澳斯邁特爐噴槍用不銹鋼310S鎳基合金堆焊涂層抗高溫耐腐蝕性能研究

王 強,趙 剛,白曉東,崔 健

(寧夏東方鉭業(yè)宇發(fā)高溫材料分公司,寧夏 石嘴山 753000)

澳斯邁特爐在銅冶煉行業(yè)中使用廣泛,其核心是富氧頂吹熔池熔煉技術(shù),將氧氣、空氣及燃料通過噴槍送入熔池,在攪拌作用下完成一系列復雜的物理化學反應,促進熔池內(nèi)的冰銅等物質(zhì)加速反應,進行強氧化熔煉[1-2]。但在實際生產(chǎn)過程中存在噴槍燒損、更換噴槍前端鋼管較為頻繁的問題,影響生產(chǎn)效率[3-5],需對其進行改進。

1 噴槍結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 爐體結(jié)構(gòu)

澳爐長約21～22 m,從內(nèi)至外由4層鋼管組成,鋼管的主要成分為不銹鋼與低碳鋼,自上而下垂直通入爐體內(nèi),四層鋼管依次為噴槍燃料管、內(nèi)層噴槍管、外層噴槍管、噴槍后燃氣管。最前端為混合腔,其材料一般選用310S不銹鋼。310S不銹鋼屬于25Cr-20Ni系的高合金不銹鋼,具有耐高溫氧化性,使用溫度范圍廣,固溶狀態(tài)無磁性,良好的焊接性,被廣泛用于各種爐用掛件。

1.2 工作原理

噴槍最內(nèi)層的燃料管主要向爐內(nèi)輸送燃料,如煤粉、天然氣等,內(nèi)層噴槍管主要輸送氧氣,滿足冶煉過程中氧氣的需求量。外層噴槍管輸送壓縮風,即壓縮空氣,用來參與熔池反應并攪拌熔池,對噴槍外壁有一定的冷卻作用,有利于噴槍表面掛渣。噴槍后燃氣管主要輸送冷卻氣,最前端的500 mm稱為混合腔,空氣、氧氣、燃料等均在這里混合后進入熔池,參與強氧化反應。

2 噴槍壽命與材質(zhì)的關(guān)系

噴槍壽命包括槍身壽命與槍頭壽命,槍身壽命較長,主要是槍頭部容易出現(xiàn)破損、開裂,嚴重燒損時需對其進行修復,切除破損部位,重新找到一節(jié)新的鋼管進行焊接。槍頭在熔池中的工況環(huán)境較惡劣,受到高溫及強腐蝕等導致槍頭壽命較短,目前各冶煉廠都選用不銹鋼316L和310S作為槍頭材料,且310S的耐高溫及耐腐蝕性能更好,因為310S不銹鋼中含有大量的Ni與Cr元素,具有一定的耐腐蝕性。更換槍頭的周期一般為140 h左右,很難突破200 h。故需找到一種焊接性好、耐高溫腐蝕,可作為槍頭或保護材料,以延長槍頭壽命[6-7]。

3 堆焊涂層過程與方法

3.1 試件制備

試驗基體材料使用外徑40 mm,內(nèi)徑20 mm,壁厚10 mm的310S不銹鋼管,為了方便試驗操作,將其均分成兩個槽型。對不銹鋼310S進行表面清潔處理,放入酒精燒杯內(nèi),放入超聲波清洗機中8～10 min,晾干以后放入高溫真空爐中進行退火,退火溫度控制在1050 ℃～1100 ℃,保溫40～60 min。

3.2 氬弧焊堆焊

氬弧焊的原理是通過高電流使焊絲在被焊金屬上融化成液態(tài)熔池,使金屬和被焊金屬達到冶金結(jié)合的一種焊接技術(shù),由于有源源不斷的氬氣送上,令焊材與空氣無法接觸,防止金屬氧化。氬弧焊可使用保護氣體進行堆焊,操作簡單。因為普通焊接部分金屬會被氧化,故選用氬弧焊堆焊。

3.3 鎳基焊絲的選擇

選擇焊絲時既要考慮焊絲的耐腐蝕性,也要考慮耐高溫性及基體成分相近,因為形成的涂層或堆焊層需要長期浸入1200 ℃熔池中,物理化學反應極為復雜,整個噴槍需要在熔池內(nèi)進行攪動,加快反應。為了提升槍頭強度,需綜合考慮各種需求,選擇與310S材料成分相近的鎳基合金焊絲作為堆焊涂層。

3.4 堆焊涂層的制備及處理

氬弧焊焊機使用瑞凌銳龍WS-300S 型號,電流控制在80～100 A,使用氬氣要求純度在99.99%以上,氣體流量控制在10～12 L/min。由于鎳基合金焊絲熔點較高,含有較多高熔點金屬,故使用氬弧焊時電流較高,焊絲黏度較大,堆焊存在一定的難度。要求在表面成型堆焊涂層并將基體310S不銹鋼封住即可,收弧時填滿弧坑,以防弧坑出現(xiàn)裂紋。堆焊涂層表面凹凸不平,平均厚度約為1200～1400 μm。表面呈暗黃色金屬狀,表層有一定的氧化現(xiàn)象。由于堆焊涂層表面存在一些細微孔洞,需對已經(jīng)堆焊好的涂層進行車加工處理,令堆焊涂層在400～600 μm。

3.5 中頻爐抗高溫耐硫化腐蝕

將車加工后帶有堆焊涂層的試件置于中頻爐坩堝內(nèi),同時放入已經(jīng)破碎顆粒狀冰銅碎渣,中頻爐功率控制在2000～2200 W,此時爐內(nèi)溫度為1200 ℃～1300 ℃,控制在冰銅剛?cè)诨某潭?。腐蝕采用的是間斷性腐蝕方式,每天腐蝕8 h后出爐觀察堆焊涂層的腐蝕情況,堆焊涂層沒有破壞則繼續(xù)進行腐蝕,此試件共在中頻爐內(nèi)冰銅腐蝕62.5 h。

4 試驗結(jié)果與討論

4.1 不銹鋼試件腐蝕前后對比

圖1 不銹鋼堆焊試件Fig.1 Stainless steel surfacing welding specimen

圖2 腐蝕后的不銹鋼試件Fig.2 Corroded stainless steel specimen

對不銹鋼試件進行堆焊后再進行車加工,使表面光滑平整,去掉微小的空洞及縫隙,圖1表面形成900 μm左右的堆焊層后,車加工后形成450 μm左右的堆焊涂層,可以看出,試件表面呈波紋狀,焊縫之間連接較為緊密,氬氣保護較好,只有表面高溫造成氧化表皮。圖2是經(jīng)過中頻爐腐蝕后的試件,其表面在長期腐蝕后有減重現(xiàn)象,減重8%～9%,表面較為光滑平整,沒有明顯的空洞及缺陷,在上下尖銳邊緣處未見基體310S不銹鋼漏出,證明模擬澳斯邁特爐內(nèi)環(huán)境中鎳基合金堆焊涂層可耐高溫抗硫化腐蝕,腐蝕時間超過60 h。

4.2 微觀形貌觀察

圖3為不銹鋼試件腐蝕60 h后放大70倍后的截面圖,可以清晰看到涂層在上部雖有部分向內(nèi)部的侵蝕現(xiàn)象,但沒有腐蝕至基體,可以看到焊接時高溫形成的過渡層,此處金屬發(fā)生相變,使基體金屬與焊絲成熔融狀態(tài)結(jié)合在一起,結(jié)合性能更好,強度更高。圖4可以看到結(jié)合層與圖3厚度相似,約為200 μm左右,由于基體金屬長時間放置在高溫環(huán)境中,晶粒有長大的現(xiàn)象,晶界較為明顯。雖有部分小的裂紋通過堆焊涂層的疏松層,甚至通過過渡層,但是由于裂縫中進入氧氣量較少,硫化反應較弱,未對基體造成損傷及侵蝕。在中頻爐坩堝內(nèi)腐蝕屬于靜態(tài)模擬,更有利于鎳基合金中Cr元素形成氧化物Cr2O3,彌補小的腐蝕細縫,進一步保護涂層。

4.3 堆焊涂層EDS分析及硫化腐蝕機理分析

如圖5所示,堆焊涂層主要的金屬元素為Cr、Ni、Mo、Fe、Cu等,在冰銅的硫化環(huán)境中,不同的金屬反應溫度與程度均不相同,總的反應原理是相同的,硫化反應的總方程式為:

圖5 堆焊涂層EDS分析結(jié)果Fig.5 EDS analysis results of surfacing coating

M+1/2S2=MS (M為金屬)

金屬元素參與硫化反應后生成對應的硫化物,這與不銹鋼的腐蝕與溫度有關(guān),溫度越高,腐蝕程度越嚴重。但是生成的硫化物有的熔點較低,生成后存在的時間較短,馬上就會分解,冰銅中的S元素會源源不斷供應,這樣上述反應會不斷進行,不銹鋼會不斷參與硫化反應,對堆焊涂層進行逐層消耗。對堆焊涂層裂縫細縫進行EDS掃描,可以看到在涂層失效處的裂縫中,S元素與Cu元素都非常高,說明在涂層失效后大量熔融的冰銅從細縫中滲入,冰銅分解后的硫化物是腐蝕能力較強的化合物,Cr元素在細縫周圍分布較為均勻,在細縫處全部被硫化物占據(jù),Cr元素極低,涂層表面在長時間腐蝕后存在Cr的硫化物,起到一定的涂層保護作用,提高了堆焊涂層的抗熱腐蝕能力,阻止S元素向內(nèi)擴散。在堆焊涂層中Fe和Ni元素含量較為平均,在硫化反應過程中不斷生成FeS2、Ni3S2等硫化物,但是因為這兩種硫化物的分解溫度為600 ℃～800 ℃,很容易在熔融的冰銅中分解,不能對基體起到實質(zhì)的保護作用。鎳基焊絲中含有5%左右的Mo元素,本身具有抗氧化耐高溫的作用,在與冰銅接觸腐蝕的過程中,Mo元素會在低溫階段(800 ℃～1000 ℃)與S元素優(yōu)先結(jié)合,形成MoS2,二硫化鉬具有一定的耐腐蝕性能,分解溫度為1700 ℃～1800 ℃,故1200 ℃～1300 ℃的環(huán)境溫度為其提供了一個較為理想的空間。硫化物比氧化物的韌性要高,并不像氧化物那樣脆,這樣在槍頭上下沖刷過程中可以起到保護作用。這是鎳基合金堆焊涂層能在冰銅熔融環(huán)境下抗高溫耐腐蝕的根本原因。

5 結(jié)論

模擬澳爐的使用工況可能會比實際的澳爐運行溫度更高,雖然是靜態(tài)模擬,但是冰銅的純度更高,腐蝕能力要比實際運行時更強。故鎳基合金堆焊的實際使用效果會更好。鎳基合金堆焊涂層的制備至關(guān)重要,需要嚴格控制焊機的電壓與氬氣流量,將電流控制在80～100 A,氬氣要求純度99.99%以上,氣體流量控制在10～12 L/min。電流過大會導致熔池過大,使合金元素燒損揮發(fā)過多,影響焊接性能。氬氣含量過低則極易造成堆焊涂層的氧化,影響最終試驗結(jié)果。需深入研究,延長噴槍使用時間,提高生產(chǎn)效率。