摘要
垃圾焚烧是目前处理垃圾最有效、最有前景的一种手段，产生的热能可以发电和供暖，达到经济、环保的目标。但垃圾焚烧系统中存在严重的高温腐蚀问题，造成换热设备金属管壁减薄，甚至爆管，引发严重的安全事故，同时增加维修成本。目前垃圾焚烧系统易腐蚀部位一般选用低牌号不锈钢或镍基合金，但低牌号不锈钢耐腐蚀性较差，需要经常更换，而镍基合金虽然耐蚀性能优异，但造价昂贵，大幅增加了设备的成本。作为一种高合金不锈钢，超级奥氏体不锈钢254SMO具有优异的耐腐蚀性能和优良的综合力学性能，可以媲美镍基合金，并且造价相对较低，有望部分替代镍基合金成为换热设备的首选材料。然而，关于金属材料在垃圾焚烧环境中的高温腐蚀行为研究仅局限于低牌号不锈钢和镍基合金，254SMO在此方面的研究甚少。因此，系统研究254SMO在垃圾焚烧环境中的高温腐蚀行为，阐明其腐蚀机理很有必要，可为该钢种在垃圾焚烧系统中的应用提供理论指导。 本研究利用HSC6.0和Thermo-Calc软件进行热力学计算，用以判断反应发生的可能性和腐蚀产物的稳定性。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)和透射电镜(TEM)分别研究钢在高温混合盐和高温混合气体中的腐蚀行为，通过对腐蚀动力学曲线、试样腐蚀后宏观形貌、腐蚀产物层的微观形貌和成分及析出相类型的分析，揭示了254SMO在混合盐和混合气体中的高温腐蚀行为，阐明了相关腐蚀机理。 HSC6.0软件计算结果表明，254SMO中各合金元素在400～1000℃均能与O2和Cl2反应，氧化物的稳定顺序为:Cr2O3＞Mn2O3＞FeO＞MoO2＞Fe2O3＞NiO＞MoO3。氯化物的稳定顺序为:CrCl2＞FeCl2＞NiCl2＞CrCl3＞FeCl3。随着温度升高，生成氧化物与氯化物所需氧分压和氯分压都逐渐升高。Thermo-Calc软件计算结果表明，钢中存在Laves、σ、x、Cr2N析出相。 254SMO在混合盐环境中，400℃和600℃时腐蚀并不严重:400℃时试样基本未发生反应，腐蚀增重基本未零，表面物质仅为混合盐;600℃时试样腐蚀增重略微增加，腐蚀以氯化反应为主，但温度较低，反应速率较慢，且氧化层较致密，Cl2自催化作用较小，腐蚀程度较轻。800～1000℃时在12h之前腐蚀较轻，腐蚀机理与600℃相同。12h之后试样腐蚀增重率显著提高，腐蚀以氧化反应为主，而且温度越高，氧化腐蚀越严重。Cr2O3的生长应力增加导致腐蚀产物层开裂或剥落，Laves相、σ相、x相和Cr2N的形成导致其周围基体Cr和Mo贫化，加速了氧化腐蚀反应的进行，试样发生灾难性氧化。 254SMO在混合气体环境中，400℃和600℃时试样腐蚀增重较小。400℃时温度较低，基体中Fe、Cr原子及O2、Cl2扩散缓慢，试样与HCl气体几乎不发生反应，腐蚀增重量基本为零;600℃时试样局部区域发生腐蚀，生成了少量氧化物，相比400℃时腐蚀增重率略有提高。800℃和1000℃时试样腐蚀增重较大，基体中Fe、Cr原子及O2、Cl2扩散速度更快，腐蚀反应速度剧烈增加，表面形成完整的腐蚀产物层。800℃时腐蚀呈抛物线规律，腐蚀产物较致密且粘附性好，对基体起一定保护作用。1000℃时呈线性规律，较大应力Cr2O3的形成破坏腐蚀产物层的致密性和完整性。另外，析出相的形成起到加速腐蚀的作用。 综合上述分析，254SMO在高温盐环境中，400℃和600℃腐蚀较轻，800℃-1000℃12h后腐蚀程度剧烈增加。在高温气体环境中，400℃基本不反应，600℃时腐蚀十分轻微，而800℃和1000℃时腐蚀增重较大。因此该钢在垃圾焚烧环境的应用温度应不超过600℃。
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