生活垃圾焚烧炉炉排块材质性能分析

陈宇翔

（上海康恒环境股份有限公司，上海 201703）

0 引言

采用焚烧的方式来处理固废，是实现其无害化、减量化、资源化的有效手段，在国内已得到很大的重视[1]。机械炉排炉技术因具有完善可靠、容量大、对垃圾适应能力强的特点，成为了垃圾焚烧的主要处理手段。截至2019年11月，全国46个垃圾分类重点城市居民小区垃圾分类覆盖率达53.9%；30个城市已出台垃圾分类地方性法规；16个城市将垃圾分类列入计划；237个地级市启动垃圾分类[2]。近年来，国内对垃圾分类愈发重视，垃圾也从高水分、低热值往高热值、低水分的趋势发展，为了提高电厂的经济效益，部分电厂会掺烧适当的污泥、建筑垃圾和餐厨垃圾等。而炉排块作为机械炉排的重要部件之一，势必要对其性能的增强进行研究。

炉排块位于炉排表面，垃圾覆盖于炉排块上表面进行燃烧，下表面又有一次风，所以炉排块表面的温度会低于炉膛内部的温度。在炉排块表面均匀设置几个温度监测装置，在焚烧炉运行时进行实时监控，如图1所示，运行过程中炉内温度最高约为950℃，而炉排块表面温度在200～500℃，未超过500℃。随着垃圾热值的升高，炉膛的温度将得到提高，炉排块表面温度推测将在500℃左右，炉排块长时间在高温的环境中工作，在热风的作用下腐蚀将进一步加强，且垃圾成分复杂，对炉排块的意外损伤也频繁存在，所以要求炉排块有较好的耐高温、耐腐蚀、抗氧化性、抗冲击和抗拉强度。因此，根据垃圾燃烧工况对炉排块材质性能的要求，分别对QT450、HZ922TS、SCH11 3种材质进行合金的力学性能分析，为炉排块材质的进一步优化设计提供理论依据。

图1 HZ922TS炉排块24 h炉膛内温度及炉排块表面温度

1 试验

1.1 试样制造

选用刚浇铸的铸态HZ922TS炉排和在炉内使用两年并存在一定磨损后的HZ922TS炉排块割取试样，且制作QT450和SCH11的炉排块割取试样，试样如图2～4所示。

1.2 试验方法

图2 标准冲击试样，10 mm×10 mm×55 mm

图3 室温力学性能拉伸试样，φ12.5 mm×99 mm

图4 布什硬度试样，⌒70 mm_50 mm

采用线切割和加工分别在铸态HZ922TS、使用后HZ922TS、QT450、SCH11上割取金相试样φ10 mm×10 mm，经镶嵌、磨抛和化学试剂腐蚀后置于光学显微镜下，依据GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》观察其组织形貌。依据GB/T11170-2008《不锈钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法》、GB/T20123-2006《钢铁总碳硫量的测定高频感应炉燃烧后红外吸收法》检测其主要成分含量。在拉伸测试仪上，依据GB/T228-2002《金属拉伸试验方法》，测试合金铸件的常温拉伸性能拉伸速率为1 mm/min[3]，如图3所示。在冲击试验机上测量合金冲击值，冲击试验机打击能量为300 J，并依据GB/T231.1-2018《金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》检测合金铸件的布氏硬度。以上测试项各取3个试样，测试结果为3个试样测试之后的平均值。并在扫描电镜上观察各合金冲击试验和拉伸试验的断口形貌。

2 试验结果

2.1 化学成分

各合金炉排块的主要化学成分如表1所示。

表1 各合金炉排块的主要化学成分

对奥氏体耐热钢来说，抗高温氧化腐蚀是决定材料寿命的主要因素。一般随着温度的升高，材料的高温氧化腐蚀越严重，如果钢的表面形成了FeO，钢的氧化速度会剧增，由于FeO为铁的缺位固溶体，故铁离子具有很高的扩散系数，则氧化层容易剥落，从而降低钢的持久蠕变强度。Cr和Ni的氧化物致密，不会从材料表层脱落。目前的研究认为钢中的Cr含量大于或等于20%时或在管子内外表层镀Cr，可有效阻止钢中形成Fe的氧化物，获得比较满意的抗高温氧化性能[4]。

2.2 合金显微组织

各合金材质的炉排块取段处理后的金相组织结构如图5所示。使用后HZ922TS显微组织主要以片层状的奥氏体+碳化物产物体现，如图5（a）所示，在经过工况使用后，相当于热处理后形成的以奥氏体为基体内分布着均匀碳化物颗粒。铸态HZ922TS显微下呈现的是以颜色较亮的奥氏体和部分不连续分布的碳化物，如图5（b）所示。QT450的显微组织可看出，球化级别为5级，即球化率约60%，石墨大小约为5级，在经过化学试剂侵蚀后可观察出在显微组织为铁素体+珠光体+极少量的碳化物，其中珠光体数量大于30%～40%，碳化物数量小于1%，如图5（c）所示。SCH11在显微下主要以奥氏体+铁素体+合金碳化物为主，如图5（d）所示。

图5 合金的铸态金相组织

2.3 合金室内温度力学性能

各合金的常温力学性能测试结果如表2所示，可以看出：

表2 各合金炉排块的力学性能

（1）铸态HZ922TS的炉排块在抗拉强度和冲击韧度等力学性能上较在工况条件下使用2年过后的使用后HZ922TS的力学性能要高，由此可见，在使用过后，抗拉强度和冲击韧性轻微降低；

（2）HZ922TS、QT450、SCH11 3种合金中，SCH11的抗拉强度和常温下冲击韧性较高，而HZ922TS的硬度较高冲击韧性较低，QT450的抗拉强度较低硬度较低。

采用扫描电镜观察合金的冲击及拉伸断口微观形貌，结果如图6～7所示。HZ922TS显示纤维状的断面，断口没有金属光泽，色质灰暗，呈现为解理特征属塑性断裂。QT450断口呈晶粒状有强烈反光的解里刻面，呈现“河流花样”的纹理，显示为解理特征属于脆性断裂，脆性较高。SCH11显示大量微坑状断面，呈现韧窝特征，塑性较高。

图6 合金SEM冲击断口形貌

图7 合金SEM拉伸断口形貌

2.4 合金工作温度下的冲击韧度

机械垃圾焚烧炉对炉排块的要求除了具有一定的抗磨性、抗氧化性、抗拉强度等性能以外，对炉排块的冲击韧度也有较高的要求，高强度的冲击韧度可大大降低部分工业垃圾、结块垃圾等对炉排造成意外的损坏，能进一步地降低炉排块的损坏率。针对冲击韧度对3种不同成分合金做出不同温度条件的测试，结果如图8所示。

图8 合金不同工作温度下的冲击韧度变化曲线

由此看出，在常温至700℃的范围内，SCH11的合金随着温度的升高，冲击韧度呈线性提升，在该温度区间内，SCH11具有更强的力学性能；而QT450在常温至300℃，冲击韧度逐渐上升，但是在300～700℃时，冲击韧度趋于平稳不再增高；HZ922TS在常温至500℃间的冲击韧度存在上升500℃后趋于停止增加，且冲击韧度在3种材质中较低。在一定的工作温度中，SCH11能适应更高的温度且力学性能随着温度的升高而升高，而QT450和HZ922TS在达到一定的温度后，性能不再增加，达到峰值。

3 分析结果

从金相看出，铸态HZ922TS晶体较为清晰，纹路明显，使用后HZ922TS背景较为浑浊，晶体变大产生部分碳化物颗粒，组织结构基本未发生变化，说明HZ922TS材质的炉排块在使用2年后未发生明显质变，使用效果较好。SCH11主要以奥氏体为主，沿着晶界产生白色点状的高温合金碳化物，主要为铬和镍成分，在进一步高温使用或热处理后会进一步融合，耐热、耐磨、耐腐蚀的性能进一步提高，在高温使用状态下，有更高强度的力学性能，能更适用国内垃圾条件的发展趋势[5]。QT450含碳量较高，更加耐烧，但是力学性能明显较低，很难符合国内现有垃圾条件，极易出现炉排损坏的情况，而在高温情况下QT450的力学性能达到一定温度后存在峰值，性能不再提高。HZ922TS性能较其他2种材质较为适中，与QT450相似，当达到一定温度时冲击韧度达到峰值不再提高，且整体冲击韧度较另2种材质低。断口的特征分析，SCH11呈韧窝特征，塑性较高；QT450断面整齐，属于脆性断裂，脆性较大；HZ922TS断面呈现限位状，性能适中。

4 结束语

本文通过对生活垃圾焚烧炉炉排块材质性能进行分析，得出结论如下。

（1）HZ922TS使用2年后，在炉内长期的高温和腐蚀情况下，化学成分和力学性能未出现较大的改变和降低，在炉排块磨损量满足一定要求之内，该材质的炉排块使用寿命较为可观。

（2）HZ922TS、QT450、SCH11的 硬 度 分 别 为391.2 HBW、206.4 HBW、282 HBW，常温下冲击韧度分别为3.2 J/cm2、4.4 J/cm2、8.5 J/cm2，常温下抗拉强度分别为830.4 MPa、594 MPa、801.6 MPa。

（3）在常温-700℃的工作温度下，SCH11的冲击强度较HZ922TS和QT450要高，而且随着温度的上升，SCH11的冲击韧度持续上升。

（4）QT450脆性较高，不适合现有垃圾工况，易发生断裂。HZ922TS性能适中，但是硬度较高，虽然适用目前垃圾燃烧，但是可塑性较低，对炉排块的结构设计局限性较大。SCH11性能较高，且可塑性较高，能较好地满足垃圾燃烧需要的性能特征和结构特征。

（5）3种合金中HZ922TS适应性适中，但是SCH11更能适应垃圾焚烧的工况，且随着垃圾焚烧行业的发展，具有更好的强度韧性，使用寿命较另外2种高。