan,XIANG DongHu
(Sinoma technology&equipment group Co.,Ltd.Tianjin 300400)

This paper introduces a new type of heat-resistant steel TRG-ZA-10 for high temperature corrosionconditions.ThetraditionalCr-Niausteniticheat-resistantsteelrepresentedby ZG40Cr25Ni20Si2has high temperature oxidation resistance and good thermal strength performance,but when at high temperature conditions with higher sulfides and chlorides(especially chlorides)concen?tration the service life of steel declines sharply,which was not able to meet the requirements.So a spe?cialized new material using at high temperature corrosion condition is required to be developed to solve the problem.

high temperature corrosion;sulfide;chloride;heat-resistant steel

TG142.73

A

1001-6171（2017）03-0027-04

中材裝備集團有限公司，天津300400；

2016-10-13；編輯：呂光