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第一作者第二作者 摘要：对于锅炉风帽生产企业来说，如何在提高风帽使用性能、增加使用寿命的同时，又能有效的降低生产成本，是当前生产企业面临的重要问题。
关键词：风帽生产改进
中图分类号：TK223文献标识码： A 文章编号：
镍属于稀有元素，在风帽生产中必不可少，无形之中提高了企业的生产成本。现在有些企业在进行高温耐磨钢制风帽生产的时候，加入了稀土和锰元素来替代部分镍，通过热处理技术，对风帽生产进行了改进，不但提高了风帽的耐磨损性能、延长了使用寿命，而且降低了企业的生产成本，值得大力推广。
1现有风帽的成分及性能
上世纪90年代初期，我国循环流化床锅炉曾采用普通高硅耐热铸铁和RQTSi5.5制作风帽，但该种风帽易烧毁寿命很短，一般在3个月左右，低的甚至不足2个月就烧穿。所以为了保证锅炉安全运行，提高风帽的使用寿命、保证发电效率，一些电厂开始采用1Crl8Ni9Ti材质来制造风帽。这种风帽寿命可达到6个月到1年。因为风帽的工作环境特别恶劣，长期处于900－1000℃的高温环境中，且经受煤渣的冲击磨损，所以不少企业包括学者一直探寻开发新的耐高温耐磨材料制造风帽，但是一直没有令人满意的材料提高风帽寿命，这一直是困扰电厂进一步提高经济效益的问题。
随着近年来随着材料性能的不断改进，很多企业以Cr25Ni14Si2、2Cr25Ni20等材质制造风帽，耐磨、耐高温性能得以大幅提高，普遍的使用寿命可以达到1~2年，但是随着近些年有色金属的价格不断攀升，大量合金元素的加入，特别是镍元素的加入，使得企业生产成本大幅增加。所以根据合金元素对耐磨耐热钢的影响和风帽使用条件特点以及出于对经济性的考虑，最终选用ZG35Cr25Mn7Ni5Si2RE为基的耐磨耐热钢，提高此耐磨耐热钢在高温氧化性气氛及冲击磨损的工况下的使用性能及经济性能。
2 化学成分对风帽性能的影响
在满足材料使用性能要求的前提下，以降低企业生产成本为原则，设计出适合于企业需求的耐磨耐热钢，从而获得良好的社会效益；并以碳、铬、镍和锰为主要元素，硅及稀土等为辅助元素，通过合适的元素成分配比，使它们之间达到有机结合，更好的发挥合金元素作用，并以较低的成本获得良好的使用性能和经济效益。
2.1 碳
碳是钢中的主要元素，对钢的性能有很大影响。随着含碳量的增加，钢在室温条件下析出渗碳体的数量也越多，给钢带来了很高的强度、硬度，但塑性、韧性下降。随着温度的提高，碳化物会不断的聚合长大，对钢的抗蠕变性能产生不利影响，特别是在高温条件下长期使用，高的含碳量会使更多的碳化物从基体中析出，使固溶体中的合金元素含量降低，减弱合金元素在钢中的强化作用，使材质的强度、塑性、耐蚀性和抗氧化性降低，所以耐热钢使用时含碳量不宜太高。碳可以和强碳化物形成元素(如Nb、Ti、V、W等)在高温条件下形成稳定的MC型特殊碳化物，可显著提高钢在高温下的强度、硬度和耐磨性。但过高的含碳量容易使钢在凝固时沿晶界析出网状M23C6型碳化物，使钢的脆性增大。碳在钢中还是稳定和促进奥氏体的元素。综合考虑确定碳的含量为0.25%～0.45%。
2.2 铬
铬元素加入到钢中，可以提高钢的淬透性。而且铬与铁会形成连续固溶体使钢的强度、硬度和耐磨性提高，但塑性、韧性会降低。铬在氧化性介质中会形成一层致密的氧化膜，并分布在晶界处包裹在金属晶粒的表面，阻止金属基体继续受到氧化而被破坏，因而随着铬含量增加，钢的抗氧化性能提高。但随工件使用温度的进一步提高，要满足工件对氧化性能要求的最好方法就是继续增加钢中铬的含量，如工作温度达到1100℃以上时，抗氧化的耐磨耐热钢的铬含量就应大于25%才能满足使用要求。在耐热钢和耐蚀钢中，若铬量过低，由于含铬碳化物的沉淀析出会产生贫铬区，使邻近晶界贫铬，降低钢的抗腐蚀性和抗氧化性，使钢塑性、韧性及强度降低，脆性增加。但铬含量过高会形成M23C6，同时增加残余奥氏体量，使硬度降低，耐磨性降低。为了保证材质的高温抗氧化性及耐磨性，应将铬含量控制在19%～28%范围内。
2.3 镍
镍和碳不形成碳化物，它是形成和稳定奥氏体的主要合金元素。在这方面的作用仅次于碳和氮。镍与铁以互溶的形式存在于钢中的α相和γ相中，使之强化，并通过细化α相中的晶粒，改善钢的性能，特别是韧性。当温度超过950℃时，锰对抗氧化不利，而镍则本身不氧化，尽管镍不是抗氧化的有效元素，但可提高合金的高温强度。在镍铬耐热钢中，镍与铬配合使用可以获得良好的效果。在含碳量、含铬量不变时，含镍量提高则可显著改善耐热钢的高温性能与常温性能。另外，由于镍是一种稀缺的元素，综合以上因素，把镍的含量定在4%～6%。
2.4硅
硅在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中。在氧化气氛中加热硅在钢中可形成SiO2薄膜，大幅提高钢在高温时的抗氧化性能，可以起到部分地代替铬的作用。硅还能提高钢的抗渗碳性，在800℃左右使用时，硅有助于α相的析出。硅还可以提高钢中固溶体的强度，但含量过多将显著降低钢的塑性、韧性，并使焊接性能恶化。故在抗磨耐热钢中硅含量不易太高，本材质将硅含量控制在1.6%～2.0%范围内。
2.5 锰
锰是好的脱氧剂和脱硫剂，锰与硫形成熔点高的MnS，可防止因生成FeS而导致热脆现象。锰和铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，同时又是碳化物形成元素。锰在钢中是扩展γ相区和稳定γ的元素，其促进作用相当于镍的一半。锰还可以增加氮在钢中的溶解度，从而在含氮钢中起积极的稳定奥氏体的作用。一般认为，锰对抗氧化性能没有显著影响，但含量过高也会有损于抗氧化性能和降低蠕變极限。锰与氮有稳定奥氏体，抑制在800℃下长期使用析出金属间化合α相的作用，防止工件长期在800℃下使用变脆的情况出现。但在高温使用的耐热钢中，锰量过高会使凝固时和高温使用过程中组织粗大。故本材质将锰含量控制在6.0%～8.0%范围内。
2.6 稀土元素
在耐磨耐热钢中加入少量的稀土元素可显著地提高其抗氧化性和耐腐蚀性能，改善和提高钢的蠕变抗力、持久强度和高温断裂韧性。稀土元素的这些作用主要是通过强化晶界达到的。
在钢中加入稀土元素，可以去除钢液中的氧和硫，减少非金属夹杂，净化钢液，提高钢液质量。另外，稀土元素提高铬在钢中的扩散速度，使表面能较快地生成Cr203保护膜，阻止了富Ni、Fe或Mn尖晶石氧化物的形成。研究表明：当稀土元素含量达到0.05%以上时，可显著地表现出上述作用，但稀土元素加入量应严格控制以免增加钢中的夹杂物，一般控制1%以下。故本材质将稀土元素含量控制在0.08～0.1%。
3 选择风帽的热处理工艺
3.1 热处理的目的
对风帽热处理的目的就是要在奥氏体化温度下，使得材料铸态组织中粗大的强化相(碳化物、氮化物以及各种金属间化合物)重新溶解在奥氏体中，从而成为单一的奥氏体或奥氏体+少量碳化物(<5%)组织。
3.2 铸钢件热处理的特点
铸钢件的铸态组织中，常有粗大枝晶及偏析。热处理时，其加热温度应稍高于同类成分的锻钢件，其奥氏体化保温时间也需长点。铸钢件热处理时，必须根据其结构特点合理堆放，尽量避免变形。
3.3 热处理工艺的制定
一般在铸态下使用，只有要求较高蠕变强度的铸件才进行固溶处理和时效处理。固溶处理的目的是溶解铸态析出的碳化物，获得单相奥氏体组织。固溶处理后进行时效处理，则使过饱和的固溶体均匀析出弥散碳化物相，提高铸钢抗蠕变强度。在高温箱式电阻炉中进行1050℃的固溶处理，保温2个小时出炉空冷；之后进行800℃的时效处理，保温4个小时，出炉空冷。
4 结语
综上所述，在改进后的合金钢中各元素所占的比例为C：0.35%，Cr：25%，Mn：7%，Ni：5%，Si：2.0%，RE：0.08%，并经固溶时效后，获得了铁基奥氏体钢。与厂家现用风帽相比，减少了稀缺元素镍的加入量，降低了成本。研制风帽显微组织为奥氏体＋均匀弥散分布的碳化物，析出的碳化物均匀弥散分布在晶界上，提高了钢的强度。合金钢组织与厂家现用的风帽相比有明显细化。
参考文献
[1]吴新，赵长遂，等.流化床风帽温度及其耐热性的试验研究[J]，热能动力工程2000年，第15卷（总第87期）:252－255.
[2]李美栓，金属的高温腐蚀[M]，北京冶金工业出版社，2001:300-310.
[3]黄健中，材料的耐蚀性和腐蚀数据[M]，北京化学工业出版社，2003:214-218.
[4]朱日彰，何业东，齐慧滨.高温腐蚀及耐高温腐蚀材料[M]，上海科学技术出版社，1995:35-39.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：风帽生产改进
中图分类号：TK223文献标识码： A 文章编号：
镍属于稀有元素，在风帽生产中必不可少，无形之中提高了企业的生产成本。现在有些企业在进行高温耐磨钢制风帽生产的时候，加入了稀土和锰元素来替代部分镍，通过热处理技术，对风帽生产进行了改进，不但提高了风帽的耐磨损性能、延长了使用寿命，而且降低了企业的生产成本，值得大力推广。
1现有风帽的成分及性能
上世纪90年代初期，我国循环流化床锅炉曾采用普通高硅耐热铸铁和RQTSi5.5制作风帽，但该种风帽易烧毁寿命很短，一般在3个月左右，低的甚至不足2个月就烧穿。所以为了保证锅炉安全运行，提高风帽的使用寿命、保证发电效率，一些电厂开始采用1Crl8Ni9Ti材质来制造风帽。这种风帽寿命可达到6个月到1年。因为风帽的工作环境特别恶劣，长期处于900－1000℃的高温环境中，且经受煤渣的冲击磨损，所以不少企业包括学者一直探寻开发新的耐高温耐磨材料制造风帽，但是一直没有令人满意的材料提高风帽寿命，这一直是困扰电厂进一步提高经济效益的问题。
随着近年来随着材料性能的不断改进，很多企业以Cr25Ni14Si2、2Cr25Ni20等材质制造风帽，耐磨、耐高温性能得以大幅提高，普遍的使用寿命可以达到1~2年，但是随着近些年有色金属的价格不断攀升，大量合金元素的加入，特别是镍元素的加入，使得企业生产成本大幅增加。所以根据合金元素对耐磨耐热钢的影响和风帽使用条件特点以及出于对经济性的考虑，最终选用ZG35Cr25Mn7Ni5Si2RE为基的耐磨耐热钢，提高此耐磨耐热钢在高温氧化性气氛及冲击磨损的工况下的使用性能及经济性能。
2 化学成分对风帽性能的影响
在满足材料使用性能要求的前提下，以降低企业生产成本为原则，设计出适合于企业需求的耐磨耐热钢，从而获得良好的社会效益；并以碳、铬、镍和锰为主要元素，硅及稀土等为辅助元素，通过合适的元素成分配比，使它们之间达到有机结合，更好的发挥合金元素作用，并以较低的成本获得良好的使用性能和经济效益。
2.1 碳
碳是钢中的主要元素，对钢的性能有很大影响。随着含碳量的增加，钢在室温条件下析出渗碳体的数量也越多，给钢带来了很高的强度、硬度，但塑性、韧性下降。随着温度的提高，碳化物会不断的聚合长大，对钢的抗蠕变性能产生不利影响，特别是在高温条件下长期使用，高的含碳量会使更多的碳化物从基体中析出，使固溶体中的合金元素含量降低，减弱合金元素在钢中的强化作用，使材质的强度、塑性、耐蚀性和抗氧化性降低，所以耐热钢使用时含碳量不宜太高。碳可以和强碳化物形成元素(如Nb、Ti、V、W等)在高温条件下形成稳定的MC型特殊碳化物，可显著提高钢在高温下的强度、硬度和耐磨性。但过高的含碳量容易使钢在凝固时沿晶界析出网状M23C6型碳化物，使钢的脆性增大。碳在钢中还是稳定和促进奥氏体的元素。综合考虑确定碳的含量为0.25%～0.45%。
2.2 铬
铬元素加入到钢中，可以提高钢的淬透性。而且铬与铁会形成连续固溶体使钢的强度、硬度和耐磨性提高，但塑性、韧性会降低。铬在氧化性介质中会形成一层致密的氧化膜，并分布在晶界处包裹在金属晶粒的表面，阻止金属基体继续受到氧化而被破坏，因而随着铬含量增加，钢的抗氧化性能提高。但随工件使用温度的进一步提高，要满足工件对氧化性能要求的最好方法就是继续增加钢中铬的含量，如工作温度达到1100℃以上时，抗氧化的耐磨耐热钢的铬含量就应大于25%才能满足使用要求。在耐热钢和耐蚀钢中，若铬量过低，由于含铬碳化物的沉淀析出会产生贫铬区，使邻近晶界贫铬，降低钢的抗腐蚀性和抗氧化性，使钢塑性、韧性及强度降低，脆性增加。但铬含量过高会形成M23C6，同时增加残余奥氏体量，使硬度降低，耐磨性降低。为了保证材质的高温抗氧化性及耐磨性，应将铬含量控制在19%～28%范围内。
2.3 镍
镍和碳不形成碳化物，它是形成和稳定奥氏体的主要合金元素。在这方面的作用仅次于碳和氮。镍与铁以互溶的形式存在于钢中的α相和γ相中，使之强化，并通过细化α相中的晶粒，改善钢的性能，特别是韧性。当温度超过950℃时，锰对抗氧化不利，而镍则本身不氧化，尽管镍不是抗氧化的有效元素，但可提高合金的高温强度。在镍铬耐热钢中，镍与铬配合使用可以获得良好的效果。在含碳量、含铬量不变时，含镍量提高则可显著改善耐热钢的高温性能与常温性能。另外，由于镍是一种稀缺的元素，综合以上因素，把镍的含量定在4%～6%。
2.4硅
硅在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中。在氧化气氛中加热硅在钢中可形成SiO2薄膜，大幅提高钢在高温时的抗氧化性能，可以起到部分地代替铬的作用。硅还能提高钢的抗渗碳性，在800℃左右使用时，硅有助于α相的析出。硅还可以提高钢中固溶体的强度，但含量过多将显著降低钢的塑性、韧性，并使焊接性能恶化。故在抗磨耐热钢中硅含量不易太高，本材质将硅含量控制在1.6%～2.0%范围内。
2.5 锰
锰是好的脱氧剂和脱硫剂，锰与硫形成熔点高的MnS，可防止因生成FeS而导致热脆现象。锰和铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，同时又是碳化物形成元素。锰在钢中是扩展γ相区和稳定γ的元素，其促进作用相当于镍的一半。锰还可以增加氮在钢中的溶解度，从而在含氮钢中起积极的稳定奥氏体的作用。一般认为，锰对抗氧化性能没有显著影响，但含量过高也会有损于抗氧化性能和降低蠕變极限。锰与氮有稳定奥氏体，抑制在800℃下长期使用析出金属间化合α相的作用，防止工件长期在800℃下使用变脆的情况出现。但在高温使用的耐热钢中，锰量过高会使凝固时和高温使用过程中组织粗大。故本材质将锰含量控制在6.0%～8.0%范围内。
2.6 稀土元素
在耐磨耐热钢中加入少量的稀土元素可显著地提高其抗氧化性和耐腐蚀性能，改善和提高钢的蠕变抗力、持久强度和高温断裂韧性。稀土元素的这些作用主要是通过强化晶界达到的。
在钢中加入稀土元素，可以去除钢液中的氧和硫，减少非金属夹杂，净化钢液，提高钢液质量。另外，稀土元素提高铬在钢中的扩散速度，使表面能较快地生成Cr203保护膜，阻止了富Ni、Fe或Mn尖晶石氧化物的形成。研究表明：当稀土元素含量达到0.05%以上时，可显著地表现出上述作用，但稀土元素加入量应严格控制以免增加钢中的夹杂物，一般控制1%以下。故本材质将稀土元素含量控制在0.08～0.1%。
3 选择风帽的热处理工艺
3.1 热处理的目的
对风帽热处理的目的就是要在奥氏体化温度下，使得材料铸态组织中粗大的强化相(碳化物、氮化物以及各种金属间化合物)重新溶解在奥氏体中，从而成为单一的奥氏体或奥氏体+少量碳化物(<5%)组织。
3.2 铸钢件热处理的特点
铸钢件的铸态组织中，常有粗大枝晶及偏析。热处理时，其加热温度应稍高于同类成分的锻钢件，其奥氏体化保温时间也需长点。铸钢件热处理时，必须根据其结构特点合理堆放，尽量避免变形。
3.3 热处理工艺的制定
一般在铸态下使用，只有要求较高蠕变强度的铸件才进行固溶处理和时效处理。固溶处理的目的是溶解铸态析出的碳化物，获得单相奥氏体组织。固溶处理后进行时效处理，则使过饱和的固溶体均匀析出弥散碳化物相，提高铸钢抗蠕变强度。在高温箱式电阻炉中进行1050℃的固溶处理，保温2个小时出炉空冷；之后进行800℃的时效处理，保温4个小时，出炉空冷。
4 结语
综上所述，在改进后的合金钢中各元素所占的比例为C：0.35%，Cr：25%，Mn：7%，Ni：5%，Si：2.0%，RE：0.08%，并经固溶时效后，获得了铁基奥氏体钢。与厂家现用风帽相比，减少了稀缺元素镍的加入量，降低了成本。研制风帽显微组织为奥氏体＋均匀弥散分布的碳化物，析出的碳化物均匀弥散分布在晶界上，提高了钢的强度。合金钢组织与厂家现用的风帽相比有明显细化。
参考文献
[1]吴新，赵长遂，等.流化床风帽温度及其耐热性的试验研究[J]，热能动力工程2000年，第15卷（总第87期）:252－255.
[2]李美栓，金属的高温腐蚀[M]，北京冶金工业出版社，2001:300-310.
[3]黄健中，材料的耐蚀性和腐蚀数据[M]，北京化学工业出版社，2003:214-218.
[4]朱日彰，何业东，齐慧滨.高温腐蚀及耐高温腐蚀材料[M]，上海科学技术出版社，1995:35-39.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。