一种针对高温腐蚀工况的新型耐热钢的研究

一种针对高温腐蚀工况的新型耐热钢的研究

刘旭，孙建，邓荣娟，向东湖

本文介绍了一种针对高温腐蚀工况的新型耐热钢TRG-ZA-10。传统的Cr-Ni奥氏体耐热钢，以ZG40Cr25Ni20Si2为代表，具有良好的高温抗氧化性能和热强性能，但在硫化物和氯化物浓度较高（尤其是氯化物）的高温工况中，其使用寿命急剧下降，不能满足使用要求，因此需要一款专门针对高温腐蚀工况的新型材料以解决该问题。

高温腐蚀；硫化物；氯化物；耐热钢

以ZG40Cr25Ni20Si2为代表的传统Cr-Ni奥氏体耐热钢，具有良好的高温抗氧化性能和热强性能，但在硫化物和氯化物浓度较高（尤其是氯化物）的高温工况下，其使用寿命会急剧降低。

《水泥技术》杂志2014年第2期《耐热不锈钢0Cr25Ni20在高温Cl-环境中的腐蚀研究》一文中，作者发表了研究结果，在温度为580℃、生料中氯浓度为0.2%～0.4%的工况中，ZG40Cr25Ni20Si2使用寿命仅为4个月；《水泥技术》杂志2015年第5期《一种新型节镍型耐热钢的研究》一文中，作者介绍了研发的新型材料T709U，它的主要特点是成本低，在高温下其综合性能优于ZG40Cr25Ni20Si2，高温抗腐蚀性能比ZG40Cr25Ni20Si2提高60%左右，但按一年的使用寿命评估，仍达不到使用要求。

基于上述问题，我们研发了一种针对高温腐蚀工况的耐热钢，用于解决较高腐蚀性气氛工况中，内筒挂片使用寿命不足的问题。

1 成分设计

在工况温度为950℃的条件下，新耐热钢需同时满足以下两个要求：

（1）高温抗氧化性能达到完全抗氧化级，且优于ZG40Cr25Ni20Si2。

（2）高温耐氯化物和硫化物腐蚀性能与ZG40Cr25Ni20Si2相比，提高不低于200%，即前者至少是后者的3倍。

新型耐热钢TRG-ZA-10在成分设计上仍以奥氏体为基体，优化成分配比，固熔更多有效抗腐蚀的合金元素，实现上述目标值。

《水泥技术》杂志2014年第2期《耐热不锈钢0Cr25Ni20在高温Cl-环境中的腐蚀研究》一文中，介绍了Cr-Si-Al系奥氏体型耐热钢研究，但是在实际工程化实验的冶炼过程中发现，由于目前耐热钢铸造厂使用的中频感应炉均为大气气氛，而非“真空”气氛或“惰性气体保护”气氛，加入的Al元素均被氧化、造渣，添加Al元素抗腐蚀的目的在耐热钢铸造厂中暂时无法实现。

合金中设计添加了Ni、Cr、Si等金属、非金属元素。抗腐蚀合金中大量的Ni元素能形成并稳定奥氏体组织，提高热强性，在本合金中考虑到元素的固熔浓度，没有使用也能起同样作用的非金属元素N；大量的Cr元素和一定量的Si元素，能保证高温抗氧化性和耐腐蚀性[1、2]；添加大量的Mo元素，能够有效防止氯化物的热腐蚀[3]，提高钢的热强性，生成碳化物，起到耐磨的作用；添加微量的Nb/Ti元素（二选一，根据Mo元素的添加量来进行选择），形成碳化物，产生弥散强化，能改善抗晶间腐蚀能力，同时起到细化晶粒作用；W+V元素的配合使用，主要目的同样是改善抗晶间腐蚀能力，同时提高钢的热强性；微量的RE元素，对钢液起到净化作用，并细化晶粒。

2 性能测试

2.1 高温力学性能

按照GB/T 4338-2006《金属材料高温拉伸试验方法》测定新材料1～4号试样和25-20（ZG40Cr25Ni20Si2简称）试样的高温力学性能，结果见表1。

表1 高温力学性能

图1950 ℃连续100h的氧化动力学曲线图

2.2 高温抗氧化性能

试样的高温抗氧化性能实验在小型箱式电阻炉内进行，试验温度为950℃，连续100h，采用增重法测试其抗氧化性，结果见图1。

由图1可以清晰地看出：连续100h氧化后，25-20的氧化增重为0.974 5mg/cm2，新材料的1号试样的氧化增重为0.350 4mg/cm2，2号试样的氧化增重为0.386 1mg/cm2，3号试样的氧化增重为0.432 8mg/cm2，4号试样的氧化增重为0.395 5mg/ cm2，平均值为0.391 2mg/cm2。新材料的抗氧化性能优于25-20。

HB5258-2000《钢及高温合金的抗氧化性测定试验方法》中规定了抗氧化级别的判定方法（见表2），表3为两种材料抗氧化性能的测定数据。由此可以看出，新材料在抗氧化性能上明显优于25-20，属于完全抗氧化级别，达到研发目标。

表2 氧化级别评定表，g/cm2·h

表3 两种材料的抗氧化性（950℃、100h）

2.3 高温抗腐蚀性能

在盐雾气氛下对试样进行高温抗腐蚀性能研究，由5%NaCl+95%Na2SO4混合后，再加蒸馏水配制成盐溶液，均匀喷涂在试样表面，试验温度为950℃，连续100h，分别做增重法和减重法两组试验，测试其抗腐蚀性，见图2、3。

通过图2可以得出：连续100h腐蚀后，25-20的腐蚀增重为54.933 2mg/cm2，1号试样的腐蚀增重为9.685 4mg/cm2，2号试样的腐蚀增重为11.004 2 mg/cm2，3号试样的腐蚀增重为12.512 4mg/cm2，4号试样的腐蚀增重为11.704 2mg/cm2。25-20的腐蚀增重量是TRG-ZA-10均值的4.9倍，腐蚀增重前者比后者高390%。

通过图3可以得出：连续100h腐蚀后，25-20的腐蚀减重约为99.701 2mg/cm2，1号试样的腐蚀减重约为19.271 2mg/cm2，2号试样的腐蚀减重约为21.178 2mg/cm2，3号试样的腐蚀减重约为24.271 2 mg/cm2，4号试样的腐蚀减重约为21.871 2mg/cm2。25-20的腐蚀减重量是TRG-ZA-10均值的4.6倍，前者腐蚀减重量比后者高360%。

上述结果表明：新材料TRG-ZA-10的成分设计合理，在有氯化物和硫化物腐蚀的环境中，无论腐蚀增重量还是减重量都明显低于25-20，能够有效地减缓氯化物腐蚀速率，提高使用寿命，达到了研发目标。

图2950 ℃连续100h的腐蚀增重动力学曲线图

图3950 ℃连续100h的腐蚀减重动力学曲线图

3 结语

（1）新材料在950℃的高温力学性能优于25-20，前者比后者提高74%。

（2）新材料在950℃时能够达到完全抗氧化级别，该性能明显优于25-20。

（3）新材料在950℃的耐腐蚀性能明显优于25-20，前者比后者提高了360%～390%。

（4）新材料与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]李铁藩.金属高温氧化和热腐蚀[M].北京：化学工业出版社，2003.

[2]李美栓.金属的高温腐蚀[M].北京：冶金工业出版社，2001.

[3]马海涛.高温氯盐环境中金属材料的腐蚀[D].博士学位论文，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

中材装备集团有限公司，天津300400；

2016-10-13；编辑：吕光