热风阀阀杆镀层失效原因分析

袁军

(秦皇岛秦冶重工有限公司 河北秦皇岛066318)

1 前言

热风阀是高炉炼铁系统的关键阀门，安装在高炉热风炉系统1200～1450℃的高温热风管道中。热风阀由阀体、阀盖、阀板组成，阀板通过阀杆上下移动完成阀门启闭动作。阀体、阀盖、阀板均通以冷却水，确保热风阀耐高温、耐高压、可靠密封。阀杆与阀盖间设有迷宫环浮动密封以避免外泄露，为了达到其耐腐蚀、耐磨、耐高温的要求，一般在阀杆本体20钢管表面镀硬铬。

2 阀杆镀层的脱落

阀杆在高温、高腐蚀性恶劣气氛中频繁启闭，阀杆及密封填料间良好的耐磨及密封性能是非常重要的，阀杆表面电镀层一旦脱落，会损坏阀杆与阀盖配合处密封填料，造成密封处漏风，热量流失，能源浪费，严重的将引起高炉休风，给用户带来巨大损失。但是随着冶炼新工艺的采用和普及，恶化了热风阀使用环境，热风阀阀杆镀层脱落，阀杆腐蚀质量问题也时常发生。

图1是某钢铁公司使用的热风阀阀杆镀层脱落、腐蚀情况，由图可见，阀杆镀层有片状脱落、也有点状脱落。阀杆基体尤其是与阀板连接部位腐蚀严重。

图1 阀杆镀层脱落

3 阀杆腐蚀产物

对镀层脱落、基体腐蚀的阀杆进行了取样分析。图2、图3是在阀杆与阀板连接的腐蚀最严重处取样，进行的腐蚀表面能谱分析，结果如下：

图2 表面腐蚀产物SEM形貌

图3 元素面能谱分析结果

从表面腐蚀产物SEM形貌分析，腐蚀表面明显有C、Cl、S、K、Ca等元素的富集，表明阀杆在服役过程中，高炉活性炭气氛和高温引起碳原子在阀杆表面沉积。氧化层的主要腐蚀产物是氧化铁，含有微量的Cl、S等元素，说明阀杆受到了氯气、二氧化硫或硫化氢等腐蚀性气体的腐蚀。

4 腐蚀原因

上述分析结果也说明了高炉气氛中除高炉煤气外，还含有较高的含Cl、S等的酸性气体。资料介绍[1]，大高炉原料越来越多的使用进口矿石，运输方式主要是海运，使氯元素含量普遍高于地方矿，导致高炉煤气中Cl元素含量更高。焦炭、煤粉、球团也都是烧结矿所需的原料，同样也不同程度的带入氯化物、硫化物。同时，企业为降低高炉冶炼成本，提高产量，广泛采用烧结矿喷洒氯化钙(CaCl2)溶液、高炉富氧喷煤等技术[2]，这些技术的应用也会造成炉气中的酸性组分(SO2、SO3、H2S、HCl等)含量相对增高。当各种酸性组分存留于炉气中，遇其温度降至露点以下时，对管道部件就会造成腐蚀，热风阀阀杆正是处于这样的酸性腐蚀环境中。氯化物、硫化物为酸性介质，与镀层Cr、基体Fe形成了原电池，从而导致阀杆腐蚀，镀层脱落。

即使在中性环境中，氯离子的存在也会对金属材质甚至不锈钢产生腐蚀，因为氯离子的体积小，容易穿透金属氧化膜，金属氯化物水解在微区，形成酸性环境，使得金属氧化膜结构被破坏，从而发生腐蚀。

那么，能否最大限度地隔离腐蚀环境，让腐蚀无孔可入呢？

5 阀杆镀层质量分析

鉴于热风阀阀杆的工况条件，阀杆需要耐高温、耐磨、致密性高、镀层无孔隙且结合牢固，镀层厚度0.08～0.15mm，硬度HV≥850。对于上述要求，进行如下试验：

1)电镀层孔隙试验[3]

采用贴滤纸法确认电镀层是否存在孔隙。

试验溶液：用蒸馏水配制含有下列成分的溶液：

试验步骤：

(1)保持试验环境的清洁，避免空气中弥漫有铁粉。

(2)用乙醇或其它适当的除油剂彻底除去待测表面的油污，用蒸馏水洗净并晾干。

(3)将浸有上述试验溶液的滤纸紧密贴附在待测表面上保持10min，若滤纸在此期间干燥了，可滴试验溶液少许将滤纸湿润。

(4)10分钟后取下滤纸，观察与镀层接触的表面。

如果滤纸上有蓝色印痕，这是基体铁与溶液的反应产物，表明镀层上有通达钢铁基体的孔隙。图4是电镀层有孔隙和没有孔隙检验结果对比。

图4 有孔隙和没有孔隙检验结果对比

阀门长期工作在热风管道中，管道内存在多种气氛，属于弱酸性介质。如果镀层存在孔隙，每个孔隙即与管道内弱酸性介质形成一个微原电池，基体材料铁与镀层材料铬为两个电极，形成电化学腐蚀，造成电镀层腐蚀脱落。

镀层存在微孔隙，是阀杆腐蚀的原因之一。

2)电镀层与基体结合强度

划格试验采用30°锐刃的硬质钢划刀，在阀杆镀层上划1mm的方格，磨擦观察在此区域内镀层从机体上的剥落情况。如果剥落，则镀层附着力弱，说明镀层与基体结合强度低。如果电镀层与基体结合不牢，容易使氧化性介质进入镀层与基体之间，加速镀层的腐蚀脱落，这是阀杆腐蚀的原因之二。

3)电镀层表面粗糙度

电镀阀杆粗糙度要求Ra不大于0.8μm，粗糙度达不到要求，既容易形成孔隙，又容易在使用过程中磨损。这是阀杆腐蚀的原因之三。

4)电镀层硬度

要求镀层硬度，防止阀板启闭过程中，阀杆镀层被填料以及填料处粉尘划伤或磨损，导致阀杆基体腐蚀，这是阀杆腐蚀的原因之四。

同时，电镀层表面不允许有起泡(起皮)、花纹、麻点、磕碰等缺陷。这些缺陷很容易造成电镀层腐蚀脱落。

通过以上分析知道，恶劣的高炉工况条件是设备生产厂家无法左右的，只有生产出满足用户工况条件的产品。本课题中只能针对阀杆镀层质量问题产生的原因，采取措施，从根本上解决镀层质量问题，防止微孔腐蚀，防止镀层脱落。

6 质量保证措施

为保证电镀层质量，消除镀层孔隙，提高电镀层与基体结合强度，满足粗糙度、硬度要求，杜绝表面缺陷，采取以下措施：

1)对电镀阀杆严格技术要求：

(1)阀杆在机械加工前必须去应力退火，以防后续使用过程中阀杆本体受热变形，镀层脱落。

(2)镀前阀杆表面粗糙度Ra值不大于0.8μm。

(3)镀前必须经过酸洗处理，彻底去除阀杆表面氧化层、油污等。

(4)镀层要求耐腐蚀性硬铬。

(5)镀层厚度0.08～0.15mm。

(6)镀层硬度不小于HV850。

(7)镀层不允许有通达基体的孔隙。

2)严格电镀溶液要求：降低镀液浓度，优化电镀溶液配方：铬酐(CrO3)50g/L；硫酸(H2SO4)0.3g/L；氟硼酸钾(KBF4)0.4g/L。

3)严格控制杂质含量

选择与镀液不发生反应的挂具、夹具，避免形成杂质离子。

4)镀前表面酸洗处理

将阀杆浸入含有硫酸(H2SO4)120g/L、缓蚀剂0.3～0.5g/L，50～75℃的酸洗液中，停留一段时间，直到将表面污物除净为止。酸洗处理后的阀杆要尽快电镀。

5)阀杆镀前预热。

镀前阀杆先浸入在镀液中停留10～15min，待温度均匀后再通电实施电镀。

7 结语

通过以上技术手段，形成了有效的生产保障措施和流程，保证了电镀层质量。近几年，有关阀杆电镀层脱落、腐蚀的反馈越来越少，基本满足了用户高风温、高风压、强化冶炼的工况条件，提高了热风阀使用寿命，取得了良好的经济效益和社会效益。