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    環硫化床鍋爐熱噴涂耐磨涂層可行性使用報告

    更新時間:2019-06-18 14:16:09點擊次數:715次

    一、引言
          硫化床鍋爐的磨損與高溫腐蝕是電力行業人所共知之事,哈爾濱金海萊德噴涂工程技術有限公司,研制了JH-801,超音速電弧噴涂新材料,主要針對硫化床鍋爐嚴重磨損與高溫腐蝕而開發的,同時也適用于其它類似的工況條件。

         JH-801材料的噴涂涂層具有優異的抗沖蝕,抗磨粒磨損及抗高溫氧化性能。涂層的致密性,導熱性與熱脹系數均達到***優化,經實踐證明完全符合CFB的運轉要求。

     

    二.循環硫化床鍋爐受熱面的磨損分析

        循環硫化床鍋爐內存在不同方向、不同角度、不同是顆粒濃度的氣流,以各種形式射流至工作表面上,形成復雜的磨損過程。這是一種磨粒磨損與沖擊腐蝕磨損的過程。磨粒磨損是一種硬表面或含有硬質點的軟表面,以滑動的形式作用于更軟的表面上,而硬面或硬質點的突出部分在軟面上沖刷,加上煤矸石顆粒磨粒,不斷對軟面進行磨損的過程。

        硫化床鍋爐在正常運行時,夾帶于氣流或液化流中的固體顆粒煤矸石,以高的速度撞擊到基體表面時,即產生沖蝕磨損。其實質上也是一種磨粒磨損,磨粒磨損主要是在外力的作用下磨粒(煤矸石)沿表面的移動,不斷的沖刷磨損,使管壁減薄,其結果使表面產生微小塑性變形或者微裂紋,直至爆管。這種情況下,鍋爐管表面的韌性耐磨性更為重要。硫化床鍋爐的受熱面,除上述磨損外,還存在有微振磨損及高溫腐蝕氣體等,實際過程更復雜。

     

    三.硫化床鍋爐熱噴涂技術工藝的選擇

         對于硫化床鍋爐受熱面的金屬表面抗磨損、抗高溫腐蝕,熱噴涂技術在近年來受到重視并取得很大成就。因為熱噴涂方法和材料有充分的選擇余地,生產效率高,施工成本低,可在現場爐內施工。

         熱噴涂技術是一種工件表面強化和保護的工藝方法,它以氣、液態、燃料、電弧或等離子作熱源,將噴涂材料加熱到熔化或塑態,借助于壓縮空氣或火焰推力將之噴射到預處理工件表面上,形成各種性能的涂層。由于噴涂材料是合金、陶瓷、金屬陶瓷、塑料等各種工程材料,其涂層具有耐磨、耐蝕、抗高溫、隔熱、絕緣等各種功能。根據不同的熱源,熱噴涂可分氧乙炔火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、高速火焰噴涂(HVOF)等。

    1:各種熱噴涂技術特點:

     

    項目

    粉末火焰噴涂

    絲材火焰噴涂

    超音速電弧噴涂

    等離子噴涂

    高速火焰噴涂

    真空等離噴涂

    火焰溫度℃

    3100

    3100

    50006000

    500015000

    2900

    500012000

    粒子飛行速度M/S

    50~70

    100~120

    150~315

    氣流速度600

    200~600

    600~1200

    500~800

    結合強度/MPa

    重熔70

    噴涂14-30

    21~52

    45~55

    35~70

    60~90

    780

    空隙率%

    7~12

    3~8

    3~5

    0.5~3.0

    0.5~2.0

    0.1~1.0

    生產率kg/h

    5~6

    5~8

    5~20

    5~10

    3~5

    5~10

    生產成本

    較低

    較低

    較高

    特高

         表1中列出了各種熱噴涂方法的***基本的特性,涂層性能在很大程度上取決于噴涂材料及噴涂工藝的選擇。表中列出的噴涂方法都可以用來噴涂硫化床鍋爐受熱面的耐磨涂層,具體分析如下:
    1.火焰粉末或絲材噴涂,由于工藝自身的局限,可供選取的噴涂材料有限,涂層性能差,難以取得理想結果?;鹧鎳姾?span>Ni基自熔合金粉,涂層經重熔,才能達到很好的耐磨效果,噴焊時加熱,溫度達1000℃左右,工件長時間在高溫中,使金屬內部組織結構發生變化,有些元素被燒毀,如C在長時間的高溫下產生脫C或者流失,噴焊工效低,工件易變形,在鍋爐防磨、防腐噴涂中,絕不能采用噴焊工藝方法。

    2.等離子噴涂(包括真空等離子噴涂):能獲得很好耐磨涂層,但成本高,不能現場施工,一般不采用。

    3.高速火焰噴涂(HVOF):此方法噴涂NiCr-Cr3C2涂層的工作壽命可達10個月到一年。(一般煤粉爐的磨損30~40μm)。HVOF噴涂已在日本、韓國、美國、法國、俄羅斯等國家采用,不足的是,噴涂成本過高,材料昂貴,涂層沉積率低,僅為30%左右,在我國難以推廣。

    4.超音速電弧噴涂技術:操作成本低,施工方便,生產效率高,是我國目前電廠鍋爐進行噴涂的主要工藝方法。

     

    四.超音速電弧噴涂技術的簡介

         超音速電弧噴涂技術是一種新型的電弧噴涂技術,該噴涂技術的優點:熔滴射速高,粒子霧化效果好,在距噴涂槍噴嘴軸向80mm范圍內,氣流速度達600m/s,粒子飛行速度150~315m/s,涂層的結合強度達50MPa 以上,涂層致密,涂層孔隙≤5%,涂層沉積率為74.8%,噴涂工作效率每小時噴涂各種材料都達到15kg以上。超音速電弧噴涂24小時可連續地工作,也為電廠在檢修贏得時間保證。

     

    五.JH-801涂層基本特點

    1)具有足夠高的涂層硬度及與之相配合的韌性。磨損機理的分析表明,硬度不夠高的涂層不具備經受磨損所必需的條件,但僅有硬度容易產生疲勞而失效。涂層系統中應具備硬度和韌性兩種特性,而且它們之間的搭配形式與組合,以及構成涂層的晶型與結構,是構成JH-801具有抗磨性***重要的特征。在某種程度上說,構成涂層(或噴涂材料)的化學成份并不足以提供耐磨性能,而涂層的相、晶型及微觀結構則是更重要的要素。

    2)JH-801對爐管基體有很高的結合強度,不會在工作中經物理或化學的作用而脫落,即使出現意外情況,例如出現漏水而驟然冷卻也不會。

    3)對基本材料有大體一致的熱膨脹系數,不會由于熱沖等工況導致涂層因熱脹系數差異產生應力而脫落。

    4)涂層的導熱性良好,不會給爐管的熱傳導產生不良影響。

    5)涂層不會損害爐管基體,因為噴涂時基體溫度不會超過一定界線
    (通常<200)。

    6)涂層和基體投入工作后,在二者之間不會出現有害的物質擴散,也不會產生裂紋擴延至基體。

    7***重要之點,還在于JH-801涂層本身性能具有非常高的耐磨性,耐熱沖性及抗高溫氧化能力。使其能勝任工況的要求。


    六.JH-801涂層的基本特性

    JH-801材料形成的涂層具有以下重要特性:

    1、涂層硬度HV0.31015(相當于HRC70
    2、涂層結合強度:60.5Mpa
    3、涂層孔隙率:<5%
    4、涂層耐沖蝕磨損達到HVOFNiCr-Cr3C2涂層水平,而其耐磨粒磨損性則是HVOFNiCr-Cr3C2涂層的2倍。
    5、耐高溫性能:當沖蝕角為25o時,即使到1000℃其抗沖蝕性能不會下降,當沖蝕角為90o時,只有超過800℃時才開始下降。


    七.超音速電弧噴涂技術工藝參數。

    由于普通電弧噴涂與超音速電弧噴涂設備的性能基本相同,以下列出超音速電弧噴涂工藝參數。

    電弧電壓:28-36V
    工作電流:200-300A
    噴涂移運速度:10-15cm/
    噴涂角度:45-90℃。
    噴涂距離:120±25
    風壓:>6 kg/cm2

    噴涂時采用分片多遍噴涂原則(涂層厚度必須在1mm以上,至少噴10-12遍)。

     

    八.超音速電弧噴涂工藝流程

    1.表面處理

         噴砂是為了更好的提高涂層與基體的粘接強度,經研究試驗和多年來現場施工經驗總結,噴砂分為兩步進行。一是用石英砂,除去基體表面銹污,二是用剛玉砂,(棕色氧化鋁砂子),目數16-24目混合砂;噴砂,是提高基體表面的粗糙度毛化和表面活化度,使涂層與基體具有很高的結合強度。

    2.噴涂打底

         進一步提高涂層與基體粘接強度,必須噴涂過渡層涂層,材料選NiCrA1Fe,這是放熱性材料,能大大的提高涂層與基體粘接強度。

    3.噴涂工作涂層

         工作涂層是鍋爐防磨損、防高溫腐蝕主要涂層,噴涂材料是延長涂層使用壽命之本。工作涂層材料是我校與北工大研制的高硬度、高耐磨、抗高溫氧化耐蝕性的復合粉芯絲。GY-60、NiCr-Cr3C2的金屬陶瓷,多年來一直在電廠使用。工作涂層的厚度一定要噴涂到1mm以上,材料用量每11-13kg/m2。

    4.涂層封孔

         為徹底消除涂層的孔隙,防止二氧化硫及硫化氫進入涂層孔隙,對涂層必須進行封孔,封孔選用我司JH-3封孔劑,是一種無機耐高溫封孔劑,其在760~800℃時發生反應生成玻璃相,對涂層起到保護作用。涂刷封孔劑時將涂層表面的粉塵用高壓空氣吹凈,涂刷兩遍。

     

    九.超音速電弧噴涂的技術指標。

    1.涂層的結合強度:經北京625研究所測定,平行6組數據,依次為:61.5、60.7、59.2、61.3、60.7(Mpa )  平均為60.5Mpa。

    2.涂層硬度:經北京625所測定,平行10組數據,依次為HV0.3  1031、1027、984、870、1168、1192、880、844、1210、945,平均值HV0.3  1015(相當于HRc70)。

    3.涂層孔隙率:<1%(北京礦冶研究院測試)

    4.涂層厚度:可噴涂較厚涂層,即使達2㎜,其結合強度并無顯著變化

     

    十.在超音速電弧噴涂硫化床鍋爐使用效果。

         針對國外一些著明的耐磨涂層材料,采用不同的工藝方法(HVOF、電弧噴涂、噴焊、激光熔敷導),以及不同溫度(25℃、315)和不同角度( 25°、90°),對JH-801涂層做了對比試驗,從中可得出:

    1、耐沖蝕性能:JH-801涂層大體是45號鋼、Fe21Cr8Ni3.2Mo合金鋼,Fe29Cr高鉻鋼,Fe14Cr4.5Ni不銹鋼等涂層材料的10-17倍,與HVOFWC-Ni涂層、激光熔敷WC-NiCr焊層相當。

    2、耐磨粒磨損性能:膠輪干砂磨損大體是不銹鋼涂層的24倍,是21Cr8Ni合金鋼涂層的21倍,與HVOFWC-Ni相當。

    3、粉爐沖灰器及火嘴周圍的水冷壁、過熱器和省煤器等相關部位
          煤粉爐通常因交變溫度熱沖、氧化及氣體腐蝕導致爐管失效,但對省煤器,因煤粉到達此處已呈燒焦狀態,質地堅硬、且夾帶氣流飛速高,致使該部位磨損嚴重。在這種情況下,噴涂JH-801 0.8㎜厚,可延長工作壽命3倍上下。
         吹灰器則是氣流中固體顆粒以高速沖擊爐膛工作面,在吹掃灰渣的同時,對爐管產生磨損。實踐表明,噴涂JH-801對吹掃區的工作壽命有顯著的改善,***長工作壽命達七年。

    4、CFB鍋爐金屬受熱面:
        大量JH-801涂層被用于CFB受熱面的噴涂。實踐表明,由于煤質組成及爐型的差異,以及爐子運轉制度及部位的不同,磨損情況不盡相同,應用效果也有差異。但涂層大體能延長工件工作壽命2-3倍。

    5、鋼鐵廠高爐的荒煤氣管,因含有高濃度的鐵礦石粉,對導出管道,特別是彎頭及S彎處,造成嚴重磨損。通常8㎜厚的無縫鋼管只堅持40天,    20㎜厚的16Mn鋼板厚補只用4個月,噴涂JH-801涂層可使用8個月左右。

    6、冶金團礦車間強力風機葉片,噴涂JH-801  0.5㎜厚,可延長風機工作成壽命2倍。

    7、電廠風機葉片噴涂JH-801 涂層0.5-0.8㎜厚,可延長引風機工作壽命3-4年,排風機可達1.5年以上。

    8、水泥廠鼓風機葉輪,工作20天即被報廢,電弧噴JH-801 0.8mm可延長工作壽命達一年。

    9、陶瓷制品廠液壓機栓塞,噴涂JH-801  1-2mm,栓塞工作壽命由3個月延至一年。

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