表 1 叶片材质分析

1.3 　 烟气的检测结果

1.3.1 　测量条件

　　取样点位于一次烟气净化器出口至风机进口之间 ф 1700 水平直管段。烟气成分测定采用现场采样与实验室分析的方法，使用的主要仪器有奥氏气体分析仪， 103 气相色谱仪， 722 型分光光度仪。烟气的湿度测定采用冷凝法，烟气含尘浓度的测定采用滤筒计重法进行，主要仪器 JYP - Ⅱ型粉尘浓度测定仪。粉尘密度测定使用比重瓶法，分散度测定采用安德逊移液管法。

1.3.2 　干烟气成分

　　CO 52.9% ； CO ₂ 18.2% ； N ₂ 28.2% ； O ₂ 0.7% ；水蒸汽含量 8.3% ；其他： SO ₂ 0.2mg/m ³ ； NO X 0.2 mg/m ³ ；烟气含尘浓度：最高浓度 156mg/m ³ 、 最低浓度 81.5mg/m ³ 、 平均浓度 134.4mg/m ³ 。

1.3.3 　粉尘密度及分散度测定

　　粉尘样是从风机内清下的粉尘采集的，经过 80 目筛下后进行分析，结果见表 2 。

表 2   粉尘样分析结果

1.3.4 　粉尘成分测定

　　粉尘成分分析样品是从风机内落下的粉尘中采集的粉尘，分为片状和粉状两种样进行测定，测定结果见表 3 。

表 3 粉尘成分分析结果

2 　原因分析

　　应力作用下的腐蚀按产生腐蚀现象的主要原因一般可分为如下几种形式，即应力腐蚀、腐蚀疲劳、微振腐蚀和冲击腐蚀（又称湍流腐蚀）和空泡腐蚀 ^{[ 1-2 ]} 。

　　A Ⅱ 2000-1.1/0.85 型离心鼓风机叶轮的磨损机理是冲击腐蚀，而叶轮断裂归因于应力腐蚀。两种腐蚀现象共同特征之一是存在应力的协同作用，而另一共同特征是处于腐蚀介质中。

2.1 　湿度与腐蚀性杂质的影响

　　由于转炉煤气采用湿法除尘，进入风机的相对湿度为 100% ，烟气从烟气净化器进入风机的过程中，温度逐渐降低，达到露点后不断有雾状的水分析出来，与烟尘混合形成粘性很强的沉积物，附着在叶轮上。湿度的增大和尘埃中的吸湿杂质容易引起水分凝结。在不同的氛围中，金属都有一个临界相对湿度，超过这一临界值腐蚀速度就会突然增加。在临界值之前，腐蚀速度很小或几乎不腐蚀。出现临界相对湿度，标志着金属表面上产生了一层吸附的电解质液膜，这层液膜的存在是金属从化学腐蚀转为电化学腐蚀。由于腐蚀性质的改变，腐蚀性大大增强。一般在大气环境下，金属的临界相对湿度在 70% 左右；而在某些情况下，如含有大量的工业气体，或易于吸湿的盐类、腐蚀产物、灰尘等，临界相对湿度要低得多。临界相对湿度的存在是由于气体中含有污染物（如 SO ₂ ）、破坏了金属表面上腐蚀产物膜的保护功能。对铁在纯净空气中与含 0.01% SO ₂ 杂质的空气的腐蚀实验表明：在洁净空气中相对湿度由零逐渐增大时，腐蚀增重很慢；而在含 0.01% SO ₂ 杂质的空气中，在相对湿度由零到 75% 前，腐蚀增重与洁净空气中的差不多；当湿度达到 75% 左右时，腐蚀增重突然上升，并随相对湿度增加。 SO ₂ 对金属腐蚀的机理解释为：在风机投运的初始阶段，风机叶轮直接暴露在含 SO ₂ 的烟气中， SO ₂ 首先被吸附在金属表面上， SO ₂ 、 O ₂ 与铁生成硫酸盐（ FeSO ₄ ）、这是一种吸湿性沾污物，其水解形成氧化物和游离的硫酸。硫酸又加速腐蚀铁，新生成的硫酸亚铁再水解产生硫酸。这样，硫酸亚铁通过形成酸的过程就催化了腐蚀历程的不断进行。研究发现，每消耗 1 个分子可使 15 ～ 150 个 Fe 原子被腐蚀掉，其催化反应如下：

Fe+ SO ₂ + O ₂ → FeSO ₄

4FeSO ₄ + O ₂ +6H ₂ O → 4FeOOH+ 4H ₂ SO ₄

4H ₂ SO ₄ + 4Fe + O ₂ → 4 FeSO ₄ + 4H ₂ O

　　而在高湿度条件下，叶轮运行一段时间后，由于金属表面灰尘和腐蚀产物的毛细凝聚作用，在叶轮表面形成一层较厚的水汽膜。虽然烟气中的 SO ₂ 含量很低，但它在水溶液中的溶解度比氧高 1300 倍，以使溶液中 SO ₂ 达到很高的浓度。 SO ₂ 参与阴极去极化作用，导致腐蚀速度的增加，实际上 H ₂ SO ₃ 、 HSO ₃

　　均能在阴极上参加去极化作用，还原为 S ₂ O ₄ ^2- 、 S ₂ O ₃ ^2- 、 S ^2- 等。

2.2 　冲击腐蚀

　　金属表面与腐蚀流体之间由于高速相对运动而引起的金属破坏现象，称为冲击腐蚀。冲击腐蚀时，金属的腐蚀产物因受高速腐蚀流体的冲刷而离开金属表面，这种磨损使新鲜的金属表面与腐蚀介质直接接触加速了腐蚀破坏。磨损由两种磨损机理共同作用而成。一种沿部件表面作用称为滑动磨损；另一种垂直部件表面作用称为直射磨损。滑动磨损主要是微观切割所引起。一个硬的尖头或磨粒滑过一个较软的金属表面，它可以起微观切削工具的作用，切削过程导致材料以切削、薄片、碎片等形式从部件表面除去，部件表面被磨损后留下一道沟槽。直射磨损主要是金属材料部件表面疲劳磨损。磨粒被押入金属材料部件形成一个一个塑性变形的凹坑，在大量磨粒反复作用下，凹坑渐渐形成一个塑性变形层的极限强度时，这层表面被破坏，掉落形成磨损。冲击腐蚀的应力是腐蚀产物的楔入作用而引起的扩张应力。

　　由于转炉煤气中含有硬度极高的 Al ₂ O ₃ 、 SiO ₂ 等粉尘颗粒，加上叶轮的高速旋转，气流方向在叶轮进口处发生改变，固体颗粒在此处对叶轮的冲击速度达到最大，必然会产生冲蚀磨损，见图 1 中的磨损区。 研究表明，由于煤气中含有一定的灰尘颗粒，其对叶片的磨损为 W ∝ V _d ^2.5 · D _d ³ · ρ _d · f

　　式中 V _d 为灰尘冲击速度； D _d 为灰尘粒度， μ m ； ρ _d 为灰尘浓度， mg/m ³ ； f 为冲击角修正系数。

　　此关系式表明灰尘的粒度和灰尘的冲击速度对叶片的磨损是至关重要的。

2.3 　应力腐蚀

　　应力腐蚀断裂是指金属结构在拉伸应力和腐蚀环境的共同作用下引起的断裂，它是一种常见的局部腐蚀现象 [1] 。产生应力腐蚀断裂必须同时具备几个条件，即特定环境（包括介质成分、浓度、杂质和温度），足够大的应力（超过某极限值），特定的合金成分和组织环境因素，尤其是腐蚀介质，对产生应力腐蚀十分重要，且只有在一定合金和一定环境的组织情况下才发生这类腐蚀断裂。应力腐蚀有以下一些特征 ^[2] ：

　　（ 1 ）只有存在应力（这里是拉应力）时，才能产生应力腐蚀裂纹；

（ 2 ）应力腐蚀开裂是一种低应力脆性断裂。因为导致应力腐蚀开裂的最低应力远小于过载断裂的应力，而且断裂前没有大的塑性变形，故应力腐蚀往往会导致无先兆的灾难性事故；

（ 3 ）应力腐蚀断裂是一种与时间有关的滞后破坏。研究表明：对无裂纹的拉伸试样，当应力还远低于断裂应力时就能引起应力腐蚀裂纹的产生和扩展，而对预裂纹试样，使裂纹扩展的应力场强度因子远小于使材料快速断裂的断裂韧性。裂纹形成或试样滞后断裂的时间，随外加应力或应力强度因子的下降而增长，由此就可获得在规定时间内不产生应力腐蚀开裂的门槛应力或门槛应力场强度因子。这就表明，只有当应力或应力场强度大于临界值后才能产生应力腐蚀；

（ 4 ）应力腐蚀裂纹的扩展速度一般为 10 ^-6 ～ 10 ^-3 mm /min ，它比均匀速度要快 10 ⁶ 倍，与裂纹前端的应力场强度因子有关。

从上面的分析可以看出，叶轮运行时处于酸性腐蚀介质中。叶轮在使用一段时间后，经过多次的打磨，厚度不断减薄。重新投入运行后，一方面由于横截面缩小，造成叶片根部所受拉伸应力增加；另一方面，随着积灰厚度的增加，动平衡被打破，叶片受力恶化，使叶片根部产生足够大的拉伸应力。当拉伸应力达到应力腐蚀开裂的门槛应力后，叶片就会发生应力腐蚀断裂，而且这一过程发生较快。应力腐蚀对叶片材质提出了更高的要求，普通的中碳合金结构钢不可避免地会产生应力腐蚀。这些构成了应力腐蚀断裂的 3 个要素，叶轮的断裂呈现明显的应力腐蚀的特征。

3 　改进措施

　　要克服冲击腐蚀，应选择硬度较大的材质制作叶片，减少煤气中的粉尘含量；为避免应力腐蚀断裂，首先应减少叶轮上烟尘的堆积厚度，避免转子失衡。要实现这一点可从两方面入手，一是可以降低转炉煤气中灰尘的含量，提高一文和二文的除尘效果；二是定期清理叶轮上的积灰。其次要消除腐蚀介质的影响，主要是去除煤气中的酸性介质，可在烟气中喷入一定浓度石灰水溶液。最后要选择耐应力腐蚀断裂的材料。由于 Cr 、 Mo 等元素对提高钢的耐点蚀性非常有效，为了提高钢的钝化和再钝化能力，就要选用高 Cr 、 Mo 含量的奥氏体、奥氏体 + 铁素体双相钢和铁素体不锈钢等。耐酸不锈钢在叶轮工作中，其表面生成致密的 Cr ₂ O ₃ 保护膜，此保护膜硬度高而且与稀硫酸、稀硝酸反应很慢，因而，隔离了钢中的铁原子与酸接触，从而起到耐酸腐蚀作用。

　　对于风机制造厂来说这是改进叶轮材质的唯一可行的方案，因此将叶轮材料改为沉淀硬化不锈钢 0Cr14Ni6Mo2Cu2Nb 。它是一种耐酸不锈钢，而且其强度高、硬度相对来说也高，所以用此方案，叶轮的寿命将是原叶轮寿命的 2.5 ～ 6 倍。

4 　结论

　　转炉煤气湿度大，并含有大量灰尘、酸性腐蚀介质，是叶轮腐蚀的外在原因；叶轮材质选择不当是内在因素。叶轮腐蚀的主要机理是应力腐蚀，如果叶片选择普通的材料，腐蚀将不可避免。用户反馈证实，转炉煤气鼓风机叶轮使用 0Cr14Ni6Mo2Cu2Nb 是非常成功的。

参 考 文 献

[1] 刘永辉，张佩芬 . 金属腐蚀学原理 [M]. 北京：航空工业出版社， 1993.

[2] 乔利杰，等 . 应力腐蚀机理 [M]. 北京：科学出版社， 1993.