CFB锅炉金属受热面的防磨技术

科技先锋 · 发表于 2010-2-22 13:14:18

摘要：循环流化床(CFB)锅炉金属受热面的磨损问题，一直困扰着锅炉的正常运行。尽管采用过一些防护措施，但成效并不理想。本文介绍了热喷涂对CFB锅炉金属受热面的防磨技术。指出:超音速火焰(HVOF)喷涂金属陶瓷粉(如NiCr-Cr3C2)，能取得良好的耐磨效果，但成本太高，不宜在中国推广采用，而电弧喷涂仍是可取的工艺方法。涂层耐磨性的关键是选择优质的喷涂材料。
对于CFB锅炉金属受热面的磨损问题，人们已经采取了一系列措施，包括炉型设计、操作制度及各种表面强化与防护。在炉型及操作制度既定的前提下，金属受热面的耐磨强化与保护，是延长其工作寿命的主导方向。
迄今为止，在已被试用和开发的炉管强化和防护对策中，先后出现过预熔敷层、加装保护套、导向片、耐磨瓦、耐磨涂料、喷焊及堆焊等方法。实践表明，尽管上述方法都在某种程度上起到一定作用，但在耐磨成效、传热和运转要求方面，尚有严重不足和弊端。无疑，在诸多方法中，热喷涂技术是提供耐磨涂层最有效的一种，它已在国外取得良好成效并继续飞速发展中。国内开展这项工作，已有多年历程，并逐步被电厂接纳与肯定。
热喷涂技术发展至今，已出现七八种工艺方法，但真正能用于电厂锅炉生产现场中，只有二三种。出于经济方面的考量，电弧喷涂拥有相对优势，这也是我国大多采用此法的缘由。就喷涂技术而言，涂层的耐磨性能，主要取决于喷涂方法及喷涂材料，当喷涂方法确定为电弧喷涂之后，喷涂材料的选择最为关键。
一、热喷涂技术描述
热喷涂技术整整有一百年的发展历史。它是利用电能、燃烧能或其他形式的热源，将喷涂材料熔化或加热至塑性状态，在某种装置中获取一定速度，以熔滴或塑态颗粒状态，被喷射到工件表面，形成不同功能的涂层。喷涂材料有粉末、丝(线)材、棒材或带材等不同几何形态，材质可以是金属、非金属、陶瓷、金属陶瓷、玻璃或塑料等。
依据热源形式的不同，热喷涂技术大体可分为火焰喷涂、电弧喷涂、爆炸喷涂、等离子喷涂、超音速火焰喷涂(HVOF)及冷喷涂。各种喷涂方法所提供的火焰温度、颗粒(熔滴)的飞行速度及其所形成涂层的有关物理性能见表1。由表1可看到，HVOF可获得最高的结合强度和最低的孔隙率，这对涂层的抗磨性能至为关键。热喷涂技术之所以能在电厂锅炉耐磨抗蚀方面取得成功应用，主要有下列缘由：
(1)热喷涂工艺方法较多，能提供不同工艺条件，适应于多种材料形成涂层。 (2)涂层材料有数百种之多，可从中做出恰当的挑选，形成特定涂层性能，以满足不同的工况要求。 (3)实施喷涂过程中，不会危及到工件的物理和化学形态。 (4)涂层的物理性能、结合强度、热涨系数和传热效果等方面，能满足锅炉运转的要求。 (5)操作灵活方便，能在炉内作业，施工速度较快，成本低廉。正因如此，热喷涂技术在煤粉炉、废热锅炉、重油锅炉、焚烧炉、干熄炉及CFB锅炉等金属受热面的防腐抗磨方面得到广泛应用，为时已达30余年，取得显著成效。
二、几种喷涂方法的技术与经济分析
1.方法简评
在喷涂材料一定的情况下，涂层性能与喷涂方法密切相关。喷涂方法对喷涂材料提供熔滴的飞行速度、受热温度和气氛等，这些因素对涂层的物理性能至关重要。
等离子喷涂具有最高的火焰温度和较高的颗粒飞行速度，几乎可喷涂所有材料，但其设备体系复杂，难以进入炉内施工。火焰喷涂的温度及颗粒速度都是最低的，难以找到合宜的材料形成耐磨涂层。它的另一种工艺是自熔合金喷涂，形成致密的冶金结合涂层，硬度高、耐磨性好。国外有人采用高频重熔技术，预制硬面的合金层炉管，然后装入炉内使用。该工艺将工件加热至1000℃左右，存在着工件变形和金相组织变化的可能，施工速度很慢，加之近年镍价飞涨，除某些特殊情况或预制炉管成品外，通常在很少采用。
冷喷涂是最近几年发展起来的新工艺，它的最大特点是喷涂材料受热温度低，只达到塑性状态，而颗粒的飞行速度则高至某一临界值，使之能在工件表面形成涂层。冷喷涂最适合喷涂某些易氧化的金属，难以形成耐磨涂层。
2.HVOF工艺
HVOF最适宜喷涂的材料有NiCr-Cr3C2、WC-Co、及WCCoCr等。因为HVOF火焰温度仅为3000℃左右，致使这些材料在喷涂中不会有过多的失碳，保证了涂层性能。
上述金属碳化物的HVOF涂层，工作温度有区别，WCCo涂层用于550℃以下，NiCr-Cr3C2涂层为550～980℃，WCCoCr涂层则兼有耐磨与耐蚀，通常应用于水介质环境。国外常采用HVOF喷涂NiCr-Cr3C2粉，用于煤粉炉的抗腐蚀和CFB锅炉受热面的磨损，有一定的实践基础和较多的理论探讨，涂层耐磨性良好，被认定为最有效的一种工艺方法。
采用HVOF喷涂NiCr-Cr3C2粉，最大问题是经济成本。NiCr-Cr3C2粉不仅售价高(每公斤数百元)，沉积效率仅20～30，若喷成0.5mm厚的涂层，每平米仅粉量就20kg以上，材料费一项就8000元左右，加上HVOF的燃油(或燃气)及耗氧，成本应在1.2～1.5万元之间。如此之高的操作费用，令人望而生畏。何况，0.5mm涂层究竟坚持多久，国内数次试验并不理想，欲达到如此的性价比，相距遥远，对此国外也在寻求取代的方法。
3.电弧喷涂
电弧喷涂具有操作成本低、机动灵活、适于现场作业、以及喷涂线材类别渐多等一系列特点，近几年吸引了更多的注意力。电弧火焰的温度3000℃上下。其不足是其熔滴速度通常为200～300m/s，涂层结合强度和致密性受到限制，国外出现了超音速火焰线材喷涂或高速电弧喷涂设备，为制取优质耐磨涂层创造了条件。
三、耐磨喷涂材料
当喷涂方法被确定后，喷涂材料是决定涂层性能的基本因素。电弧喷涂材料大体可分实芯丝和粉芯丝。受冶金方法的限制，实芯丝难以达到高耐磨性能，粉芯丝的内芯是粉末，粉末材质可有多种选择和配置，近年来许多耐磨涂层的粉芯丝相继问世，粉芯丝的外皮有铁、镍、铬、铜、铝等基材，但铁和镍基较为常见。为了使用于CFB锅炉管的传热最佳，粉芯材料不应选Al2O3，Cr2O3，ZrO2等氧化物或其他导热不良材料；WC做粉芯，最好应用于工作温度不超过600℃的部位。喷涂材料的选择是涂层设计的重要内容。针对CFB锅炉受热面的磨损,应对该部位的磨损类型和机理做出基本分析,然后才能对喷涂材料提出全部的要求。有代表性的电弧耐磨涂层材料示于表2。
与抗腐蚀性不同，耐磨性的材料往往并不含更多的Ni，从材质成分难以判断其涂层的耐磨性，从国外TAFA公司新近推出的耐磨抗蚀喷涂材料，最大特点是含有纳米及非晶态，表明涂层耐磨性与其结构有更大的关系。
四、磨损部位及其类型
1.磨损部位
CFB锅炉金属受热面的磨损通常出现在下列位：
(1)燃烧室下部耐火层终端以上2～3m的密相区(严重)。 (2)燃烧室四角耐火层上部管段(严重)。 (3)水冷壁管焊缝部位(严重)。 (4)炉顶出口两侧水冷壁管(严重)。 (5)燃烧室上部水冷壁管。 (6)其他某些部位。
实际上，炉壁内金属受热面各部位的磨损程度并不均等，磨损最大因素是颗粒速度、涡流和固相浓度，炉腔四角浓度高，涡流集中，焊缝和耐火料界面有凸起等等，是磨损最严重的部位。
2.磨损类型
由于燃烧室内各部位气固两相浓度、粒度、速度和方向等因素的不同，致使受热面的磨损类别各异，大体可分为两大类：
(1)冲蚀磨损气流中夹带一定浓度的固体颗粒，以一定的速度对受热面进行冲击所造成的磨损。此种磨损应被限定为颗粒冲击角度较大，管面反复被颗粒冲击，产生塑性变形、疲劳与形变脱落。
(2)切屑磨损冲蚀磨损过程中，颗粒以较小角度对受热面冲击，对表面材质挖槽与刨剥，这实质上是一种磨料磨损。
实际上，水冷壁大部分经受的是切屑磨损，在产生涡流的四角、焊缝接口，浇注料平台等部位，磨损形式还要复杂，其中兼有冲蚀，切屑及疲劳磨损的综合过程。冲蚀磨损可用下列公式描述它与有关因素之间的关系：
E———为冲蚀磨损重量； Mp———为冲蚀介质重量； Vp———颗粒撞击速度； K和n———与材料物理特性有关的常数，n值与颗粒直径有关，通常为3～4之间； F(α)———与冲击角有关的功能关系数。
从上式可知，磨损量与颗粒速度关系最大，其次是颗粒浓度。
实践表明，燃烧室四角和耐火材料界面有凸起的部位，若不采取防磨措施，磨损最为严重，国外的实测数据为5μm/h，而国内通常运行1000h左右，常发生水冷壁爆管。
五、涂层的耐磨形式
实际上，不同的磨损机理对涂层的要求是不同的。涂层的耐磨性能与涂层结构、硬度、韧性、组成、致密度、硬质相的密度与分布等因素有关。固体颗粒对工作面的冲击角度对涂层材料的硬度及韧性的要求有差异。硬质材料随着冲击角的增大，磨损性能越差，在90°时达最低。硬质材料对疲劳磨损的抵御能力差。而在冲击角度不大时则表现最耐特磨；韧性材料则相反，在15°角度时磨损值最大，随冲击角的加大，磨损值下降，至90°时耐磨性最好。据此，可针对炉内工作面受冲击的角度，对涂层物理性能进行规范与设计。
六、LX88A电弧喷涂材料的设计特点及其应用
1.设计特点
LX88A电弧喷涂材料的研制，充分考虑到CFB锅炉金属受热面的磨损机制、特点和要求。该丝材是粉芯结构，粉末含多种组分，经团聚后，各组份在各级粒度中分布均匀，避免了传统粉芯丝制造中的不均匀性。丝材整体含60的塑性相及40的硬质相。硬质相是由非晶物质组成的陶瓷，硬度高，呈微粒状，经喷涂后，这些微粒均匀分布于整体涂层中，微粒镶嵌在塑性体中，硬质微粒之间的空隙小于冲蚀介质的粒子尺寸。这种涂层体系充分考虑到CFB炉内颗粒的大小浓度及冲击角度的实况，符合磨损机制的要求，表现了良好的抗磨性。
2.涂层物理特性和耐磨性能
经电弧喷涂后，涂层的物理性能如下： 结合强度：60MPa。 空隙率：<1。 硬度：1015HV0.3(70HRC)。 耐冲蚀磨损性能：
以目前用于CFB锅炉金属受热面公认为优良的HVOF喷NiCr-Cr3C2涂层为参照点，西安交通大学对LX88A涂层与该参照点做了对比试验，冲击角度为30°及90°，试验结果可知，LX88A在30°冲击角时好于NiCr-Cr3C2涂层，在90°时二者相同。
3.应用结果
LX88A自研制成功推向市场以来，历经5年的实际应用，喷涂工程项目约650项，总喷涂工程14万平米左右，喷涂层本身工作寿命可达一至两年。2005年经中国材料研究学会和中国表面工程协会联合组织技术鉴定，认定为世界先进水平，应予大力推广。
七、存在问题
在CFB锅炉采用热喷涂防磨的实践中，有些问题应提出供商榷：
(1)关于涂层材料的鉴别由于涂层耐磨性与多种因素有关，很难借凭材料的化学成分作为耐磨性能鉴别的依据。不少用户依Ni或Cr等元素的多少而定，殊不知，它们之间并无直接联系。与其如此，倒不如依该材料的涂层所进行的涂层硬度、空隙度及耐磨性的测定数据进行判断。
(2)关于涂层厚度涂层的一定厚度对其耐磨性是必需的，但对涂层进行非破坏性的现场测定较为困难。不少用户希望借助仪器，既方便又直观，但实际问题是：炉管和多数涂层都含Fe、Ni等元素，属导磁材质，欲用非磁性、磁性、涡流及超声等原理制作的测厚仪，都不能准确地给出厚度值，这是国内外普遍遇到的尚待解决的问题。
(3)关于市场规范近些年喷涂施工价格不断跌落，而原材料则扶摇直上。为了起码利润，有个别施工者采取低劣材料，冒假充真，节料减薄及价格的无序竞争手法，混迹于业内，给热喷涂技术带来信誉危机，影响行业的健康发展。
八、难点
第一，磨损严重的部位仍回天无力：在少数情况下，会遇到总喷涂面中几个手掌大小耐磨性达不到预期效果，对这种顽症，尚找不到理想的喷涂方法及相应的材料，使之能与其他部位同步磨损。
第二，废旧涂层难以去除和接口：以LX88A涂层为例，运行一年之后，该涂层欲去除重新喷涂，难以用常规方法除尽。(

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