隨著城市化進(jìn)程不斷加快，生活垃圾產(chǎn)生量急劇增長(zhǎng)，許多城市正面臨著“垃圾圍城”的困擾，垃圾焚燒發(fā)電作為“減量化、無(wú)害化、資源化”處置生活垃圾的最佳方式，肩負(fù)著生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重任[1]。垃圾焚燒用耐熱鑄鋼是焚燒爐中的核心關(guān)鍵部件，鑄鋼件的材質(zhì)及性能將直接影響焚燒爐的可靠性及燃燒效率[2]。某電廠用于生活垃圾焚燒發(fā)電的機(jī)械爐排式焚燒爐連續(xù)服役7個(gè)月后，在檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其順推段的鑄鋼護(hù)板有明顯受損破壞，護(hù)板為ZG30Cr20Ni10耐熱鋼鑄件，與蓋板同時(shí)保護(hù)爐體鋼結(jié)構(gòu)，護(hù)板的破壞影響到焚燒爐的正常運(yùn)行和電廠的正常發(fā)電，同時(shí)也存在很大安全隱患，若焚燒爐一旦穿爐泄漏，將對(duì)電廠設(shè)備及人身安全造成更大威脅，導(dǎo)致更為嚴(yán)重的后果。為了查明焚燒爐鑄鋼護(hù)板受損破壞的原因，避免再次出現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題，趁電廠檢修之機(jī)，筆者到電廠對(duì)焚燒爐的運(yùn)行情況及爐排護(hù)板的服役工況進(jìn)行了實(shí)地考察，并從現(xiàn)場(chǎng)取回部分鑄鋼護(hù)板樣品，對(duì)該樣品進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)合勘察了解的實(shí)際情況，查找護(hù)板受損破壞的真正原因，并針對(duì)原因優(yōu)化設(shè)計(jì)方案和采取改進(jìn)措施。

1.   現(xiàn)場(chǎng)勘查情況

電廠使用的是二段式機(jī)械爐排爐，焚燒爐上段為順推往復(fù)爐排，由固定爐排與活動(dòng)爐排交替構(gòu)成，爐排安裝有一定的傾角，爐排的推動(dòng)方向與垃圾運(yùn)動(dòng)方向一致，由于原生垃圾中含有一定的水分，垃圾首先進(jìn)入順推段，在該段進(jìn)行干燥和著火，因此順推段濕度相對(duì)較大，滲濾液濃度較高，對(duì)爐內(nèi)鑄件的化學(xué)腐蝕較為明顯。焚燒爐下段為逆推往復(fù)爐排，同樣由固定爐排與活動(dòng)爐排交替安裝構(gòu)成，爐排在爐內(nèi)呈一定傾角，爐排運(yùn)動(dòng)方向與垃圾的運(yùn)動(dòng)方向相反，干燥著火后的垃圾物料進(jìn)入逆推段，由于傾斜和逆推作用，底層垃圾在爐排逆推作用下上行，上層垃圾在重力作用下下行，不斷地進(jìn)行翻轉(zhuǎn)和攪拌，與空氣充分接觸，使垃圾完全燃燒，逆推段相對(duì)順推段較長(zhǎng)，為主燃段。順推和逆推段由多列爐排構(gòu)成，鋼結(jié)構(gòu)由護(hù)板和蓋板保護(hù)，防止鋼結(jié)構(gòu)受到高溫腐蝕破壞?，F(xiàn)場(chǎng)逆推段鑄鋼護(hù)板、蓋板以及爐排片均未見(jiàn)受損，同材質(zhì)的垃圾進(jìn)料器鑄件也未見(jiàn)受損。在焚燒爐的上段即順推段，發(fā)現(xiàn)鑄件護(hù)板明顯受損破壞，尤其是護(hù)板上部破壞尤為嚴(yán)重，見(jiàn)圖1，蓋板也有輕微受損，但順推段爐排片表面未見(jiàn)明顯受損，在受損破壞較嚴(yán)重的護(hù)板上部取樣進(jìn)行檢測(cè)分析。

2.   樣件檢測(cè)分析

2.1   化學(xué)成分分析

采用德國(guó)SPECTRO直讀光譜儀對(duì)鑄鋼護(hù)板試樣進(jìn)行了化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1所示。從檢測(cè)結(jié)果可以看出，除碳含量超出標(biāo)準(zhǔn)上限外，護(hù)板的其它元素含量符合材料標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8492—2014《耐熱鋼鑄件》中ZG30Cr20Ni10的化學(xué)成分要求。

2.2   力學(xué)性能試驗(yàn)

使用SHT4605拉伸試驗(yàn)機(jī)和HB-3000布氏硬度計(jì)對(duì)鑄鋼護(hù)板進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。從檢測(cè)結(jié)果可以看出，護(hù)板不同部位力學(xué)性能無(wú)明顯差異，但其硬度均超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)上限，強(qiáng)度偏高而塑性過(guò)低，延伸率未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)下限要求。

2.3   金相組織觀察

通過(guò)肉眼觀察發(fā)現(xiàn)，樣品表面存在明顯氧化腐蝕和開(kāi)裂，護(hù)板試樣經(jīng)預(yù)磨拋光后，采用日本OLYMPUS GX71型金相顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)試樣內(nèi)部有較明顯的疏松，鑄件致密性較差。試樣經(jīng)三氯化鐵鹽酸水溶液侵蝕后，在金相高倍下觀察發(fā)現(xiàn)，試樣表面及內(nèi)部存在較多的微裂紋，見(jiàn)圖2。鑄件試樣基體組織為奧氏體，沿晶分布有較多的條塊狀及顆粒狀一次碳化物，局部區(qū)域碳化物呈網(wǎng)狀分布，見(jiàn)圖3（a）；晶粒內(nèi)部和晶界發(fā)現(xiàn)大量的彌散分布的二次碳化物和析出相，見(jiàn)圖3（b）；鑄件表面和開(kāi)裂部位附近存在較嚴(yán)重的晶間腐蝕和裂紋，晶間腐蝕及裂紋沿奧氏體晶界分布的碳化物進(jìn)行，見(jiàn)圖3（c）；試樣局部仍可以發(fā)現(xiàn)晶界碳化物已被腐蝕和氧化但未完全被腐蝕的組織形貌特征，見(jiàn)圖3（d），化學(xué)腐蝕和高溫氧化同時(shí)進(jìn)行。

3.   分析討論

隨著現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展以及物質(zhì)生活的不斷豐富，生活垃圾成分呈現(xiàn)復(fù)雜化，垃圾及其滲濾液是危害環(huán)境的重要因素，高溫焚燒是垃圾無(wú)害化處理最為有效的方式之一[3]。垃圾滲濾液來(lái)源于生活垃圾中本身含有的水分或雨水，經(jīng)過(guò)成分復(fù)雜的垃圾層而形成的一種高濃度的有機(jī)廢水，通常含有較高濃度的氯離子[4]，濾除未凈的垃圾滲濾液在焚燒爐中將對(duì)鑄鋼件產(chǎn)生化學(xué)腐蝕破壞[5]。

從以上檢測(cè)分析結(jié)果來(lái)看，護(hù)板碳含量不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，明顯超出標(biāo)準(zhǔn)上限，這使得鑄件金相組織中出現(xiàn)較多沿晶分布的條塊狀及顆粒狀一次碳化物，局部區(qū)域碳化物呈網(wǎng)狀分布，晶粒內(nèi)部和晶界出現(xiàn)大量的彌散分布的二次碳化物和析出相。眾所周知，碳化物是材料腐蝕最為薄弱的環(huán)節(jié)，必然會(huì)嚴(yán)重降低材料的耐蝕性能[6]，在腐蝕介質(zhì)和高溫環(huán)境下，高碳鑄鋼護(hù)板必然遭到明顯化學(xué)腐蝕和高溫氧化作用，晶界碳化物優(yōu)先受到腐蝕破壞，這從金相組織觀察到的化學(xué)腐蝕和氧化作用沿著奧氏體晶界的網(wǎng)狀碳化物進(jìn)行的現(xiàn)象可以得到驗(yàn)證。同時(shí)，碳含量偏高還會(huì)導(dǎo)致鑄鋼硬度強(qiáng)度偏高而塑性過(guò)低[7]，護(hù)板脆性增加，這進(jìn)一步提高了鑄件應(yīng)力腐蝕破壞的傾向。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查情況，護(hù)板在服役過(guò)程中，一方面在焚燒爐中承受高溫氧化腐蝕，同時(shí)在順推段承受化學(xué)腐蝕，ZG30Cr20Ni10是高合金耐熱鑄鋼，在高溫下具有較好的耐熱性能，同時(shí)在常溫下對(duì)于弱酸性垃圾滲濾液具有一定的耐蝕性能[8]，因此，對(duì)于同材質(zhì)的垃圾進(jìn)料器在較低溫度下未見(jiàn)明顯腐蝕。原生垃圾在順推段經(jīng)過(guò)充分干燥后再進(jìn)入逆推段，此時(shí)垃圾中的滲濾液等化學(xué)腐蝕介質(zhì)在高溫下已完全分解，因此，逆推段基本不存在化學(xué)腐蝕，鑄件主要承受高溫氧化作用，因此在逆推段的護(hù)板、蓋板以及爐排片均未見(jiàn)受損，仍可見(jiàn)金屬光澤。但在溫度較高和濕度較大的順推段，鑄件護(hù)板同時(shí)承受高濃度滲濾液的化學(xué)腐蝕和高溫氧化腐蝕，從以上檢測(cè)分析及金相檢測(cè)結(jié)果可以看到，化學(xué)腐蝕和高溫氧化同時(shí)進(jìn)行，由于ZG30Cr20Ni10耐熱鋼中含有較高的鉻元素，在鑄件表面形成致密的氧化膜，能起到阻止高溫氧化的作用，但由于垃圾滲濾液含有較高濃度的氯離子[4]，會(huì)進(jìn)一步破壞氧化膜，致使氧化腐蝕進(jìn)一步擴(kuò)展，因此，在化學(xué)腐蝕和高溫氧化腐蝕環(huán)境下，即使對(duì)于高合金的ZG30Cr20Ni10鑄鋼也會(huì)較快的受到破壞[9]。為了避免或減少護(hù)板受到嚴(yán)重腐蝕破壞，提高其使用壽命，一方面，優(yōu)化成分設(shè)計(jì)，是保證護(hù)板耐蝕耐熱性能從而避免腐蝕破壞的前提條件。從護(hù)板試樣的金相照片可以發(fā)現(xiàn)，腐蝕和氧化作用沿著奧氏體晶界的碳化物進(jìn)行，由于ZG30Cr20Ni10鑄鋼是高鉻鑄鋼，同時(shí)碳含量較高，其金相組織中含有較多的一次碳化物，而碳化物是耐蝕性的薄弱環(huán)節(jié)[10]，因此需要進(jìn)一步降低鑄鋼護(hù)板的碳含量，盡可能減少金相組織中的骨骼狀一次碳化物，以提高其耐蝕性能。另一方面，護(hù)板內(nèi)部有較明顯的疏松，說(shuō)明鑄件致密性較差，應(yīng)改進(jìn)優(yōu)化鑄件工藝，減少疏松、縮孔等冶金缺陷，提高鑄件內(nèi)部質(zhì)量。由于鑄件在澆注成型最后凝固時(shí)，上部存在相對(duì)較多的雜質(zhì)和缺陷，對(duì)于鑄件的組織結(jié)構(gòu)和耐熱耐蝕性能必然造成影響[11]，從而加速了護(hù)板的腐蝕破壞速度，因此護(hù)板上部在高溫和腐蝕環(huán)境下最先受損破壞，然后逐漸向下擴(kuò)展。

4.   結(jié)束語(yǔ)

1）鑄鋼護(hù)板的碳含量超高，化學(xué)成分不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，金相組織中形成較多的一次碳化物，這是鑄鋼護(hù)板沿晶腐蝕破壞的主要原因。

2）鑄鋼護(hù)板的腐蝕破壞是高濃度滲濾液的化學(xué)腐蝕和高溫氧化腐蝕兩方面的綜合作用所導(dǎo)致。

3）護(hù)板鑄件內(nèi)部存在較明顯的疏松，鑄件致密性較差，加速了腐蝕破壞速度，護(hù)板在高溫和腐蝕環(huán)境下首先從上部受損破壞，并逐漸向下擴(kuò)展。

改進(jìn)措施：

1）優(yōu)化鑄件成分設(shè)計(jì)，提高鑄件在服役環(huán)境下的耐蝕性。在降低碳含量提高基體耐蝕性的同時(shí)，在鋼中加入Mo、Cu、Ti等合金元素可顯著提高材料的抗氯離子腐蝕以及晶間腐蝕性能，提高鎳含量能保證金相組織及奧氏體的穩(wěn)定性，有助于提高其耐熱性能。

2）改進(jìn)鑄件工藝，提高鑄件內(nèi)部質(zhì)量，是保證鑄件護(hù)板使用壽命的重要條件。采用消失模鑄造工藝，同時(shí)對(duì)材料進(jìn)行均勻化處理并進(jìn)行充分固溶，以確保鑄件組織的均勻性和耐熱耐蝕性能。

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