污水污泥處理設(shè)備碳鋼與不銹鋼的選擇
技術(shù)支持
近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，全國(guó)各地陸續(xù)建設(shè)了規(guī)模不等、數(shù)量可觀的污水處理廠、污泥干化或焚燒廠，而其中針對(duì)污水污泥的處理設(shè)備投資在總投資中的比重占50%～60%或更高。目前，污水污泥處理工程有著城鎮(zhèn)小型化的趨勢(shì)，一般投資額有限，如果一味的追求設(shè)備的材料質(zhì)量而忽略了材料的適用性，勢(shì)必會(huì)造成投資成本嚴(yán)重超標(biāo)，給企業(yè)和用戶帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)難題。
環(huán)保行業(yè)所用的設(shè)備因其使用的特殊性及所處環(huán)境的惡劣性，既要保證機(jī)器設(shè)備的可靠性及耐腐蝕性，又需要平衡整機(jī)的壽命及經(jīng)濟(jì)性，因而材料的選擇就顯得尤為重要。許多技術(shù)人員在實(shí)踐中往往只考慮或片面強(qiáng)調(diào)其中的部分有利因素，如不銹鋼的耐腐蝕性等要求，而將整機(jī)全部做成不銹鋼的，實(shí)際上這種選擇是不合理也不可取的。本文擬將碳鋼與不銹鋼的選材要素進(jìn)行對(duì)比，以便企業(yè)和用戶在選擇設(shè)備材料時(shí)，避免盲目地一味選擇所謂的高端材料。
1 兩類常用材料的機(jī)械性能對(duì)比
碳鋼的密度略高于鐵素體和馬氏體不銹鋼，略低于奧氏體不銹鋼；電阻率按碳鋼、鐵素體、馬氏體和奧氏體不銹鋼排序遞增；線膨脹系數(shù)大小的排序也類似，奧氏體不銹鋼最高，碳鋼最??；碳鋼、鐵素體和馬氏體不銹鋼有磁性，奧氏體不銹鋼無(wú)磁性，但其冷加工硬化生成馬氏體相變時(shí)將會(huì)產(chǎn)生弱磁性。因此，設(shè)備中有要求高精度的機(jī)械類儀表時(shí)，要特別注意這一點(diǎn)，可在加工后用熱處理的方法消除這種馬氏體組織以恢復(fù)其無(wú)磁性。碳鋼和不銹鋼的機(jī)械性能對(duì)比如下：
| 鋼號(hào)（標(biāo)準(zhǔn)號(hào)） | 屈服強(qiáng)度（MPa） | 抗拉強(qiáng)度（MPa） | 延伸率（%） | 斷面收縮率（%） | 硬度（退火）（HB） |
Q235 | 185～235 | 375～460 | 21～26 | 60 | ≤150 |
Q345（舊標(biāo)16Mn） | 275～345 | 470～630 | 21～22 | - | 121～178 |
45（正火或正火+回火） | 260～295 | 550～710 | 12～14 | 32～38 | 淬火HRC56～59 退火HB197 |
45（調(diào)質(zhì)） | 345～500 | 590～850 | 14～18 | - | 調(diào)質(zhì)HRC28～32 約HB270～300 |
40Cr（淬火） | 785 | 980 | 9 | 45 | 207 |
40Cr（調(diào)質(zhì)） | 345～540 | 590～735 | 8～15 | 30～45 | 調(diào)質(zhì)HRC28～32 約HB270～300 |
| 鋼號(hào)（新牌號(hào)/舊牌號(hào)） | 屈服強(qiáng)度（MPa） | 抗拉強(qiáng)度（MPa） | 延伸率（%） | 斷面收縮率（%） | 硬度（HBW） |
06Cr19Ni10/0Cr18Ni9(304) | 205 | 520 | 40 | 60 | 187 |
022Cr19Ni10/00Cr19Ni10(304L) | 175 | 480 | 40 | 60 | 187 |
06Cr17Ni12Mo2/0Cr17Ni12Mo2(316) | 205 | 520 | 40 | 60 | 187 |
022Cr17Ni12Mo2/00Cr17Ni14Mo2(316L) | 175 | 480 | 40 | 60 | 187 |
從上表可以看出，碳鋼在機(jī)械性能方面要明顯優(yōu)于不銹鋼。因而在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意屈服強(qiáng)度等特征參數(shù)，否則可能導(dǎo)致不可預(yù)料的后果。以某廠的刮泥機(jī)為例，此刮泥機(jī)為中心傳動(dòng)式，長(zhǎng)度約20m，材質(zhì)應(yīng)業(yè)主要求采用AISI304，在使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行阻力很大，運(yùn)行不暢，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量情況，材料的兩端下沉，變形嚴(yán)重。分析原因?yàn)樵O(shè)計(jì)是按碳鋼設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均為碳鋼參數(shù)，但材料換為AISI304后，未進(jìn)行強(qiáng)度校核，因不銹鋼屈服極限顯著低于碳鋼，導(dǎo)致了整個(gè)機(jī)架強(qiáng)度不夠，在運(yùn)行過(guò)程中由于自身重力影響造成了材料兩端下沉嚴(yán)重，接地部分摩擦阻力增大。
一般來(lái)說(shuō)，碳鋼比最常用的普通奧氏體不銹鋼在屈服極限上要高出10%～20%，同時(shí)不銹鋼的硬度要高于碳鋼很多，所以用碳鋼機(jī)架比不銹鋼機(jī)架更易機(jī)加工制造，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性上也更加穩(wěn)定。
2 熱膨脹性受環(huán)境溫度的影響
奧氏體不銹鋼（如AISI304、AISI316等）易受溫度的影響，在同樣溫度變化的情況下，用不銹鋼做成的機(jī)架或者零部件變形也較大。因而環(huán)境溫度對(duì)不銹鋼制造的機(jī)器設(shè)備的精度，以及安裝精度和運(yùn)行狀態(tài)都有影響。常有工人發(fā)現(xiàn)，打完孔或其他方式加工后的不銹鋼零件無(wú)法對(duì)中對(duì)齊即是此因。
將常用的碳鋼材料和不銹鋼的熱膨脹系數(shù)對(duì)比如下：
| 溫度范圍（℃） | 熱膨脹系數(shù)（單位μm/m·K） | |||
45號(hào)鋼/碳鋼（Q235等） | 3Cr13 | AISI304 | AISI321 | |
20～100 | 11.59（10.6～12.2） | 10.2 | 16.0 | 16.6 |
20～200 | 12.32（11.3～13.0） | 11.1 | 16.8 | 17.0 |
20～300 | 13.09（12.1～13.5） | 11.6 | 17.5 | 17.2 |
20～400 | 13.71（12.9～13.9） | 11.9 | 18.1 | 17.5 |
20～500 | 14.18 | - | - | - |
20～600 | 14.67（13.5～14.3） | 12.3 | 12.3 | 17.9 |
20～700 | （14.7～15.0） | 12.8 | 12.8 | 18.6 |
從上表可以看出，一般奧氏體不銹鋼明顯要比普通碳鋼的膨脹系數(shù)大，其熱膨脹系數(shù)約為普通碳鋼的1.6倍；針對(duì)于此的簡(jiǎn)單近似說(shuō)法是：普通碳鋼1米1度1絲，即1m的鋼溫度升高1℃伸長(zhǎng)0.01mm，而不銹鋼為0.016mm，此外AISI316要比AISI304的膨脹系數(shù)稍低一些。
3 機(jī)加工成形能力對(duì)比
奧氏體不銹鋼相對(duì)于碳鋼來(lái)說(shuō)，硬度較高，機(jī)械切削力比正火后的45號(hào)鋼要高出20%左右，并且加工后表面硬度更高，因而加快了刀具的磨損。并且由于不銹鋼的導(dǎo)熱性差（導(dǎo)熱系數(shù)約為碳鋼的1/3），在車銑刨磨加工時(shí)，切削熱不易傳導(dǎo)出去，冷卻液選擇就顯的很重要。同時(shí)，不銹鋼由于較大的線膨脹系數(shù)（比碳鋼大40%～60%），并隨著溫度的升高，線膨脹系數(shù)的數(shù)值也相應(yīng)提高，對(duì)于高精度的零部件加工和精度控制帶來(lái)了困難。
4 耐腐蝕性的對(duì)比
不銹鋼與碳鋼兩種材料的防腐蝕機(jī)理是不一樣的。
碳鋼鍍鋅是利用鋅與鐵形成原電池，即犧牲鋅極而保護(hù)鐵極，鋅對(duì)基體產(chǎn)生電化學(xué)保護(hù)，鋅的抗大氣腐蝕的機(jī)理有機(jī)械保護(hù)及電化學(xué)保護(hù)，在大氣腐蝕條件下鋅層表面有ZnO、Zn(OH)2及堿性碳酸鋅保護(hù)膜，從而減緩鋅的腐蝕，這層保護(hù)膜（也稱白銹）受到破壞后又會(huì)形成新的膜層。當(dāng)鍍鋅層有小的裂紋或損壞時(shí)，鋅將以犧牲陽(yáng)極的形式繼續(xù)防止裂紋或損壞處的鋼鐵生銹，這是鍍鋅層優(yōu)越的特點(diǎn)。而且鐵鋅合金層硬度比純鋅高得多（接近純鐵），因而鍍層抵抗碰撞和刮損的能力很高。
不銹鋼是靠其表面形成的一層極薄而堅(jiān)固細(xì)密的穩(wěn)定的富鉻氧化膜形成防護(hù)層，防止氧原子的繼續(xù)滲入、繼續(xù)氧化從而獲得抗銹蝕的能力。但一旦由于某種原因破壞了這層薄膜，空氣或液體中的氧原子就會(huì)不斷滲入，或者是金屬中的鐵原子不斷地離析出來(lái)，形成疏松的氧化鐵，金屬表面也就會(huì)受到不斷地銹蝕。
4.1 不銹鋼材料的腐蝕
不銹鋼材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕，須滿足三個(gè)條件：材料、應(yīng)力、介質(zhì)；其首要因素是應(yīng)力，其次是工況。
奧氏體不銹鋼在Cl離子濃度大于25ppm的環(huán)境中使用，材料就具有應(yīng)力腐蝕傾向。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)一定的閾值（工作應(yīng)力、溫差應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力、生產(chǎn)加工安裝過(guò)程中的應(yīng)力等等，在這些應(yīng)力的疊加作用下）時(shí)，材料就會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。不銹鋼應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的失效是突然性的，不會(huì)像均勻腐蝕那樣雖然腐蝕但未達(dá)失效狀態(tài)時(shí)還能用上相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，所以要特別注意焊縫和拐角這些地方。不銹鋼材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕對(duì)溫度也是很敏感的，溫度越高，發(fā)生應(yīng)力腐蝕的濃度越低，如在130℃左右時(shí)，即使1ppm的Cl離子濃度也能對(duì)AISI316L產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。
此外，不銹鋼的型號(hào)種類不同，其耐腐蝕性也顯著不同。AISI316不銹鋼比AISI304不銹鋼添加了抗點(diǎn)蝕合金元素Mo，具有更好的點(diǎn)蝕溫度抗力，從而大幅度提高了其抗點(diǎn)蝕性能。相同條件下，AISI316不銹鋼的臨界點(diǎn)蝕溫度都明顯高于AISI304不銹鋼。在常溫靜態(tài)實(shí)驗(yàn)條件下，304不銹鋼受氯離子作用而點(diǎn)蝕的濃度界限約為150mg/L，316L不銹鋼約為250mg/L；設(shè)備運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)又會(huì)高出很多。
4.2 熱鍍鋅層對(duì)鋼鐵防腐蝕的作用
由于鋅能溶解于酸和強(qiáng)堿，因此熱鍍鋅層只能適用于一般大氣和天然水的防腐蝕環(huán)境中。在鄉(xiāng)村和空氣比較潔凈的地區(qū)，鍍鋅層能維持很多年，而在工業(yè)污染區(qū)域或海岸地區(qū)，鍍鋅層的耐用年限就較短。此外，鍍鋅層越厚，耐用年限也越長(zhǎng)，耐用年限與厚度幾乎成正比。鍍層厚度也可用單位面積上鋅的質(zhì)量（g/㎡）表示，1μm鍍層厚度對(duì)應(yīng)7.2g/㎡的附鋅量。目前對(duì)熱鍍鋅層耐用年限的試驗(yàn)已有大量數(shù)據(jù)，由于具體試驗(yàn)環(huán)境不同，這些數(shù)據(jù)也有一定差異。
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求熱鍍層厚度一般在80μm左右或者以上，以此可以推算出設(shè)備的使用年限。市面上普通不銹鋼AISI304的防腐性能并不是很理想，而且不銹鋼對(duì)于污水處理行業(yè)中常出現(xiàn)的Cl離子又很敏感，所以選用普通不銹鋼并不能真正達(dá)到“不銹”的目的。同時(shí)不銹鋼的價(jià)格也較高，一般用戶難以接受。而采用碳鋼加防腐涂層，可根據(jù)不同環(huán)境做針對(duì)性防腐，防腐性能并非一定比不銹鋼差。
此外，考慮到國(guó)內(nèi)污水污泥中的金屬離子含量都比較高的實(shí)際情況，不可避免會(huì)產(chǎn)生電化腐蝕，在這種情況下，碳鋼鍍鋅就顯得更有優(yōu)勢(shì)。
5 經(jīng)濟(jì)性及其他因素對(duì)比
與不銹鋼相比，熱浸鍍鋅鋼主要用于鋼鐵的防大氣腐蝕，最大的優(yōu)點(diǎn)就是價(jià)格便宜。根據(jù)MEPS鋼鐵價(jià)格數(shù)據(jù)可以知道，通常情況下，最為常用的AISI304材質(zhì)的不銹鋼價(jià)格一般為碳鋼的5倍左右，AISI316L鋼約為普通碳鋼8.5倍以上。由于碳鋼及不銹鋼的價(jià)格相差太過(guò)懸殊，因此用不銹鋼做的設(shè)備或者零部件遠(yuǎn)沒(méi)有采用碳鋼制造的經(jīng)濟(jì)性好。
此外，部件在設(shè)備中的關(guān)鍵性也是需要考慮的一個(gè)因素，基于不銹鋼易腐蝕的特點(diǎn)，即突然失效性，在做材料選擇時(shí)就不得不慎重考慮；當(dāng)然還有其他種種因素，如美觀性，不銹鋼酸洗后的外觀因批次或時(shí)間因素可能差異較大；而且用于不銹鋼的酸洗鈍化液污染嚴(yán)重，所以酸洗池的建設(shè)也是環(huán)保部門(mén)要嚴(yán)格控制的。
6 結(jié)語(yǔ)
不可否認(rèn)，不銹鋼在某些性能方面確實(shí)強(qiáng)過(guò)普通碳鋼，但是事物總是有兩面性的，所以在滿足一般使用要求的情況下，尤其是在國(guó)家提倡降耗的大環(huán)境下，如果碳鋼鍍鋅可以滿足一般工程使用要求時(shí)，還是應(yīng)該優(yōu)先選擇的。當(dāng)然，如果環(huán)境很惡劣，并且設(shè)備或者部件比較關(guān)鍵，對(duì)設(shè)備材料的選擇就需要斟酌了。
綜上，對(duì)設(shè)備做材料選擇時(shí)應(yīng)該考慮的主要因素如下：材料的機(jī)械性能（如強(qiáng)度、韌性、脆性、硬度），以及基于這些性能的機(jī)加工性能和焊接性能（即成形能力）、耐腐蝕性能、設(shè)備部件的關(guān)鍵性和經(jīng)濟(jì)性等因素，并且也要考慮到如整機(jī)壽命的合理性設(shè)計(jì)等其他因素。
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