电厂用耐磨材料的研究

电厂用耐磨材料的研究

李瑞东1薛守攀2刘雷3闫帅4

（鄂尔多斯集团冶金事业部余热发电分公司内蒙古鄂尔多斯016064）

摘要：针对电厂运行的工件磨损的工况，研究了耐磨材料—CrNi合金（Cr25Ni20）中合金元素的作用，进行了材料的铸态和热处理的硬度测试和磨损性能检测，通过金相组织的变化分析了材料硬度和磨损性能变化的原因。

关键词:Cr25Ni20合金耐磨性热处理硬度范例

Thestudyonabrasionresistantmaterialsinpowerplant

Abstract:Whenitcomestotheserviceconditionsofworkpiecewearduringpowerplantoperation,theeffectofalloyingelementsonabrasionresistantofchrome-nickelcastiron(Cr25Ni20),andthehardnessandabrasionresistantweretestascastingandheattreatmentconditions,Throughthevarietyofmicrostructuretoanalysethereasonforthevarietyofhardnessandabrasionresistance.

Keyword:chrome-nickelcastiron,abrasionresistance,heattreatment,hardness.

1研究的目的和意义

在电厂运行的设备中，有大量处于强烈磨损状态的工件，如：冷渣机螺旋冷却管、出料口、给煤机落抛煤管、防磨瓦，风帽等等，如何提高这些工件材料的耐磨性能，延长使用寿命，降低工件采购和维护成本，是一件很有现实意义的工作。

2实验部分

为完成该项研究工作，作者查阅大量资料、文献并进行广泛调研，确定了以铬镍合金Cr25Ni20作为实验材料，对其进行铸态和热处理态磨损对比实验、硬度测试和金相检验。

2.1材料成分的确定及合金元素的作用

2.1.1Cr25Ni20成分的确定

Cr25Ni20成分见表2-1

表2-1鉻镍铸钢（Cr25Ni20）合金的成分（%）

2.1.2实验材料中合金元素的作用

（1）碳:碳是形成硬质相的重要元素，含碳量太低则硬质相--合金渗碳体含量少，硬度低，耐磨性差；含碳量太高则硬质相--合金渗碳体含量多，硬度太高，塑韧性差，脆性大，使用和运输中容易出现脆断现象，最终选定的含碳量为3.0%。

（2）硅：硅具有良好的脱氧能力，硅的含量过低，例如小于0.3%，铁水的氧化程度明显提高，造成合金元素铬的氧化烧损[1]，但硅的含量增加，材料的脆性也增加，所以对于耐磨材料来说含硅量不宜过多，一般控制在1.0%以下[2]，我们选定为0.8%。

（3）锰：锰与硫结合生成MnS，消弱硫的有害作用。这是锰元素的好的一面，然而锰在共晶凝固过程中有强烈地析出于晶界的倾向，在晶界中与残留熔液中的碳形成含锰碳化物，降低晶界处的强度，这又是含锰高的不利一面，就这两方面综合考虑选定锰量为0.8%。

（4）铬：铬在铸铁中存在的形态较复杂,部分铬与铁形成固溶体，铬是铸铁中强烈形成碳化物的元素之一,碳化铬的类型与材料中碳、铬的量有关。当铬含量为20%时，高铬铸铁中的M7C3型碳化物呈断续分布的杆状或块状、颗粒状,而不是呈一般白口铸铁中的连续状基体或网状[3]。因此,高铬铸铁在具有高耐磨性的同时,也具有一定的韧性，本次实验选定铬为20%。

（5）钼:钼有一部分溶入基体，溶入基体的钼对基体组织性能有极大的影响,能极大地提高淬透性。钼与碳形成硬度很高的硬质相，有效地提高材料的磨损性能。钼控制含量在2.5%左右。

（6）铜：铜作为提高淬透性的辅助合金元素,常和钼复合加入高铬铸铁。铜能使碳化物变细和不连续,使基体的被割裂现象减轻,韧性提高。铜的加入量过多时,会在枝晶富集析出,反而对韧性不利,故一般被控制在0.5%-1.0%[4]。实验中选定铜量为0.8%。

（7）磷：磷易引起“冷脆性”对铸铁的冲击韧性和塑性有明显的不良影响，也是作为有害杂来看待，做为常存元素，控制磷量不超过0.3%。

（8）硫：硫是铸铁中常存的有害元素。硫易与铁形成低熔点（980℃）的共晶体，沿晶界分布，恶化力学性能和铸造性能[5]，因此控制硫量不超过0.1%。

2.2实验材料的热处理

实验中铬镍合金Cr25Ni20采用的热处理工艺为：高温空淬加高温回火：1000℃×2h空淬＋500℃×2h回火。

2.3材料的性能实验

2.3.1材料的耐磨试样

耐磨试样尺寸见表2-2。

表2-2耐磨试样尺寸（mm）

2.3.2硬度实验

取铸态、热处理态试样在洛氏硬度计下测试硬度。分别选择不同的位置测量三次取平均值，结果如表2-3所示。

表2-3不同处理工艺下试样的硬度单位：HRC

2.3.3耐磨实验

将试样装在卡具上,以钻床提供动力让卡具带动试样在石英砂中做旋转运动。石英砂对试样表面产生磨削作用，工况也是两者的相对运动而产生的磨损，所以可以用这样的试验方法来模拟工况条件。

试验步骤：

（1）试样编号:将热处理前后试样分组编号。

（2）用量程为210g的精密电子天平（PA2002系列）称量试样的初始重量和磨损后的重量。

（3）将试样装在卡具上,将石英砂（10-20目）放入铁筒中，安装好卡具，将钻床速度调至150转/分，启动钻床。10小时后得到磨损实验结果如表2-4。

表2-4耐磨实验结果单位：g

由表2-3和表2-4可以看出：材料经过热处理，硬度由HRC50提高至HRC62，磨损量由0.0288g降低至0.0123g，材料耐磨性提高一倍多。

2.4金相组织观察

利用奥林巴斯（GX71）光学金相显微镜拍得材料金相组织如图2-1和图2-2所示。

图2-1铬镍合金（Cr25Ni20）铸态组织

图2-2铬镍合金（Cr25Ni20）热处理组织

2.5实验结果分析

铬镍合金（Cr25Ni20）铸态时一般为奥氏体+合金碳化物组织，热处理态时为：马氏体+合金碳化物+少量残余奥氏体组成，由于热处理后，铬镍合金（Cr25Ni20）中硬度高的硬质相马氏体和合金碳化物较铸态组织多，所以硬度高（见表2-3），故耐磨性大幅度提高（见表2-4）。同时通过对比图2-1和图2-2可以看出经过热处理后，材料的组织得到细化，合金碳化物从片状、网状转变为弥散的粒状和杆状，提高了材料的力学性能。

3铬镍合金（Cr25Ni20）在热电厂的应用

3.1铬镍合金（Cr25Ni20）在热电厂的应用范例——风帽

热电厂所用锅炉为循环流化床锅炉，该型锅炉与其他类型锅炉的根本区别在于燃料处于流态化运动状态，并在流态化过程中进行燃烧。布风装置是流化床锅炉实现物料液态化燃烧的关键部件，吉兰泰热电厂布风装置形式为：风帽式。风帽式布风装置由风室、布风板、风帽和隔热层组成。风帽是流化床锅炉实现均匀布风以及维持炉内气固两相流动和锅炉安全经济运行的关键部件。但是该型锅炉普遍存在的问题是：风帽帽顶容易烧坏，磨损也较为严重。风帽磨损后造成风室积渣过多，风压不足，锅炉运行状态差，造成锅炉事故停炉。

鉴于以上原因，吉兰泰热电厂一直使用铬镍合金（Cr25Ni20）材质的风帽，具体材质牌号为：ZG40Cr20Ni9Si2NRe，与实验室所用试件基本一致。该材质风帽有以下优点：（1）、良好的高温表面稳定性，即有良好的耐腐蚀性能；（2）、有足够的高温强度，特别是蠕变极限和持久强度；（3）、高温状态组织稳定，即高温下，不易脆化。（4）、高温状态下耐磨性；（5）、具有一定的机械加工性能。

该材质风帽工作温度为850℃——1200℃，持续使用时间为20000小时。

3.2铬镍合金（Cr25Ni20）在热电厂的应用范例——落煤管

热电厂锅炉落煤口因煤粉冲刷，造成水冷壁爆管多次发生，已经严重影响机组安全稳定运行，成为制约机组长周期运转的瓶颈问题。

落煤口以前安装的防磨衬板为δ=16mm，材质0Cr25Ni20的不锈钢，采用热轧加工（如图4-2）。在炉膛高温区域，物料连续冲刷下，耐磨性能较差。

图3-1订做的风帽

图3-2损坏的风帽

0Cr25Ni20奥氏体耐热不锈钢（%：0.05C、24.5Cr、19.3Ni）

导热性差[100℃导热系数0.029×4.18J/（cm•℃）]，200mm×（950～2150）mm连铸板坯易产生纵裂纹（宽0.1～10mm，深1～20mm）。

抗拉强度σb(MPa)：≥515

条件屈服强度σ0.2(MPa)：≥205

伸长率δ5(%)：≥35

断面收缩率ψ(%)：≥50

硬度：HBW≤182;HRB≤90;HV≤200

鉴于普通热轧工艺的0Cr25Ni20不锈钢板在炉膛高温及煤质冲刷耐磨较差的不足，在机组大修期间，两台锅炉的12个落煤口均选用铸造铁基稀土高铬镍双相合金钢（即高铬镍合金+稀土）。

铁基稀土高铬镍双相合金钢（图4-1）性能如下：

（1）高温性能好：在1000℃—1300℃高温下耐磨性能好。

（2）抗冷热变化性能好：在1000℃—1300℃高温下突然降温不会产生裂纹，不会产生变形，抗冷热疲劳性能强。

（3）抗腐蚀、氧化性能好:1000℃—1300℃高温下不氧化，烧损少。

（4）抗冲击性能好：在重冲击下不会断裂，和变形。

试验安装后，锅炉运行良好，经走访，该材质落煤口使用年限最少为3年。

4结论

（1）通过以石英砂为磨料磨损实验可以看出，经过热处理铬镍合金（Cr25Ni20）的硬度和耐磨性得到大幅度提高。

（2）经过热处理后，铬镍合金（Cr25Ni20）组织得到细化，合金碳化物有片状、网状转变为弥散的粒状和杆状，提高了材料的力学性能。

（3）铬镍合金（Cr25Ni20）的耐磨性能，完全满足电厂磨损工件的使用要求。

图4-1新型落煤口

图4-2损坏的落煤管

参考文献

[1]郝石坚.铬白口铸铁及其生产技术.北京：冶金工业出版社.2011.

[2]陈璟琚等.合金高铬铸铁及其应用.北京：冶金工业出版社.1999.

[3]中国机械工程学会铸造分会.铸造手册(铸铁).北京：机械工业出版社.2003.

[4]陈璟琚等.合金高铬铸铁及其应用.北京：冶金工业出版社.1999.

[5]郑明新.工程材料.北京：中央广播电视大学出版社.1986.