电弧喷涂铁基防腐涂层在垃圾焚化厂的应用
J. Wilden, V. Drescher, M. Djahanbakhsh, Berlin/D, R. Durham and M. Schütze,Frankfurt a. M./D
热 喷 涂 技 术2011 年 6 月
摘 要：垃圾焚化厂产生的热量可用于发电和集中供热。一些金属部件，例如热交换器，处于腐蚀性很强的气氛中。基体材料在氯含量很高的气氛中损耗非常快，影响了材料的使用寿命，且带来了高昂的维护费用。在传统的钢材表面喷涂一层防腐涂层，可以显著地改善其表面性能。由于电弧喷涂容易实现并且成本较低，其已成为一种较有成效的喷涂方法。热喷涂镍钴基合金涂层目前已达到先进技术水平，而采用铁基合金作为其替代品则为取得可观的经济效益。最新的研究结果表明在 FeCr 和 NiCr 合金的基础上加入硅后可提高其耐腐蚀性能。为了确证这些材料的潜能，本研究制备出不同成分的药芯焊丝并采用电弧喷涂技术进行喷涂。最终在含氯气体环境中测试试样的抗氧化性能。
关键词：电弧喷涂；防腐涂层；垃圾焚化厂；热喷涂
在德国，70 个垃圾焚化厂中，大约有 90%的厂用其产生的热进行发电[1,2]。在焚化过程中会释放一些物质，如钠，钾，硫，钙，铅和锌等，这些物质可能形成大量的化合物，当烟气温度在 765°C 和1320°C 之间时，它们将以气相形式存在[3-4]。在高温条件下，氯及其氯化合物的存在会导致金属部件的强烈腐蚀[5]。一般情况下，垃圾焚化厂的腐蚀都是由氯造成的[6-7]。一些锅炉部件，如过热器，因为较高的壁面温度而处于极端的腐蚀气氛中[8]。另外烟气中的一些细小固体颗粒也增强了腐蚀作用。因此，金属部件的磨损率是腐蚀侵蚀[9]。
1 氯的高温腐蚀机理
垃圾焚烧厂的主要结构性材料为钢部件。钢部件中的铁与垃圾焚烧过程中产生的氯发生反应[9]。氯气氛中形成铁的氧化物的过程称之为活化氧化。氯气通过金属基材料已形成氧化层表面的孔隙和裂纹进行扩散，进而形成铁的氯化物[9-11]。
氯化亚铁在高温下挥发并扩散至表层，由于烟气中残余氧的存在，该氯化物将会被氧化在表层形成赤铁矿（Fe203）或磁铁矿（Fe304）[11-12]。因此在氧化过程中氯起到催化剂的作用。该活化氧化反应使得表层形成了多孔结构及极易形成片层脆性的氧化层，从而丧失了保护基体材料的作用[10]。
在表面形成的氯化物主要为 FeCI2和 FeCl3。垃圾焚烧过程中的腐蚀不仅源于气体成分，还有固体及液体化合物。烟气流中的固体颗粒通常会沉积在热交换器的较冷表面，加上烟气成分，它们会发生化学反应，在适当的化学成分下，反应生成低熔点的共晶盐类复合物。主要形成的是含氯盐类化合物如 68ZnCl2-32KCl，而其在典型蒸发壁内壁温度(230°C～325°C)会发生溶化，溶化物会在表面流动，其含有氯化物，氧化物，碱金属及重金属，而这些成分在 300°C 左右时具有剧烈腐蚀性，除了氯化物，在具有更高温度(400°C～500°C)的过热器壁上将会形成硫化物如 52ZnS04-25K2S04-23Na2S04。硫化物的出现会破坏部件表层氧化层进而加剧腐蚀。
2 垃圾焚化厂的腐蚀防护措施
由于垃圾焚化厂的腐蚀原因（高温腐蚀气氛），不能通过控制工艺技术来防护，因而这些部件在当今主要采用防腐蚀涂层进行保护。陶瓷涂层由于优良的抗腐蚀及较低的热传导性能，已经被证明具有高温区域应用的价值。然而，在热交换部位要求具有较好的热传导性能，而陶瓷涂层不适合该方面应用。因而金属基涂层（主要为镍基如 625 合金）在该部件得以应用[1/13]。因为镍和铬的氯化物比铁的氯化物具有较低的挥发性，这类材料具有更好的抗氧化性。然而镍基合金在一定条件下也会达到使用极限，因而这些防腐涂层同样也具有一定的使用寿命。
由于这个原因，目前大量工作正在集中进行已寻找一种替代材料，一方面，它应具有较低的成本，另一方面，其应具备较好的防腐性能[2/14/15]。
研究表明，Fe-Cr-Si 合金涂层在高温含氯气氛中具有突出的抗腐蚀性能，如图 2。研究过程中，采用电弧喷涂法制备不同的镍基合金涂层，在含氯及合成灰气氛中测试其抗腐蚀性能。由于其较好的可操作性及较低的成本，电弧喷涂在垃圾焚烧厂磨损部件的原位修复应用中具有突出的实用性。同时，它可以使喷涂材料已药芯焊丝的形式得以应用。因而不同的合金体系材料可以被快速制备并喷涂。
3 材料的发展历程
为了形成可靠的腐蚀防护层，在部件的表层必须形成致密的氧化层，这会阻止氯向金属基材料扩散。这方面 Fe-Cr-Si 体系 比传统的 Ni-Cr 和Fe-Cr 材料展现出显著的优越性。硅对于这一体系的影响机制还未确切探明。一方面，在部件表面铬氧化层的下面可以观察到一层较薄的硅氧化物层。
同时，规定存在增强了铬在表层的扩散，从而有助于铬氧化层的形成。由于 Fe-Cr-Si 合金优越的抗氧化性能已经得以证明，因而含有该合金成分的药芯焊丝将在本研究中进行探讨。为了进行对比，其它药芯焊丝成分也被进行研究，其中一种合金采用较高的硅含量（合金 D）。而添加碳将会促使形成碳化物，以获得更好的抗磨损性能。
在合金 E 形成的合金涂层中，由于铝的添加从而形成铝的氧化物，增强了涂层的腐蚀磨损性能。至今，废物焚烧厂的防腐涂层主要采用堆焊的方式制备。由于氧与硅和铝的剧烈反应，这类材料通过热喷涂后会形成较多的孔隙。使用不同成分的药芯焊丝，该研究框架下应标记出能制备出致密涂层的合金材料，已保证最好的防腐蚀功能。在一些合金成分中硼的添加能达到这一效果。它能降低合金的固相线温度，并增加其流动性。AD 成分的药芯焊丝采用 Corodur Fülldraht GmbH, Willich 制备，含合金 E 成分的药芯焊丝由 CorodurVerschlei -Schutz GmbH, Thale.制备。传统的用于保护高温气体腐蚀的材料如 Corodur S SERG, Corodur S 35T及固体和药芯焊丝形式的 Coroloy 625G (CorodurFülldraht GmbH)将作为新开发合金的参考。
4 测试方法
为了适合腐蚀测试室的尺寸，采用直径为16mm，长 50mm 的圆柱形低合金钢作为测试的基体试样，其边角为 2×45（°）。在腐蚀试验过程中，为了防止涂层在氯的气氛中脱落，试样必须完全被涂覆。为了达到这个目的，首先，在喷砂后对试样的一边进行喷涂，然后旋转试样对试样的其余部分喷涂 15mm 厚的涂层。为了保证前端边缘的涂层，在喷涂时需要与试样的中心轴保持 30 度角。要求涂层的最小厚度为 500 微米。采用两种不同的电弧工艺来制作涂层。一种是 GTV Verschleischutz GmbH, Luckenbach 的 SPARC 400 工艺，另外一种是 Sulzer Metco OSU GmbH, Duisburg 的 VisuArc350 工艺。操作参数见表 3。
5 结论
喷涂后，涂层采用光学和电子显微镜进行观察，通过比较不含硼的涂层，可以观察到硼的存在使得涂层结构更加均匀同时减少了氧化层结构。见图 3 喷涂工艺参数如表 3 所示。
参考文献略
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