25-20耐热钢的性能测试及在水泥烧成系统中的应用

李晓波，钱伟

目前，耐热钢ZG40Cr25Ni20Si2（简称：25-20）被广泛应用于预热器C4、C5内筒挂片、烟室喂料舌头、回转窑窑头窑尾护板、篦冷机高温段篦板等水泥烧成设备中。在现有资料中仅能查阅到其成分、室温力学性能以及使用温度上限。这对于设计者来说，在设计相关设备时没有更详实的数据作为依据，不利于设备可靠性；对于使用者来说，在规定的上限温度以内使用时，其实际使用效果没有具体数据可参考。

基于上述问题，结合实际工况，对25-20在950℃时的高温拉伸性能、高温抗氧化性能以及高温耐腐蚀性能进行深入研究。

1 常规数据

通过机械设计手册以及金属材料手册，能够查阅到的材料成分以及常温力学性能，分别见表1、2。

表1 25-20的化学成分，wt%

表2 25-20的常温力学性能

2 组织与性能

通过金相组织分析，得知ZG40Cr25Ni20Si2的铸态组织，通过950℃的高温拉伸、高温氧化以及高温腐蚀试验得到该材料的实际性能数据，详述如下：

2.1 金相组织

由图1可以看出，25-20在铸态时为单一的奥氏体组织，温度＞727℃时也不会发生相变，具有良好的组织稳定性。

图1 25-20铸态的金相组织（200×）

2.2 高温力学性能

按照试验标准GB/T 4338-2006《金属材料高温拉伸试验方法》，对25-20进行高温力学性能试验，测试温度为950℃，测试结果见表3。

表3 25-20高温力学性能

2.3 高温抗氧化性能

对试样进行高温抗氧化性能研究，氧化实验在小型箱式电阻炉内进行，试验温度为950℃，连续100h，采用增重法测试其抗氧化性，见图2。

由图2可以看出，连续100h的高温氧化后，25-20的氧化增重为0.744 5mg/cm2。根据HB5258-2000《钢及高温合金的抗氧化性测定试验方法》中的规定，通过氧化增重速率（g/m2·h）可判定其抗氧化级别，见表4、5。

图2 950℃连续100h的氧化动力学曲线图

表5 25-20的抗氧化性（950℃、100h）

通过表4、5可以看出，25-20是一种高温抗氧化性能非常优异的耐热钢，在950℃使用时，氧化膜能够均匀、致密地包覆在基材上，有效地阻隔氧元素。

2.4 高温抗腐蚀性能

对试样进行高温抗腐蚀性能研究，试验在盐雾气氛下进行，由5%NaCl+95%Na2SO4混合后，加蒸馏水配制成盐溶液，均匀地喷涂在试样表面，试验温度为950℃，连续100h，分别做两组试验，采用增重法和减重法测试其抗腐蚀性，见图3、4。

通过图3可知：连续100h腐蚀后，25-20腐蚀增重量为54.932 3mg/cm2。由图4可知：连续100h腐蚀后，25-20 腐蚀减重量为 99.701 2mg/cm2。由图3、4可以看出，25-20在高温腐蚀环境中持续受到腐蚀破坏，不能有效阻止熔盐侵蚀。由图2、3可知，在950℃的腐蚀增重速率约是氧化增重的74倍。

图3 950℃连续100h的腐蚀增重动力学曲线图

图4 950℃连续100h的腐蚀减重动力学曲线图

在腐蚀试验结束后，使用SEM扫描电镜对腐蚀试样进行分析，腐蚀试验后的SEM扫描形貌见图5。通过图5可以看出，在100h腐蚀后，25-20的氧化膜明显被腐蚀产物破坏，这表明，在有S、Cl气氛的工况中，25-20的使用寿命明显缩短，不能够有效地预防腐蚀。

3 应用与改进

通过测试ZG40Cr25Ni20Si2的相关性能，结合水泥烧成设备实际使用工况，调整25-20材料中的元素含量，使其达到较好的使用效果。

3.1 预热器

（1）C4、C5内筒挂片

通常25-20应用在C4、C5内筒上，使用寿命≮1年。一旦遇到入预热器生料中含有腐蚀性元素，生料包覆在挂片表面，导致腐蚀性元素富集，造成使用寿命急速下降，挂片快速失效，见图6。

图5 25-20试样腐蚀试验后的SEM扫描形貌

图6 内筒挂片腐蚀之后的形貌

从图6可以看出，在高温腐蚀性工况下，挂片表面被严重腐蚀，局部产生裂纹，使用寿命仅在3个月左右。使用结果和高温抗腐蚀试验的结果是一致的。

通过查阅资料和文献，发现氯化物主要破坏氧化膜，硫化物腐蚀Ni元素。因此，在有腐蚀工况的环境中，ZG40Cr25Ni20Si2首先要适当降低Ni元素的含量，其次添加Al、Mo、B这三种元素，这样能够有效地提高材料的使用寿命。Al元素的添加是为了形成能够抗氯化物腐蚀的Al2O3膜；Mo、B这两种元素本身能够起到一定的抗腐蚀作用，主要用于强化材料，以弥补Ni元素量的减少。

（2）喂料舌头

预热器烟室的工况温度通常在1 100～1 150℃，虽然喂料舌头表面有一层浇注料保护，但浇注料一旦失效，喂料舌头很快会被烧损。因此，需要提升25-20的耐热性。适当提升Ni元素含量，提高热强性能。添加一定量Al元素，在材料表面形成Al2O3和Cr2O3双层氧化膜。

3.2 回转窑

回转窑的窑头窑尾护板对于材料的高温耐磨性能有较高要求。因此，可以将25-20材料中的Ni元素减少30%，添加Nb和N元素以提高材料的耐磨性。

3.3 冷却机

在使用冷却机的固定斜坡篦板以及高温段篦板时，同样对高温磨损有较高要求，由于有冷却风的保护，其实际工况温度要低，因此，可以将25-20材料中的Ni元素减少50%，添加一定量的W和V元素，以提高材料耐磨性。

4 结语

ZG40Cr25Ni20Si2铸态组织为单一的奥氏体，在工况温度＞727℃时不会发生相变，具有良好的热稳定性能。950℃的试验表明，该材料具有良好的热强性能以及优异的抗氧化性能，但对S、Cl化合物的抗腐蚀性能明显不佳。因此，该材料在水泥烧成设备（预热器、回转窑、冷却机）中应用时，应根据实际工况进行调整和改进，以达到较好的使用效果，提高使用寿命，确保生产的稳定性和持续性。