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鍍鋅鍋

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第六節 鋅鍋的使用壽命

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如前所述,鋅鍋鍋壁的轉接處、底部與鍋壁的轉接處是鋅鍋的薄弱環節,長邊鍋壁中部與底面轉接的地方則是最薄弱的部位。新鋅鍋首次投入使用時,含不飽和鉛的鋅液會引起鍋壁的晶間腐蝕,在殘余應力、熱應力及鋅液的靜水壓力的作用下,可能發生脆性開裂。鋅浴對鍋壁會產生侵蝕,過量不均勻侵蝕可能會導致鋅鍋穿孔。認識和解決好這些方面的問題,才能提高鋅鍋使用壽命。

1.液態金屬的腐蝕

純鋅液對鋅鍋壁的侵蝕是均勻的,不會引起晶間腐蝕,如圖1-3a所示;與鋅鍋壁反應形成的鐵鋅合金層對鍋壁有一定的保護作用。鋅鍋剛投入使用而起保護作用的鋅鐵合金層尚未形成時,不要加入鉛,要在鋅完全熔化后經過一段時間,確保鍋內壁已生成一定厚度的鐵鋅合金層后才能加入。

第六節 鋅鍋的使用壽命.jpg

2.應力

使鋅鍋發生開裂或變形的應力主要是拉應力。鍋內壁產生拉應力可能由于下列原因:

(1)熱膨脹引起的應力。鋅的熱膨脹系數遠大于鋼,如果鋅鍋緊密堆裝鋅錠后加熱,從20℃加熱到鋅熔化前的419.6℃,鋅的膨脹量比鋼的膨脹量大12.8mm/m,鍋壁就會產生拉應力。只有在鋅鍋內預留足夠的鋅錠膨脹空間,才可避免這種拉應力產生。

鋅鍋加熱過快,溫度較高的鋅鍋上部的膨脹受到溫度較低的底部約束,溫度較低部分就會出現拉應力。鋅鍋內外壁之間的溫差會使內壁處在拉應力狀態。鋅鍋壁各處的溫度不均勻,造成內應力,可引起鋅鍋彎曲變形,如圖1-6所示。鋅錠或鋅液加壓于鋅鍋底部,也會使鋅鍋底晨與側壁之間的過渡處出現拉應力。

 

正確的加熱控制,緩慢的加熱升溫,燃燒器布置在適當的位置,鋅鍋底部良好隔熱,鋅鍋壁各處的溫差控制在50℃以下,通過這些措施盡可能將熱應力減到最小。鋅鍋受熱部分與非受熱部分熱膨脹不一致而產生的熱應力,可通過測量和控制它們之間的溫差加以控制,允許的最大溫差與鋅鍋的尺寸、壁厚有關,鋅鍋越大允許的最大溫差越小。例如,最典型的鋅鍋深為2.2米,溫差100℃,鋅鍋檢測不到蠕變引起的宏觀變形。

實際上,熱應力不是鋅鍋損壞惟一的原因,鋅鍋損壞常常伴隨有液體金屬腐蝕。

(2)鋅液的靜水壓力。鋅鍋使用過程鋅液的靜水壓力一直作用在鋅鍋壁上,可以在鍋壁上產生拉、壓、彎曲等內應力,因此較深的鋅鍋鍋壁需要支撐。最大應力區處于鋅鍋長度方向側面的底部。鋅鍋在高溫下運行時,在應力作用下可使鋅鍋材料發生蠕變而導致鋅鍋整體變形。發生蠕變的臨界應力與溫度和時間有關。長時間使用后鍋壁向外彎曲就是鋅鍋材料發生蠕變的例證。由于鋼的高溫抗拉強度會隨高溫服役時間增長而降低,所以鋅鍋長期間使用(約十年)后會引起破壞。

(3)鋅鍋制造過程產生的應力。在制造鋅鍋過程中,鋅鍋鋼板的彎曲成形和焊接等都會產生內應力。但現代的生產技術方法可使這些內應力降得很低,對鋅鍋的使用不會有什么影響,不需要另外采取措施消除內應力。鋅鍋加熱升溫到通常的熱鍍鋅溫度后,加工過程形成的殘余應力都會降低。鋅鍋鋼板彎曲成形時一定要熱彎,以防止應變時效而發生脆化。

3.鋅鍋的服役壽命

鋅鍋的服役壽命決定于使用過程鍋壁的鐵被鋅侵蝕溶解的速度,鋅鍋底部被鋅侵蝕溶解的速度最小,因此失去的重量也最小。被鋅侵蝕反應的鐵的量可以用鐵損來度量。鋅鍋開始使用時,鋅液與鍋壁反應的機理與浸鍍鍍件上所發生的反應是相同的,即鋅與鐵反應在鐵的表面形成合金層。隨著時間的延長,鍋壁的鐵通過擴散作用不斷地被溶解。鍋壁生成的合金層可起到阻緩擴散的作用。鋅鍋的服役壽命與鐵損有關,而鐵損又和鋅鍋內壁與合金層的界面溫度有關,圖1-7所示為浸鋅/h鐵損與溫度之間的關系。加熱溫度在485℃以下時,隨著溫度升高擴散緩慢地增加,鐵損按照拋物線規律增加。在490~530℃的溫度范圍,隨溫度增高鐵損變成按照線性規律增加。鋅鍋內壁與合金層的界面溫度不能用一般的方法測量出來,它是鋅鍋輸入熱量與輸出熱量之間達到某種平衡的結果。

第六節 鋅鍋的使用壽命1.jpg

鋅鍋的服役壽命可以用鍋壁厚度被鋅侵蝕損失20mm厚度的時間來估算,估算情況列于表1-1。長時間浸鋅后的鐵損決定于常數a,而常數a是由溫度決定的。當內鍋壁的溫度增加,例如,從480℃提高到490℃,鋅鍋使用壽命會從6年減至4.3年;鍋內壁的溫度為500℃時,鐵損與時間成直線關系,壽命僅20天。

 第六節 鋅鍋的使用壽命2.jpg

在一定時間內,鋅鍋內壁被腐蝕的外觀形貌一般有兩種:波浪形和比較平坦的平面。如果鋅鍋壁各處溫度均勻,鍋壁上合金層的厚度也均勻,鋅鍋內壁被腐蝕的外觀形貌應該是比較平坦的平面。

波浪形外觀形貌形成過程可以用圖1-8來示意說明。因某種原因在某處開始產生高鐵損腐蝕,例如,在鐵鋅合金層破壞處或直接接觸到火焰而使鍋內壁溫度達到臨界溫度的部位,在這些部位鍋壁的厚度減小,形成侵蝕的凹坑,如圖1-8a所示。凹坑處鍋壁厚度的減小又導致該處鍋內壁溫度升高,侵蝕加快鐵損增大,使侵蝕坑逐漸變大變深。當坑中央的溫度逐漸升高并超過臨界溫度區后,侵蝕將減緩,強侵蝕高鐵損區轉移到了處于臨界溫度的相鄰環形區域,如圖1-8b所示。需要再次強調,一定要避免內鍋壁溫度處于480℃以上,更不能在這溫度范圍長期使用。

第六節 鋅鍋的使用壽命3.jpg

3b跨度走势图