耐热钢在新型干法窑系统中的应用.docx
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耐热钢在新型干法窑系统中的应用
超强型耐热钢在新型干法窑系统中的应用
目录
•新型干法窑系统中的主要耐热部件
•水泥行业各种新型干法生产线中传统耐热钢件使用状况及年度消耗量
•耐热钢件的研制、生产和应用状况
•超强型耐热钢研制的关键技术及在水泥行业中的应用
新型干法窑系统中的主要耐热部件
•预热器内筒
•预热器锁风阀及分料阀
•预热器撒料板及托板
•三次风闸板
•窑尾护板下料舌头回料勺
•窑口护板
•窑头喷煤系统燃烧器喷嘴
•篦冷机各种篦板及护板
•各种耐热螺栓螺母及耙钉
水泥行业各种新型干法生产线中传统耐热钢件使用状况及年度消耗量
•天津院2500T/D生产线耐热钢年消耗量约46吨（不包含耙钉螺栓等）,其中:
1.预热器:
（计21.996吨）
a）C2内筒2套Ni9板材3796Kg
b）C3内筒2套Ni9板材4064Kg
c）C4内筒2套Ni205264Kg
d）C5内筒2套Ni207082Kg
e）C1C2锁风阀1套Ni1297.3Kg
f）C3C4C5锁风阀1套Ni20122.3Kg
g）C2C3C4C5分料阀2套Ni20290Kg
h）C2C3撒料板4套Ni9580Kg
i）C4C5撒料板4套Ni20700Kg
2.窑系统:
（计9.278吨）
a）燃料器喷嘴1套Ni20332Kg
b）挡砖圈1套Ni12708Kg
c）窑口护铁1套Ni201656Kg
d）窑尾护铁1套Ni201980Kg
e）窑尾舌形板1套Ni20880Kg
f）三次风管闸板阀2套Ni201600Kg
g）三次风管调节阀2套Ni20560Kg
h）闸板阀用链条4套Ni20棒196Kg
3.篦冷机:
（计29.577吨）
a）TC-VII篦板1套Ni121350Kg
b）TC-VIII篦板1套Ni125922Kg
c）TC-IX篦板1套Ni1211868Kg
d）双宽篦板1套Ni56451.5Kg
e）单宽篦板1套Ni5561Kg
f）高温区挡板盲板1套Ni122948.6Kg
g）低温区挡板盲板1套Ni5476Kg
•南京院5000T/D生产线耐热钢年消耗量约98.5吨（不包含耙钉螺栓等）,其中:
1.预热器:
（计60.242吨）
a）C2内筒2套Ni9板材8744Kg
b）C3内筒2套Ni714624Kg
c）C4内筒2套Ni2015760Kg
d）C5内筒2套Ni2015252Kg
e）C3锁风阀2套Ni9320Kg
f）C4C5锁风阀4套Ni20640Kg
g）撒料板10套Ni123952Kg
h）托板19套Ni20950Kg
2.窑系统:
（计8.047吨）
a）燃料器喷嘴1套Ni20373Kg
b）窑口护板1套Ni203420Kg
c）窑尾护板1套Ni202250Kg
d）回料勺1套Ni52004Kg
3.篦冷机:
（计30.048吨）
a）NC3036A篦板1套Ni121012.5Kg
b）NC3042A篦板1套Ni124959Kg
c）NC3042AK活动篦板1套Ni123783.5Kg
d）NC3042AK篦板1套Ni128944Kg
e）NC3042BK篦板1套Ni58736Kg
f）高温区护板挡板1套Ni121659Kg
g）低温区护板挡板1套Ni5640Kg
h）喷嘴（空气炮用）6套Ni1290Kg
i）119喷嘴7套Ni12224Kg
•成都院5000T/D生产线耐热钢年消耗量约95吨（不包含耙钉螺栓等）,其中:
•1.预热器:
（计44.616吨）
a）C2内筒2套Ni1211037.04Kg
b）C3内筒2套Ni78882.16Kg
c）C4内筒2套Ni2010871.12Kg
d）C5内筒2套Ni2012460.24Kg
e）700翻板阀3套Ni20290.4Kg
f）900翻板阀2套Ni20285.4Kg
g）700撒料板3套Ni20378.66Kg
h）900撒料板2套Ni20410.78Kg
2.窑系统:
（计9.648吨）
a）下料舌头1套Ni201548Kg
b）窑口护板1套Ni203852Kg
c）窑尾护板1套Ni202604Kg
d）回料勺1套Ni71644Kg
3.篦冷机:
（计40.355吨）
a）阶梯篦板1套Ni122664Kg
b）阶梯盲篦板1套Ni12459.8Kg
c）阶梯测温篦板1套Ni1248.058Kg
d）充气篦板1套Ni127540Kg
e）宽盲篦板1套Ni12236Kg
f）测温充气篦板（左）1套Ni1232.5Kg
g）测温充气篦板（右）1套Ni1232.5Kg
h）低漏料篦板1套Ni1212600Kg
i）低漏料篦板1套Ni512300Kg
j）窄盲篦板（前左）1套Ni12566.4Kg
k）窄盲篦板（前右）1套Ni12566.4Kg
l）窄盲篦板（后左）1套Ni5367.5Kg
m）窄盲篦板（后右）1套Ni5367.5Kg
n）高温区盲板1套Ni121605.6Kg
o）低温区盲板1套Ni5912Kg
p）边板1套Ni957.2Kg
•引进国外的10000T/D生产线耐热钢年消耗量约151吨（不包含耙钉螺栓等）,其中:
1.预热器:
（计49.86吨）
a）C2内筒2套Ni9板材7714Kg
b）C3内筒2套Ni1212614Kg
c）C4内筒2套Ni2013426Kg
d）C5内筒2套Ni2013426Kg
e）C1C2锁风阀8套Ni12785.6Kg
f）C3锁风阀2套Ni12350.4Kg
g）C4C5锁风阀6套Ni121213.2Kg
h）C4C5分料阀2套Ni12330.4Kg
2.窑系统:
（计10.377吨）
a）舌形板1套Ni201110Kg
b）窑口护铁I1套Ni203840Kg
c）窑口护铁II1套Ni20680Kg
d）窑尾护铁1套Ni201920Kg
e）三次风管闸板阀2套Ni20板1440Kg
f）挡砖圈1套Ni20924Kg
g）喷嘴1套Ni20463Kg
3.篦冷机:
（计90.543吨）
a）915篦板1套Ni20846Kg
b）920篦板1套Ni20384Kg
c）957篦板1套Ni203002Kg
d）981篦板1套Ni207104Kg
e）982篦板1套Ni2011466Kg
f）984篦板1套Ni203920Kg
g）992篦板1套Ni20861Kg
h）994篦板1套Ni20483Kg
i）751篦板1套Ni2012348Kg
j）753篦板1套Ni20850Kg
k）755篦板1套Ni2011584Kg
l）865篦板1套Ni20629Kg
m）866篦板1套Ni20833Kg
n）480篦板1套Ni12340Kg
o）861篦板1套Ni12136Kg
p）高温区护板1套Ni204816Kg
q）低温区护板1套Ni12114.8Kg
r）侧护板支架1套Ni206219.8Kg
s）密封板1套Ni20540Kg
t）密封条1套Ni20234Kg
u）耐磨套1套Ni1220160Kg
v）耐磨片1套Ni201880Kg
w）侧板耐磨片1套Ni20532Kg
x）空气炮嘴1套Ni201260Kg
耐热钢件的研制、生产和应用状况
•国外耐热钢发展简史
•我国耐热钢发展历程
•耐热钢的合金强化机理
•国外耐热钢发展简史
上个世纪二十年代末期，英美国家开始有人将少量钛和铝加入到镍铬合金中，使原有合金具有显著的蠕变强化作用，不过，这种发现并未引起人们的广泛关注，到了1937年德国涡轮喷气发动机问世，1939年英国也相继出来瓦特涡轮喷气发动机，然而，喷气发动机热端部件特别是涡轮叶片对材料的耐高温性和应力承受能力具有很高要求，这就迫使人们加快了对各种新型耐热钢材料的开发和研制，性能优越NI80合金就含有适量的铝和钛。
到了上个世纪四十年代，人们开始在合金中又添加硼、锆、钴、钼等合金元素，相继开发了NI80A、NI90等耐热钢材料。
•我国耐热钢发展历程和国外一样，航空喷气发动机生产的需要也是我国高温合金即耐热钢发展的动力。
1956年,抚顺钢厂、鞍山钢铁公司开始为WP-5发动机研制耐热钢火焰筒，相继推出GH3030，GH4033，K412等耐热钢材料。
由于我国资源缺镍少钴，铁基高温合金的研制、生产和应用成为六七十年代一道绚丽的风景线。
至70年代初，研制生产的铁基高温合金的耐热钢已达33个，目前已被广泛应用的有GH1140、GH2135、GH35A及K213等耐热钢材料。
•耐热钢的合金强化机理耐热钢是以镍、铁或者钴作为基体元素，溶入多种合金元素而成的具有稳定面心立方奥氏体结构的高温合金。
镍基高温合金的基体元素是镍，铁基高温合金的基体元素是铁，钴基高温合金的基体元素是钴。
镍没有同素异形结构，常温和高温都为面心立方结构，即奥氏体结构，而铁、钴在高温时具有面心立方结构，在室温下分别为体心立方和密排六方结构。
因此，要想得到相对稳定的铁基、钴基奥氏体结构高温合金，通常需要加入一定数量的镍和铬，以便获得较高的化学稳定性和抗氧化耐蚀性，在铁基高温合金中加入少量钴，还能使合金具有更好的抗热腐蚀性。
1）耐热钢的固溶强化
固溶强化是指将一些合金元素加入到以镍、铁或者钴作为基体元素的高温合金中，使之形成合金化的单相奥氏体,从而使基体结构得到的一种强化。
无论是均匀分布于基体的或非均匀分布于基体的溶质原子都有强化作用。
固溶强化的效果大致取决于下列几个因素：
a.均匀分布于基体的溶质原子由于原子尺寸大小的不同,会产生长程内应力场,增加位错运动阻力,因而,随着溶质原子浓度及错配度的增加,溶质原子的固溶强化程度会相应提高。
b.由于均匀分布于基体的溶质原子与溶剂原子的弹性模量存在很大差别,在很大程度上会改变溶质原子处的位错应力场的弹性能大小,造成单位浓度溶质引起的位错运动切应力的变化,从而改变固溶强化的作用程度。
c.分布于基体的溶质原子与溶剂原子的相互填充构筑成的晶体结构,其金属导电电子将会从受压缩区域流向受拉伸区域，产生电偶极子。
从而出现一个短程的静电交互作用，引起溶质原子在基体上的非均匀分布，使位错运动阻力增加，达到进一步增强固溶强化作用的效果。
d.化学交互作用引起的非均匀分布固溶强化。
由于面心立方金属基体存在层错，而溶质原子在层错处的平衡浓度会不同，这种不均匀分布就会导致位错运动阻力的增加，使固溶强化作用得到增强。
虽然这种强化作用的效果不比体心立方金属中因弹性交互作用得到的强化作用明显，但其对高温强度强度来说，它的作用更大，稳定性更高。
e.短程有序原子分布引起的固溶强化。
当溶质原子数量较多，并且异类原子之间的作用能不同于同类原子时，固溶体可能出现一定程度的短程有序。
位错运动通过有序区时，由于全部或者部分破坏了原子有序关系，导致位错运动阻力的增加，从而增加了固溶强化作用。
这种强化机制对高温强度的影响尤其显得特别重要。
2）耐热钢的第二相强化
高温合金主要依赖于第二相强化。
它又分为时效析出沉淀强化、铸造第二相骨架强化和弥散质点强化等。
第二相质点与位错的交互作用是合金第二相强化的本质。
这些交互作用可概括为各种强化机制的叠加。
在这种情况下，对共格强化、表面强化、层错强化、模量强化、反向畴有序强化、硬质点强化等强化机制，可以用加和性原理来估计总的效应。
随着温度的升高，特别是在蠕变条件下，交滑移及攀移的机制更容易起作用，在这种情况下，合金元素的扩散往往成为控制变形速率的因素。
因此固溶体基体的强化将仍然起重要作用，通过合金化降低基体元素自扩散能力与得到适当的第二相强化配合（增大体积百分数使第二相质点变大，同时间距变小），可以得到很好的高温强化效果。
对于以碳化物析出沉淀硬化的铁基高温合金，由于碳化物硬而脆的本质及其非共格析出特点，其强化作用有以下特点：
1）低温下位错以绕过质点机制方式，在质点周围留下一个位错环，然后通过碳化物第二相。
高温蠕变条件下，位错攀移机制起重要作用，位错切割碳化物是非常困难的。
2）在碳化物强化的铁基高温合金中，VC型碳化物具有强时效硬化能力，M23C6型及NbC型碳化物次之。
3）增加碳化物数量及弥散度有利于提高强化效果，但过分高的碳饱和度往往有利于形成大块碳化物（共晶及二次析出），引起脆性。
一般碳化物总量不能太大，因此强化程度是有限制的。
4）强化基体，减小元素的扩散能力，这对于较易聚集长大的碳化物相来说是至关重要的。
对于弥散强化的高温合金，主要是用氧化物或其他与基体固溶体不起作用的第二相强化。
其强化的特点主要有：
1）强化机制是绕过质点机制方式。
可以通过控制氧化物等质点弥散，细度与数量，而保证一定数量的弥散相，达到最大强化效应。
2）氧化物等第二相质点非常稳定，能保证在教高温度下具有很高的高温强度。
3）极细小弥散的氧化物质点可以存在于基体及析出奥氏体相之中，这时位错除切割析出奥氏体相外，还可能被氧化物质点钉扎，使合金本身达到弥散强化的效果。
4）弥散强化合金有平坦的蠕变曲线，蠕变速率方程中应力指数值很大，这是弥散质点强化的特点，与弥散质点的弥散性及稳定性相关。
耐热钢铸件第二相析出特点在于凝固结晶的偏析造成的枝晶干和枝晶间的析出不均匀性，造成枝晶内析出奥氏体较稀，枝晶边缘析出奥氏体较密。
当元素出现严重偏析还会生成枝晶间及晶界共晶相。
碳化物强化的铁基铸造合金中，碳化物在枝晶界及晶界上形成骨架，这些加剧了晶界及枝晶间区的形变阻力，这是一般耐热钢铸件高温蠕变性能比变形态（相同合金）好的重要原因之一。
当然耐热钢铸件晶粒较大也是一个重要原因。
3）耐热钢的晶界强化
耐热钢在高温状态下产生形变总是不可避免的，此时合金晶界区的原子排列规则性最容易被破坏，各种晶体的晶界或相界处将出现微小裂纹或孔洞，位错运动的作用很容易使其产生滑动或偏移。
因此，强化晶界对提高耐热钢的持久强度和蠕变强度是非常有效的。
耐热钢的晶界强化手段主要有三种：
a.降低有害杂质含量，提高合金纯洁度。
耐热钢内有害杂质元素往往是低熔点的，并与基体元素生成低熔点的化合物或共晶体，使合金的热加工性及高温力学性能显著降低。
只要严格控制氮、氧、氢等气体含量，有效降低硫、磷等杂质含量，就能使合金的机械性能得到明显提高。
b.有益的微合金化元素，主要包括稀土元素，镁、钙、钡、硼、锆及铪等元素。
这些元素往往通过净化合金及微合金化两个方面来改善合金。
稀土元素和碱土元素等，对气体元素，硫、磷等有害杂质元素有很强的亲和力，形成难熔化合物，在铸造过程中能作为纯净剂去除气体及杂质。
同时，有些有益元素还可以偏析于晶界，改善晶界组织，起到强化晶界的微合金化作用。
c.晶界控制得当是提高耐热钢高温强度的最有效途经。
晶粒的大小会直接影响到耐热钢在高温条件下的抗拉强度、疲劳强度、蠕变强度及蠕变速率。
对于一定厚度比的耐热钢铸件，晶粒在2~7mm之间，都能获得较相似的机械性能，这些规律对铸造薄壁铸件特别重要。
除晶粒大小外，晶界的平直与弯曲对蠕变性能也会产生重要影响。
对于许多奥氏体铁基高温合金，晶界弯曲能够阻碍晶界滑动及楔形晶界裂纹的形成，同时阻止沿晶裂纹（孔洞）的连接，从而有效地降低蠕变变形，耐热钢的高温瞬时性能更能得到提高。
另外，消除横向（与外应力垂直的方向）晶界能非常有效地提高耐热钢的高温强度。
横向晶界，甚至树枝晶界，总是裂纹优先形核与扩展的地点。
所以消灭横向晶界将会推迟蠕变裂纹的形成与扩展。
进一步改善浇铸工艺，甚至可以消灭晶界得到单晶合金，大大提高耐热钢的各项性能。
超强型耐热钢研制的关键技术及在水泥行业中的应用
•超强型耐热钢的关键技术
•超强型耐热钢的发展潜能及社会效益
•超强型耐热钢在水泥行业应用中所发挥的作用
•超强型耐热钢的关键技术
超强型耐热钢除了铁基铬、镍合金成分外，主要靠多元合金元素各自充分发挥其固溶强化、第二相强化及晶界强化作用。
有关发明专利配方不便细述，但其关键技术主要有以下几点：
1.根据铁基合金的电子空位数与σ相析出关系，推算超强型耐热钢出现TCP相（主要是σ相）的边缘配比。
TCP相是高温合金中的主要微量相，对性能有重要影响。
超强型耐热钢合金中添加的钨、锰、钼含量及碳化物只要控制得当，完全可以有效地防止TCP相的析出。
2.超强型耐热钢的化学稳定性及表面强韧化。
通常铁基高温合金的抗氧化能力都依赖于Cr2O3氧化膜的形成，Cr2O3是高温下唯一的热力学稳定的固相的氧化物，高温合金通常同时含有铬和铝，两者协同作用，抗氧化的改善非常明显。
高温合金除铬和铝外，添加少量硅，在内层形成SiO2，可以循环氧化抗力，使之达到铝化物涂层的抗氧化效果。
添加微量铪和锆，可以进一步改善氧化膜的结合力。
加入少量钛和钽，对耐热钢铸件的抗热腐蚀性能有良好影响，通常没有有害影响。
超强型耐热钢主要就是综合以上因素合理配制的一种高温合金。
这种合金具有很好的化学稳定性、表面强韧性和抗热腐蚀性。
3.超强型耐热钢在后期加工过程中至少进行两次喷丸处理，打磨和机加工所引起的表面加工硬化、粗糙和残余应力等表面不完整对高温合金的耐蚀性和疲劳强度必然要产生不利影响，喷丸处理是解决这一问题的传统而有效的方法。
4.超强型耐热钢系列中，有的为了达到耐更高温度（1300~1400℃），还需加入少量稀土元素钇、镧、铈。
这些元素的氧化物比基体氧化膜更稳定，这些活性元素不但可以显著改善铁基合金的抗氧化性，还能够对合金基体起到净化晶界，细化晶粒，改变碳化物形状和分布的作用，最终达到提高耐热钢在高温状态下的硬度和冲击韧性，改善耐磨性能的目的。
•超强型耐热钢的发展潜能及社会效益
据国际不锈钢论坛（ISSF）今年3月12日发布的初步数据显示，我国2008年不锈钢和耐热钢的产量约694.3万吨，占世界不锈钢总产量的27％。
国家统计局最新数据显示,今年1-3月份累计水泥产量28,049.19万吨，按日产5000吨水泥生产线年消耗耐热钢100吨推算，仅仅水泥行业每年耐热钢需求量就超过60万吨。
而目前全国耐热钢铸件所占比例不到不锈钢总量的10％，即年产不到70万吨。
事实上电力、冶金、石油化工、热处理、玻璃等等，所有这些民用行业对耐热钢都有很大需求。
由此看来，我国最近十年耐热钢的产能还远远不能满足市场需求。
我国的资源状况历来缺镍少钴，通常耐高温程度要求很高的铁基耐热钢铸件必须具备足够含量的铬和镍合金。
在2006~2008年，镍板价格一路攀升，生产成本的剧增，最终加大了企业成本。
超强型耐热钢就是这样的市场需求中研制开发出来的抗高温氧化、耐高温腐蚀、抗蠕变等各项强度指标过硬的，完全能够替代当前高镍铁基耐热钢的新型材料。
该产品的研制既符合国家产业发展的要求，又能节约镍资源，市场前景巨大。
•超强型耐热钢在水泥行业应用中所发挥的作用
目前水泥行业的新型干法生产线熟料煅烧的全过程几乎离不开耐热钢件。
前面已提到的，如悬浮预热器内筒组件、撒料板、翻板阀、窑头窑尾护铁、下料舌、回料勺、三次风闸板、篦冷机篦板、盲板等等，大致算下来，一条2500吨生产线每年消耗耐热钢不下50吨，一条5000吨生产线每年消耗耐热钢不下100吨，一条10000吨生产线每年消耗耐热钢150多吨。
我公司在近几年的耐热钢生产实践中，不断探索与创新，2005年终于开发出自己的专利产品（专利号ZL200510011584.3）超强型耐热钢。
该产品已经在好多水泥厂推广使用，用户普遍反映较好，ZG-HXD-01材质与ZG40Cr25Ni20材质比较,前者使用寿命是后者的两倍以上，耐高温程度可比后者提高200~300℃，而成本比后者略低。
我公司的超强型耐热钢一旦替代水泥行业原有旧材质，将大大节约水泥工厂的生产成本，提高设备运转率，延长在线设备的使用寿命。
总之，超强型耐热钢产品的推出，将会为水泥厂新型干法生产线的节能降耗发挥应有作用。
谢谢大家!
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