化学元素对金属材料性能的影响

化学元素对金属材料性能的影响C：碳含量越高，钢的硬度越高，耐磨性越好，但塑性及韧性越差,焊接性能越坏。

钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。

碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。

Cr:铬能提高钢的淬透性及耐磨性，改善钢的抗氧化作用，提高钢的抗腐蚀能力。

在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。

铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。

Mo:钼可显著提高钢的淬透性，提高热强性，防止回火脆性，提高剩磁和矫顽力。

钼能使钢的晶粒细化，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。

结构钢中加入钼，能提高机械性能。

还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。

在工具钢中可提高红性。

V:钒能细化钢的晶力组织，提高钢的强度、韧性及耐磨性。

当它在高温溶入奥氏体时，可增加钢的淬透性；反之，当它以碳化物形态存在时，会降低钢的淬透性。

钒是钢的优良脱氧剂。

钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。

钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。

Ni:镍能提高钢的强度和韧性，提高淬透性，含量高时，可显著改变钢和合金的一些物理性能，提高钢的抗腐蚀能力。

镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。

镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。

但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。

Ti:钛能细化钢的晶粒组织从而提高钢的强度及韧性。

在不锈钢中，钛能消除或减轻钢的晶间腐蚀现象。

钛是钢中强脱氧剂。

它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。

改善焊接性能。

在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。

S：硫是钢中的有害杂质，含硫较多的钢在高温下进行压力加工时，容易脆裂，这种现象通常称为热脆性。

硫在通常情况下也是有害元素。

使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。

硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。

所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。

在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。

P：磷能使钢的塑性及韧性明显下降，特别是低温时影响更为严重，这一现象称为冷脆性。

在优质钢中，硫和磷的含量应严格控制。

但从另一方面来看，在低碳钢中含有较高的硫和磷时，能使切削时切削易断，对改善钢的可切削性是有利的。

在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。

因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。

Mn：锰能提高钢的强度，消除或削弱硫的不良影响，并能提高钢的淬透性。

含锰量很高的高合金钢（高锰钢）具有良好的抗磨性及其他物理性能。

在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－0.50%。

在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn 钢比A3屈服点高40%。

含锰11－14%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。

锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。

Si：硅含量增加可使钢的硬度增加，但塑性及韧性下降。

电工用钢中含一定量的硅能改善软磁性能。

在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－0.30%的硅。

如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。

硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。

在调质结构钢中加入1.0－1.2%的硅，强度可提高15－20%。

硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。

含硅1－4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。

硅量增加，会降低钢的焊接性能。

W：钨可提高钢的红硬性和热强性，并可提高钢的耐磨性。

钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。

钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。

在工具钢加钨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻模具用。

B:硼的作用是当钢中含有微量（0.001-0.005%）硼时，钢的淬透性可以成倍的提高。

AI:铝能细化钢的晶粒组织，阻抑低碳钢的时效，提高钢在低温下的韧性。

铝还能提高钢的抗氧化性，提高渗氮钢的耐磨性和疲劳强度等。

铝是钢中常用的脱氧剂。

钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08Al钢。

铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。

铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。

Cu:铜在钢中突出的作用是改善普通低合金钢的抗大气腐蚀性能，特别是和磷配合使用时更为明显。

1. 高温硫腐蚀高温硫腐蚀是由于管子外部结灰，灰中含有硫及碱性化合性，它们形成复合硫酸盐MFe(SO4)(M为某种金属元素)，该复合盐在600℃时显固态，不熔化。

不起腐蚀作用，而在600℃~750℃时，处在熔化状态，和管子金属发生反应，导致管壁外部腐蚀，大部分发生在迎风面。

使管子强度下降。

衡量高温腐蚀其中最重要的影响因素是金属温度，当金属温度处于600 o C 至750 o C之间时，不考虑管子材质是什么，此时，腐蚀速率最快（通常是高过不能允许的数值）。

在此温度区间，对于具有腐蚀性的液态钠钾铁的硫酸盐是最具有腐蚀性的时候。

直到现在，还没有商业应用的管子材料能够显著地改善这种腐蚀，而通常地使用不锈钢管防护罩和或高铬/高镍防护罩来保护这些运行在此温度范围内的管子。

当然，并不是所有的煤的燃烧产物都是具有腐蚀性的，虽然现在没有关于煤燃烧产生的是腐蚀性或非腐蚀性灰的明确的定义，但是，根据过去的许多经验，特别是有关美国煤的经验证明，低硫或低碱性物含量的煤，是非腐蚀性的；高硫或高碱性物含量的煤（灰），是具有腐蚀性的。

2. 高温氧化腐蚀受热面管子在运行中与烟气、空气、蒸汽接触，会使金属表面发生氧化反应、并生成氧化膜，如果生成的氧化膜是致密牢固的，氧化过程就会减弱，金属就得到保护。

如果生成的氧化膜是疏松不牢固的，氧化过程就会继续反应，金属被腐蚀。

管壁材料的温度愈高，氧化过程愈加剧。

比如碳钢，在570℃以下时，生成的氧化膜是Fe2O3及Fe3O4,它们是致密牢固的，可以防止钢材的一步氧化。

当管材温度达570℃以上时，其氧化膜由Fe2O3＋Fe3O4＋FeO三层组成，FeO在最内层，它们的厚度比为1：10：100，即氧化膜成份主要为FeO，它是疏松不牢固的，使金属腐蚀加剧。

为了防止和改善氧化腐蚀，一般在材料里加入Gr.A1.Si等元素，以提高搞氧化性。

高温氧化腐蚀的结果为得到一层层氧化皮脱落，管壁减薄，强度下降1 高温腐蚀是炉内高温烟气与金属壁面相互作用的一个复杂的物理化学过程，按其机理通常可分为三大类：硫化物(FeS2、H2S)型腐蚀、焦硫酸盐型腐蚀和氯化物型腐蚀。

多年研究表明，水冷壁管发生高温腐蚀的区域是有规律的：通常多在燃烧高温区，即局部热负荷较高，管壁温度也较高的区域，如燃烧器区附近，其余区域的高温腐蚀明显减弱或根本不发生高温腐蚀；发生高温腐蚀的管子向火侧正面的腐蚀速度最快，管壁减薄量最大，背火侧则不发生高温腐蚀。

2 影响高温腐蚀的主要原因2.1火焰冲墙和还原性气氛的存在是造成水冷壁高温腐蚀的主要原因对切圆燃烧锅炉，当燃烧切圆直径过大、火焰中心未形成切圆或燃烧切圆偏移时，炉内空气动力场倾斜，燃烧器区域出现火焰冲墙和还原性气氛，从而发生高温腐蚀。

2.1.1高温火焰直接冲刷水冷壁当含有较大煤粉浓度的高温火焰直接冲刷水冷壁管时，将大大加剧高温腐蚀的发生。

其一，高温辐射热可加速硫酸盐的分解，加快腐蚀速度；其二，火焰中含有未燃尽的煤粉，在水冷壁附近缺氧燃烧，产生还原性气氛；其三，未燃尽的煤粉颗粒随烟气冲刷水冷壁管时，磨损将加速水冷壁管上保护膜的破坏，加快金属管壁高温腐蚀的过程。

2.1.2存在还原性气体由于着火延迟，未燃尽的煤粉在水冷壁附近进一步燃烧时，发生化学不完全燃烧，形成缺氧区，使炉膛壁面附近处于含有还原性气体(CO、H2)和腐蚀性气体(H2S)的烟气成分之中，没有完全燃烧的游离硫和硫化物与金属管壁发生反应，引起管壁高温腐蚀。

研究表明，烟气中CO浓度越大，高温腐蚀就越严重；H2S的浓度大于0.01%时，就会对钢材产生强烈的腐蚀作用；而当含氧量大于2%时，基本上不会发生高温腐蚀［1］。

2.2燃煤品质差是水冷壁高温腐蚀的必要条件燃煤中硫、碱金属及其氧化物含量越大，腐蚀性介质浓度越大，出现高温腐蚀的可能性就越大。

高硫煤产生的大量H2S、SO2、SO3、原子硫［S］不仅破坏管壁的Fe2O3保护膜，还侵蚀管子表面，致使金属管壁不断减薄，最终导致爆管事故。

燃用不易引燃的无烟煤和贫煤时，因着火点温度相对较高，燃烧困难，容易产生不完全燃烧，并使火焰脱长，在金属壁面附近形成还原性气氛，增加对管壁的腐蚀性。

煤粉的颗粒越大，也就越不易燃尽，比较容易形成还原性气氛，产生高温腐蚀。

同时，颗粒越大，对壁面的磨损也越严重，破坏了水冷壁管外氧化保护膜，使烟气中腐蚀介质直接与管壁金属发生反应，使腐蚀加剧。

2.3过高的水冷壁管壁温度促进了水冷壁高温腐蚀的发生研究表明，H2S等腐蚀性介质的腐蚀性在300℃以上逐步增强，即温度每升高50℃，腐蚀程度将增加一倍。

对于亚临界大型电站锅炉，燃烧器区域的水冷壁管内汽水温度约在350℃左右，烟气侧水冷壁管温度多在420℃左右，正处于金属发生强烈高温腐蚀的温度范围之内。

同时，管子局部壁面温度过高，易使具有腐蚀性的低熔点化合物粘附在金属表面，促进了管壁高温腐蚀的发生。

2.4运行因素的影响当锅炉负荷发生变化时，若运行不当(如火嘴投停不当)，就容易引起燃烧不稳定，产生还原性气氛，或造成烟气冲墙，继而发生高温腐蚀。

因此，运行不当也是引起高温腐蚀的一个主要因素。

3高温腐蚀的防护措施为防止高温腐蚀，避免锅炉爆管事故的发生，针对影响高温腐蚀的主要原因，可采取的防护措施有：加强对燃料的控制，可通过燃烧前和燃烧中除硫的方法，降低燃料的含硫量；同时控制适当的煤粉细度，尽可能均匀各燃烧器之间的煤粉浓度分布；加强对给水的控制，适当提高高温腐蚀区域水冷壁管内水流速度，降低管壁温度，严格控制给水品质，避免因水冷壁管内结垢而影响换热，从而导致水冷壁管壁温度增加；提高金属抗腐蚀能力，可采用耐腐蚀高合金钢，渗铝管及在管外敷设碳化硅涂料等表面防护方式，降低腐蚀速度；加强燃烧调整、合理配风，以达到降低水冷壁附近还原性气氛和避免烟气直接冲刷水冷壁两个目的。