| 鋼廠煉鋼電爐除塵設備系統(tǒng)所用的調節(jié)閥（PA及QA調節(jié)閥各兩臺）。該設備形狀近似長方體（3500x1190x1100mm），其作用是將電爐所排出的廢氣在進入除塵系統(tǒng)之前通過閥體內部風葉角度的變化來控制煙氣風量的大小。該調節(jié)閥的作業(yè)環(huán)境非常惡劣，排出的煙氣不僅溫度高（400℃以上），而且還含有SO2等腐蝕性*的氣體，另外煙氣里還夾雜有一定量的粉塵顆粒。據(jù)日方技術人員介紹，以前未采用任何防護措施的調節(jié)閥，用16mm厚的鋼板制成的殼體，使用僅三至四個月，zui多不超過半年，就因穿孔而報廢。 2 調節(jié)閥失效原因分析 2.1 高溫氧化 2.1.1高溫氧化過程 氧化是金屬表面與接觸氣體（如O2）間的化學反應過程。 M+n/2O2 →MOn （1） 在這個過程中，總是金屬M失去電子，化合價生高，使表面金屬轉變?yōu)榻饘倥c相應氣體的化合物。結果使金屬表面狀態(tài)受到破壞，所以氧化又稱化學腐蝕或氣體腐蝕。調節(jié)閥所處的工況環(huán)境，遭受高溫氧化作用是避免不了的。 金屬的氧化在常溫大氣中既會發(fā)生。但在高溫下，由于物質擴散及電導率隨著溫度的升高而呈指數(shù)函數(shù)關系而增加，氧化速度也有類似的關系。因此在高溫下，金屬遭受的氧化破壞作用也就越嚴重。 碳鋼的高溫氧化，主要是其中鐵原子與氧生成化合物的過程，因此與純鐵的高溫氧化特征類似，生成多相多層氧化膜。純鐵在空氣或氧氣中緩慢加熱，氧化經(jīng)下列階段。 （2）溫度在200~400℃，發(fā)生了相變，γ-Fe2（3）當溫度在400~575℃范圍內，在α-Fe2（4）當溫度>575℃，在Fe3 O4膜層之下，開始生成FeO膜層。氧化膜由FeO-Fe3O4-α-Fe2O3三層組成。O3膜層之下，F(xiàn)e3O4膜層生長為較厚膜層。
O3轉變?yōu)?alpha;-Fe2O3，形肝Fe3O4-α-Fe2O3兩層結構。
（1）加熱到200℃之前，緩慢地生成γ-Fe2O3薄氧化膜，繼而生成雙層氧化膜Fe3O4-γ-Fe2O3，氧化動力學服從對數(shù)速度定律，屬于低溫氧化階段。
溫度超過375℃以后，氧化速度遵守拋物線速度定律。 2.1.2 氧化膜的性質及對高溫氧化過程的影響 通常在材料表面形成的氧化物有氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種狀態(tài)。顯然氣態(tài)和液態(tài)氧化物在高溫下會從金屬表面揮發(fā)和流失，則金屬表面繼續(xù)暴露在氧化氣氛中，氧化將迅速進行，氧化產(chǎn)物起不到保護作用。只有氧化產(chǎn)物是固態(tài)，在金屬表面形成一層完整的氧化膜，阻止氧化氣氛對材料表面的進一步氧化，才有可能起到一定的保護作用。因此，生成氧化膜的完整性與致密性是決定其能否具有保護作用的先決條件，其次，膜的晶體結構、電子結構以及膜的厚度、膜與金屬間的相對熱膨脹系數(shù)、膜的生長應力等力學性能因素綜合影響氧化速度。 Pilling與Bedworth（1923年）zui先注意到氧化膜的完整性問題，并提出金屬原子的體積（VM ）與其生成氧化物分子的體積（Vox）比（Vox：VM）－PBR，作為氧化膜完整性與致密性判據(jù)。PBR<1，主要是堿金屬與堿土金屬，氧化膜不能*覆蓋金屬表面，稱為開豁性金屬，氧化膜不具保護性。PBR≥1，可生成連續(xù)致密具有保護作用的氧化膜。但PBR值過大，氧化膜中內應力增大，當應力超過了氧化膜的結合強度，容易造成氧化膜開裂與剝落，此時便又失去了氧化膜的保護作用。 碳鋼中，鐵與其氧化物的PBR值均大于1，故鐵的各相氧化物膜層均具有保護作用。此時從反應動力學方面決定氧化反應速度大小的關鍵因素便是由氧化膜本身晶體結構決定的物質在其中的擴散速度（系數(shù)）。在高溫下生成的FeO相中，鐵的擴散系數(shù)遠遠大于在Fe3O4與Fe2O3相中的擴散系數(shù)。故FeO膜層的生長速度也大大快于Fe3O4中間層與Fe203面層。三者的厚度比為100：10：1或95：4：1。這也是在高溫下鋼鐵氧化速度加劇的原因。 另外，從應力角度考慮，反應生成的單相氧化膜比多相氧化膜保護作用更好。但由于鋼鐵表面形成的氧化膜是多相多層結構，在熱應力作用下，由于熱膨脹系數(shù)的差異，氧化膜層與基體以及多層氧化膜之間會產(chǎn)生很大的內應力；加之氣流的沖刷，很容易造成氧化膜破裂及剝落。而且當鐵中含有微量元素如碳或氫，甚至氣相中的碳與氫，都會影響鐵氧化膜與鐵之間的粘附性，這主要是界面由空位凝聚形成空洞降低了氧化膜與鐵基體間的附著面積而導致粘附性降低。這也是導致在碳鋼基體表面形成的氧化膜容易脫落的原因。 因此，碳鋼材料制成的調節(jié)閥在這種情況下，氧化過程必然加劇，從而造成過早失效。 2.2 高溫硫化 煙氣中的SO2等含硫氣體會對調節(jié)閥基體產(chǎn)生高溫硫化（屬廣義高溫氧化一種）作用。在這種情況下，調節(jié)閥的工況環(huán)境比單純氧化（即狹義高溫氧化）更加苛刻。 雖然煙氣中SO2等含硫氣體的含量比氧氣含量要小的多，故氧分壓比硫分壓要高很多，從反應熱力學上具有很高的氧化性，首成具有保護性的氧化膜；但硫進入氧化膜，容易造成膜下氧分壓低從而產(chǎn)生硫化，即產(chǎn)生嚴重的氧化—硫化腐蝕。此時生成的膜由氧化物、硫化物和基體金屬相組成。這種非均質的厚膜無保護作用，從而更加造成調節(jié)閥的氧化破壞進程加速。 金屬產(chǎn)生高溫硫化之所以比單純高溫氧化更為嚴重，是由生成硫化膜的性質決定的。 （1）金屬硫化物與其氧化物在物理化學性質上zui主要的不同是金屬硫化物中晶格缺陷濃度高，這一特點直接影響到硫與金屬離子經(jīng)由硫化膜的擴散傳質。故導致反應動力學方面其中的自擴散系數(shù)較在氧化物中高數(shù)個量級，造成金屬的硫化速度比氧化速度高數(shù)倍之多。
（2）金屬硫化物的熔點較其氧化物的熔點低，而且容易和基體金屬形成熔點更低的低熔共晶，這必然導致金屬硫化反應在較低溫度出現(xiàn)，造成基體金屬急劇侵蝕。
（3）金屬硫化物的PBR值（金屬硫化物的體積：反應金屬的體積）一般都大于2.5，如此大的體積比，導致硫化膜產(chǎn)生大的生長應力而容易造成硫化膜開裂與剝落。
（4）金屬硫化膜的生成自由能相差較小，不利于選擇硫化生成保護性硫化膜，而且其蒸氣壓較高，使膜的致密性與完整性受損。 2.3 沖刷腐蝕 沖刷腐蝕（亦稱磨蝕）的產(chǎn)生來自氣流中具有一定能量的固體質點。未經(jīng)除塵處理的煙氣中含有大量粉塵顆粒，在氣流帶動下，不斷沖擊閥體內表面，不斷破壞碳鋼表面上生成的具有保護性作用的氧化物薄膜，這也是造成調節(jié)閥過早失效的一個重要原因。 3 涂層防護系統(tǒng)的確定 如前所述，金屬在常溫狀態(tài)下即發(fā)生氧化，高溫狀態(tài)下更加劇了這種反應過程。因此形成的氧化膜的特性便決定了金屬或者合金的抗高溫氧化特性。在抗高溫氧化合金的發(fā)展過程中，人們逐漸認識到，能形成Cr2O3、α-Al2O3及SiO2的合金具有優(yōu)良的抗高溫氧化性能。 Ni-Cr系合金是一類逐漸發(fā)展起來的性能優(yōu)良的耐高溫合金。這類合金充分利用了高溫下生成的穩(wěn)定、完整而致密的Cr2O3膜層出色的保護作用。這種保護作用歸根結底歸功于Cr2O3膜層晶體結構中晶格缺陷很少、傳質擴散系數(shù)極低的緣故。 這類合金具備抗高溫氧化性能的條件是其中Cr含量必須大于15%，因這時在高溫氧化過程中，僅生成穩(wěn)定而連續(xù)致密的單相Cr2O3膜層，故合金的氧化速度顯著降低，且并不隨Cr含量的進一步提高而繼續(xù)降低。80Ni-20Cr抗高溫合金便是基與此發(fā)展起來并得到廣泛的應用。把Cr含量提高到20%，是為了防止Cr2O3膜局部破損時，合金具有再生修復保護性Cr2O3膜的能力。但Cr2O3在更高溫度（950℃以上）會進一步氧化，生成揮發(fā)性CrO3，從而失去Cr2O3膜的保護作用，因此，80Ni-20Cr抗高溫合金的使用溫度不宜超過1000℃。 確定采用80Ni-20Cr抗高溫合金作為調節(jié)閥的保護功能涂層，除主要滿足抗高溫氧化性能的要求以外，而且能滿足涂層使用可靠性的要求。因為80Ni-20Cr噴涂層有一個突出的優(yōu)點，那便是與基體金屬有很高的結合強度，在熱噴涂技術應用方面，常用作其他功能涂層的結合底層材料。另外，80Ni-20Cr合金硬度較高，噴涂的涂層硬度較材料自身硬度又提高15~20%，具有一定的抗顆粒沖刷磨損性能。 zui終確定的調節(jié)閥涂層保護系統(tǒng)為： （1）熱噴涂80Ni-20Cr合金400μm；
（2）901耐高溫防腐封閉劑三道封閉處理。 在這里，封閉劑的作用一方面是用來封閉噴涂層的微孔，同時其本身也是一種很好的耐溫耐腐蝕材料，可進一步提高噴涂層的保護性能。901封閉劑是以漆酚樹脂為基料并加入耐溫填料和其他助劑而形成的一種高分子改性材料，其耐溫性接近有機硅樹脂，但耐腐蝕性能遠優(yōu)于有機硅樹脂。 4 涂層結合性能實驗 熱噴涂層結合性能包括涂層與基體之間的結合強度以及涂層層間的結合強度，是單位面積上的結合力，反映涂層的力學性能。該試驗的目的是考察80Ni-20Cr噴涂層與基體的結合性能是否能滿足調節(jié)閥在高溫工況條件下的使用要求。 試件采用φ40x40mm的標準試件制備。每組試件由兩個試件組成，每個試件的一端中心加工螺孔，以便于與拉伸實驗機夾具連接，另一端面均進行噴砂粗化處理，并在其中一試件的端面噴涂80Ni-20Cr涂層（涂層厚度大于400μm）。然后在噴涂層表面和另一試件的噴砂表面均勻抹涂一層強力高分子合金粘接劑（英國E.Wood公司Metal-TechEG高分子合金復合材料），并將這兩個粘合面（軸心吻合）加以適當壓力使其充分粘合，勿使氣泡殘留在粘結劑中，待固化后可進行拉力試驗。 該實驗在拉伸實驗機上進行。在試件兩端安裝拉伸夾具，將其裝到拉伸實驗機上，以約9807N/min的加載速度，或以1mm/min的拉伸速度拉伸，直至試樣拉開（涂層剝離），記下破斷時的載荷。實驗結果如表一所示。 表一 80Ni-20Cr噴涂層拉伸結合強度（MPa） | 編號 | *組 | 第二組 | 第三組 | 第四組 | 第五組 | | 試驗結果 | 23.30 | 25.20 | 23.50 | 19.6 | 21.20 | | 平均值 | 22.56 |
試驗結果表明，80Ni-20Cr噴涂層與碳鋼基體的結合強度達到二級（20~30MPa），*高溫使用涂層結合強度的要求，也同時打消了日方技術人員的顧慮。 5調節(jié)閥涂層制備工藝 涂層制備工藝分為基體表面處理、80Ni-20Cr合金噴涂及涂層封閉三個步驟。 5.1基體表面處理 采用壓力式噴砂設備對調節(jié)閥內壁待噴涂表面進行噴砂處理，*清除表面氧化皮及污物，直至呈現(xiàn)均一的金屬本色和均勻的粗糙度，達到國標噴砂除銹處理等級Sa3級。 5.280Ni-20Cr合金噴涂 噴砂之后，立即進行80Ni-20Cr合金噴涂。噴涂采用線材噴涂工藝，噴槍使用國產(chǎn)QX-1中速氣噴槍，線材規(guī)格為φ2.3mm。 噴涂操作應保證噴涂層細密且厚度均勻，不允許出現(xiàn)大熔滴、翹皮、裂紋等影響涂層使用的缺陷。噴涂層用測厚儀檢測達到設計厚度后，便可進行涂層封閉施工。 5.3涂層封閉處理 涂層封閉采用刷涂工藝。*道封閉施工，封閉劑粘度要低一些，以利于封閉劑滲入到噴涂層的微孔中。在*道封閉劑初固化后，便可進行下一道封閉劑的施工。封閉劑的施工應保證刷涂層光滑平整、無漏涂、流墜以及起皺等缺陷。 6應用效果 80Ni-20Cr涂層防護的調節(jié)閥，于2002年三月份在日本住友金屬工業(yè)株式會社投入運行，使用壽命達到近兩年的時間，遠遠超過預期效果。目前正在使用的是轉年年底制造的調節(jié)閥，運行情況良好。 7結論 （1）調節(jié)閥失效的主要原因是高溫煙氣產(chǎn)生的高溫氧化、高溫硫化以及顆粒沖刷磨損。
（2）熱噴涂80Ni-20Cr合金，能很好的滿足調節(jié)閥的使用性能要求。這主要歸功于該合金在高溫氧化過程中生成的穩(wěn)定、完整而致密的Cr2O3膜層出色的保護作用；熱噴涂80Ni-20Cr合金與基體良好的結合強度，保證了保護層的使用可靠性。
（3）該技術對于類似工況條件運行設備（如電站鍋爐“四管”，即水冷壁管、過熱器管、再熱器管及省煤器管）的保護，有著廣闊的應用前景。 | 
