生活垃圾焚燒爐爐排塊材質性能分析

陳宇翔

（上海康恒環境股份有限公司，上海 201703）

0 引言

采用焚燒的方式來處理固廢，是實現其無害化、減量化、資源化的有效手段，在國內已得到很大的重視[1]。機械爐排爐技術因具有完善可靠、容量大、對垃圾適應能力強的特點，成為了垃圾焚燒的主要處理手段。截至2019年11月，全國46個垃圾分類重點城市居民小區垃圾分類覆蓋率達53.9%；30個城市已出臺垃圾分類地方性法規；16個城市將垃圾分類列入計劃；237個地級市啟動垃圾分類[2]。近年來，國內對垃圾分類愈發重視，垃圾也從高水分、低熱值往高熱值、低水分的趨勢發展，為了提高電廠的經濟效益，部分電廠會摻燒適當的污泥、建筑垃圾和餐廚垃圾等。而爐排塊作為機械爐排的重要部件之一，勢必要對其性能的增強進行研究。

爐排塊位于爐排表面，垃圾覆蓋于爐排塊上表面進行燃燒，下表面又有一次風，所以爐排塊表面的溫度會低于爐膛內部的溫度。在爐排塊表面均勻設置幾個溫度監測裝置，在焚燒爐運行時進行實時監控，如圖1所示，運行過程中爐內溫度最高約為950℃，而爐排塊表面溫度在200～500℃，未超過500℃。隨著垃圾熱值的升高，爐膛的溫度將得到提高，爐排塊表面溫度推測將在500℃左右，爐排塊長時間在高溫的環境中工作，在熱風的作用下腐蝕將進一步加強，且垃圾成分復雜，對爐排塊的意外損傷也頻繁存在，所以要求爐排塊有較好的耐高溫、耐腐蝕、抗氧化性、抗沖擊和抗拉強度。因此，根據垃圾燃燒工況對爐排塊材質性能的要求，分別對QT450、HZ922TS、SCH11 3種材質進行合金的力學性能分析，為爐排塊材質的進一步優化設計提供理論依據。

圖1 HZ922TS爐排塊24 h爐膛內溫度及爐排塊表面溫度

1 試驗

1.1 試樣制造

選用剛澆鑄的鑄態HZ922TS爐排和在爐內使用兩年并存在一定磨損后的HZ922TS爐排塊割取試樣，且制作QT450和SCH11的爐排塊割取試樣，試樣如圖2～4所示。

1.2 試驗方法

圖2 標準沖擊試樣，10 mm×10 mm×55 mm

圖3 室溫力學性能拉伸試樣，φ12.5 mm×99 mm

圖4 布什硬度試樣，⌒70 mm_50 mm

采用線切割和加工分別在鑄態HZ922TS、使用后HZ922TS、QT450、SCH11上割取金相試樣φ10 mm×10 mm，經鑲嵌、磨拋和化學試劑腐蝕后置于光學顯微鏡下，依據GB/T13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》觀察其組織形貌。依據GB/T11170-2008《不銹鋼多元素含量的測定火花放電原子發射光譜法》、GB/T20123-2006《鋼鐵總碳硫量的測定高頻感應爐燃燒后紅外吸收法》檢測其主要成分含量。在拉伸測試儀上，依據GB/T228-2002《金屬拉伸試驗方法》，測試合金鑄件的常溫拉伸性能拉伸速率為1 mm/min[3]，如圖3所示。在沖擊試驗機上測量合金沖擊值，沖擊試驗機打擊能量為300 J，并依據GB/T231.1-2018《金屬材料布氏硬度試驗第1部分：試驗方法》檢測合金鑄件的布氏硬度。以上測試項各取3個試樣，測試結果為3個試樣測試之后的平均值。并在掃描電鏡上觀察各合金沖擊試驗和拉伸試驗的斷口形貌。

2 試驗結果

2.1 化學成分

各合金爐排塊的主要化學成分如表1所示。

表1 各合金爐排塊的主要化學成分

對奧氏體耐熱鋼來說，抗高溫氧化腐蝕是決定材料壽命的主要因素。一般隨著溫度的升高，材料的高溫氧化腐蝕越嚴重，如果鋼的表面形成了FeO，鋼的氧化速度會劇增，由于FeO為鐵的缺位固溶體，故鐵離子具有很高的擴散系數，則氧化層容易剝落，從而降低鋼的持久蠕變強度。Cr和Ni的氧化物致密，不會從材料表層脫落。目前的研究認為鋼中的Cr含量大于或等于20%時或在管子內外表層鍍Cr，可有效阻止鋼中形成Fe的氧化物，獲得比較滿意的抗高溫氧化性能[4]。

2.2 合金顯微組織

各合金材質的爐排塊取段處理后的金相組織結構如圖5所示。使用后HZ922TS顯微組織主要以片層狀的奧氏體+碳化物產物體現，如圖5（a）所示，在經過工況使用后，相當于熱處理后形成的以奧氏體為基體內分布著均勻碳化物顆粒。鑄態HZ922TS顯微下呈現的是以顏色較亮的奧氏體和部分不連續分布的碳化物，如圖5（b）所示。QT450的顯微組織可看出，球化級別為5級，即球化率約60%，石墨大小約為5級，在經過化學試劑侵蝕后可觀察出在顯微組織為鐵素體+珠光體+極少量的碳化物，其中珠光體數量大于30%～40%，碳化物數量小于1%，如圖5（c）所示。SCH11在顯微下主要以奧氏體+鐵素體+合金碳化物為主，如圖5（d）所示。

圖5 合金的鑄態金相組織

2.3 合金室內溫度力學性能

各合金的常溫力學性能測試結果如表2所示，可以看出：

表2 各合金爐排塊的力學性能

（1）鑄態HZ922TS的爐排塊在抗拉強度和沖擊韌度等力學性能上較在工況條件下使用2年過后的使用后HZ922TS的力學性能要高，由此可見，在使用過后，抗拉強度和沖擊韌性輕微降低；

（2）HZ922TS、QT450、SCH11 3種合金中，SCH11的抗拉強度和常溫下沖擊韌性較高，而HZ922TS的硬度較高沖擊韌性較低，QT450的抗拉強度較低硬度較低。

采用掃描電鏡觀察合金的沖擊及拉伸斷口微觀形貌，結果如圖6～7所示。HZ922TS顯示纖維狀的斷面，斷口沒有金屬光澤，色質灰暗，呈現為解理特征屬塑性斷裂。QT450斷口呈晶粒狀有強烈反光的解里刻面，呈現“河流花樣”的紋理，顯示為解理特征屬于脆性斷裂，脆性較高。SCH11顯示大量微坑狀斷面，呈現韌窩特征，塑性較高。

圖6 合金SEM沖擊斷口形貌

圖7 合金SEM拉伸斷口形貌

2.4 合金工作溫度下的沖擊韌度

機械垃圾焚燒爐對爐排塊的要求除了具有一定的抗磨性、抗氧化性、抗拉強度等性能以外，對爐排塊的沖擊韌度也有較高的要求，高強度的沖擊韌度可大大降低部分工業垃圾、結塊垃圾等對爐排造成意外的損壞，能進一步地降低爐排塊的損壞率。針對沖擊韌度對3種不同成分合金做出不同溫度條件的測試，結果如圖8所示。

圖8 合金不同工作溫度下的沖擊韌度變化曲線

由此看出，在常溫至700℃的范圍內，SCH11的合金隨著溫度的升高，沖擊韌度呈線性提升，在該溫度區間內，SCH11具有更強的力學性能；而QT450在常溫至300℃，沖擊韌度逐漸上升，但是在300～700℃時，沖擊韌度趨于平穩不再增高；HZ922TS在常溫至500℃間的沖擊韌度存在上升500℃后趨于停止增加，且沖擊韌度在3種材質中較低。在一定的工作溫度中，SCH11能適應更高的溫度且力學性能隨著溫度的升高而升高，而QT450和HZ922TS在達到一定的溫度后，性能不再增加，達到峰值。

3 分析結果

從金相看出，鑄態HZ922TS晶體較為清晰，紋路明顯，使用后HZ922TS背景較為渾濁，晶體變大產生部分碳化物顆粒，組織結構基本未發生變化，說明HZ922TS材質的爐排塊在使用2年后未發生明顯質變，使用效果較好。SCH11主要以奧氏體為主，沿著晶界產生白色點狀的高溫合金碳化物，主要為鉻和鎳成分，在進一步高溫使用或熱處理后會進一步融合，耐熱、耐磨、耐腐蝕的性能進一步提高，在高溫使用狀態下，有更高強度的力學性能，能更適用國內垃圾條件的發展趨勢[5]。QT450含碳量較高，更加耐燒，但是力學性能明顯較低，很難符合國內現有垃圾條件，極易出現爐排損壞的情況，而在高溫情況下QT450的力學性能達到一定溫度后存在峰值，性能不再提高。HZ922TS性能較其他2種材質較為適中，與QT450相似，當達到一定溫度時沖擊韌度達到峰值不再提高，且整體沖擊韌度較另2種材質低。斷口的特征分析，SCH11呈韌窩特征，塑性較高；QT450斷面整齊，屬于脆性斷裂，脆性較大；HZ922TS斷面呈現限位狀，性能適中。

4 結束語

本文通過對生活垃圾焚燒爐爐排塊材質性能進行分析，得出結論如下。

（1）HZ922TS使用2年后，在爐內長期的高溫和腐蝕情況下，化學成分和力學性能未出現較大的改變和降低，在爐排塊磨損量滿足一定要求之內，該材質的爐排塊使用壽命較為可觀。

（2）HZ922TS、QT450、SCH11的 硬 度 分 別 為391.2 HBW、206.4 HBW、282 HBW，常溫下沖擊韌度分別為3.2 J/cm2、4.4 J/cm2、8.5 J/cm2，常溫下抗拉強度分別為830.4 MPa、594 MPa、801.6 MPa。

（3）在常溫-700℃的工作溫度下，SCH11的沖擊強度較HZ922TS和QT450要高，而且隨著溫度的上升，SCH11的沖擊韌度持續上升。

（4）QT450脆性較高，不適合現有垃圾工況，易發生斷裂。HZ922TS性能適中，但是硬度較高，雖然適用目前垃圾燃燒，但是可塑性較低，對爐排塊的結構設計局限性較大。SCH11性能較高，且可塑性較高，能較好地滿足垃圾燃燒需要的性能特征和結構特征。

（5）3種合金中HZ922TS適應性適中，但是SCH11更能適應垃圾焚燒的工況，且隨著垃圾焚燒行業的發展，具有更好的強度韌性，使用壽命較另外2種高。