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1、锅炉水冷壁超音速电弧喷涂技术方案一: 锅炉腐蚀和磨损机理 :1 磨损状况及其原因分析 循环流化床锅炉的磨损主要发生在燃烧室，锅炉尾部对流 受热面也发生与煤粉 炉同样的磨损，炉膛水冷壁的磨损，大致有以下几种情况 : 燃烧室 下部耐火防磨层 与膜式壁交界处以上一段管壁的磨损 ; 炉膛四个角落区域管壁的磨损 ; 炉膛出口两侧 管壁的磨损。这些部位出现的事故占水冷壁爆管事故的 95%以上。图 1 中列出了燃 烧室下部耐火防磨层与膜式壁交界处以上一段管壁的磨损机理。燃烧室下部耐火防磨层与膜式壁交界处以上一段管壁的磨损，是与炉内固体物 料的 总体流动形式有关。固体物料被烟气夹带飞逸出床层，沿水冷壁面向下流
2、动， 在交界区 域与向上运动的固体物料混合，局部产生涡流 ; 同时沿壁面下流的固体物 料在交界面处 产生反弹，这种反弹一部分往炉膛中心降落，但另一部分往水冷壁管 侧反弹，对水冷壁 管产生了切割现象，造成水冷壁泄漏爆管 (如图 2 所示)。(a) (b) (c) (d)3 图 1 燃烧室下部耐火防磨层与膜式壁交界处以上一段管壁的磨损机理(a) 冲击; (b) 切削; (c) 涡流; (d) 离心力引起撞击图 2 循环流化床锅炉水冷壁磨损照片 1.1 腐蚀状况及其原因分析5 循环流化床锅炉由于采用了内外循环的燃烧方式，其水冷壁等受热面的高 温腐蚀 问题比其他类型的锅炉更为严重。主要表现为以下特点
3、:(1) 高温冲蚀磨损 : 这是循环流化床锅炉水冷壁失效和爆管的主要原因，高的物 料 流化速度、大的物料粒度和浓度、硬质点 SiO 因素，2 都造成对水冷壁的严重冲 刷和 撞击。5(2) 高温氧化 : 炉膛内的温度高达 900?，甚至 1000?左右，致使水冷壁管表 面 的高温氧化现象十分严重。氧化皮在固体物料的冲刷下不断剥落、重新生成、再 剥落， 是水冷壁管壁逐渐减薄。(3) 高温腐蚀 : 炉膛内的烟气中常含有 HCI、HS、NaOH、SO、22SO 等腐蚀性气 体 会与管壁金属发生反应，破坏氧化膜，使氧化层变成 3疏松的海绵状，高温又会加剧腐蚀。而当锅炉燃用含 K、Na、S 等成份较多的煤
4、时，在炉内高温烟气的作用下，还 会发 生硫酸盐型腐蚀。这是由于燃料燃烧时升华逸出的碱性金属氧化物 KO 和 NaO 会冷凝在换热管壁上，这些氧化物与管壁周围的 22SO 反应生成硫酸盐，形成了松散的结焦层。焦层中的硫酸盐在含有SO33 的烟气作用下会与管壁氧化层FeO反应生成NaFe(SO)和KFe(SO),23343343-2-于是管壁再向内形成新的 FeO 层,由于复合硫酸盐腐蚀性强且熔点低, 23如温度大于 550?就呈稳定的液态，从而使管壁金属流失。上述腐蚀过程循环进 行，使管壁不断受到腐蚀。过热器管、再热器管及其支吊零件在壁温大于550?时发生的烟气侧腐蚀主要是由于上述原因造成的。二
5、: 我公司的超音速电弧喷涂技术方案 1 、涂层材料及其性能 我公司拟采用复合涂 层 : 用 NiAl 丝打底形成过渡涂层，在打底层上面再喷涂上 一层非晶态高硬度的耐磨涂 层 （即 TiB2 一 A12O3 陶瓷涂层 ） ，代号为 SE 一 SAM 的 电弧喷涂管状丝材，最后用 高性能耐高温封孔剂封孔。现将 SE 一 SAM 性能简述如下 :.1 非晶态材料的概念一般金属材料都是由许多细小的晶粒组成，在晶粒内部，原子成规则地排列。 非晶 态材料 （amorphous state） ，顾名思义，就是指非结晶状态的材料。它是对高 温溶液以 每秒 10 万摄氏度的超急冷方法使其凝固因而来不及结晶而形成
6、的，这时 在材料内部原 子作不规则排列，因而非晶态材料的硬度和机械度卓越。例如，拉丝 后纤维化的非晶态 铁钽硅硼合金线材，拉伸强度高达 400 公斤每平方毫米，为钢 琴丝的 1.4 倍，为一般 钢丝的 10 倍。由于这一特点，它可被用来制作高尔夫球 棍、钓竿等。3.2 非晶态高硬度耐磨粉芯丝材的性能图 2 所示的是非晶态合金的试验分析图。北京赛亿表面工程技术有-3-限公司研制的不锈钢非晶态高耐磨耐腐蚀粉芯丝材（SAM）具有比相似成分的晶态合 金高得多的耐磨性和耐蚀性，这种合金的优越性能填补国内没有高性能含非晶 耐磨耐蚀 电弧涂层制备技术的空白。非晶态高硬度耐磨涂层技术的实现，可在冶 金、石化、
7、能源 动力、机械制造9 等需要高耐磨耐蚀零部件表面制备含非晶的高性能涂层。热喷涂制备非晶涂层是近年来材料科学中广泛研究的一个新领域，可用热喷涂 工艺 获得大面积的、有较大厚度的非晶合金涂层，有效地提高材料的耐磨、耐蚀性 能。非晶态高硬度耐磨涂层是使用以 Fe 基含 Cr、Ni 、B 等合金或陶瓷成分的电弧 喷涂粉芯丝材喷涂而成的，喷涂层中含有非晶相，其耐磨、耐蚀性能优于国内外常 用电 弧喷涂材料。相对耐磨性为常用的 3Cr13 喷涂层的 10 倍以上，为 20G 的 21 倍 以 上，并有很高的结合强度(55MPa),硬度值65HRC。抗热震性能好(800?,热震 20 次，涂层完好 ) 。涂
8、层的孔隙率很低，并且涂层中的氧化物极少。相比其它喷涂 工 艺制备非晶相具有成本低、可原位现场施工等优点。经查新检索，采用电弧喷涂(a) (b)图 2 非晶态高硬度耐磨粉芯丝材的性能-4-(a) 非晶态合金 TEM 照片 (b) 非晶态合金 XRD 分析图片 3.3 非晶态高硬度耐 磨粉 芯丝材的应用SAM 是现阶段循环流化床锅炉“四管”防护的最佳材料之一。可作高耐磨、高 温耐 蚀涂层使用。适于锅炉内吹灰口、燃烧器附近和循环流化床锅炉受热面、风机 叶片、钢 厂转炉烟罩及烟道等耐磨耐蚀防护材料。自 SAM 面市至今已被多家企业应用于循环流化床锅炉管壁的维护工作。企业中 的典型应用实例为中国石油独山
9、子石化公司。独山子石化公司为中石油下属子公 司，该公司以炼化生产为主导，现有 600 万吨/ 年炼油和 22 万吨/年乙烯生产能 力。在建包括 5 台 440T/H 高压循环流化床锅炉在内均为千万吨炼油、百万吨乙烯 工程，公司今年计划2 完成 5 台循环流化床锅炉的安装工作，受热面喷涂计划完成 2200m2 总面积中的 1760m。1.2 电弧喷涂管状丝材的工艺参数电弧电压 :30V ; 电弧电流 :180A ; 喷涂距离 :150mm ;空气压力:0 . 6MPa 。1.3 SE 一 SAM 涂 层表面洛氏硬度及 X 射线衍射结果 由北京有色金属研究总院国 家检测中心检测：涂层表面维氏硬度平
10、均为1362HV01,涂层中含有A1203和TiB2 陶瓷相克服了含有 NiCr 一 Cr3C2 在电弧 温度(5000 一 6000K )分解的问题，真正获得 含有陶瓷相的电弧喷涂涂层。1.4 SE 一 SAM 涂 层的应用-5-SE 一 GY 涂层中有陶瓷相，达到了用电弧喷涂方法使涂层获得部分陶瓷相的目 的。这在国内外是首次研究发现。目前，可用于高温防磨，特别是冲蚀较为严重的 零部 件，如锅炉管壁、风机叶片等。 2 、锅炉防磨用打底丝材1.1 、代号 ：NiAl 丝1.2 、规格 ： 中 2 . omm1.3 、特点及应用范围NiAl电弧喷涂丝是制备结合底层的专用丝，基本成分是Ni95%,
11、 AI5%，状态为 经 过预合金化的实心丝。它除纯铜、钨、钼、铌、钽以外，几乎可以与所有金属形 成微冶 金结合。另外，该涂层材料的热膨胀系数与普通低碳钢和低合金钢的热膨胀 系数接近， 可避免在热循环过程中由热应力造成的涂层剥落。该涂层材料适用于燃 煤(油)电厂锅炉水冷壁管、过热器管、再热器管及省煤器管的高温腐蚀及冲刷防 护，以及造纸厂的黑液锅炉和垃圾焚烧炉等工业环境恶劣、对防护水平要求较高的 类似 场合。3. 涂层材料性能参数性能参数涂洛氏硬度耐蚀性结合强度 孔隙率层材料 HRC大小 0.9um良好耐腐蚀NiAl 67.2MPa 面密度 0 .9 % 25性体密度 0.70 %大小 0.8um
12、良好的耐磨SE SAM 5 OMPa面 密度0.8 % 60性体密度 0.78 %4. 超音速电弧喷涂技术原理-6-燃烧于丝材端部的电弧将均匀送进的丝材熔化，经拉伐尔喷嘴加速后的超音气 流将 熔化的丝材雾化为粒度细小分布均匀的粒子，喷向工件表面 （经喷砂除锈 ）形成 涂层。 该涂层因材质不同，分别具有防磨或耐腐蚀的作用，同时，因涂层较薄而且 材质为金 属、故涂层与工件结合强度高，并且不影响工件的传热性能。5 、超音速电弧喷涂的工艺特点( l ) 涂层结合强度高 ; 电弧喷涂可在不提高工件温度的条件下 获得高的结合 强度， 结合强度可达 67.2MPa热效率高 ; 电弧喷涂是直接用电能转化为热能
13、来熔化金属，热能利用率高达 60%-70,。( 2 ) 涂层孔隙率低 ; 涂层表面的孔隙率低于 1% ，提高了涂层的耐磨、耐蚀性 能。( 3 ) 可方便地制备假合金涂层 ; 以获得独特的综合性能。 ( 4 ) 热效率高 ; 电 弧喷 涂脂抹粉直接用电能转化为热能来熔化金属，热能利用率高达60%-70,。( 5 ) 生产效率高 ; 一般情况下，电弧喷涂的生产效率是火焰喷涂的 3 倍以上。( 6 ) 安全可靠 ; 仅使用电能和压缩空气，不用氧、乙炔等易燃气体，安全可 靠。由于( 超音速 )电弧喷涂具有独特的优点，因此在材料防腐、耐磨、旧件修复以 及生 产领域得到较为广泛的应用，产生了很大的经济和社
14、会效益。-76 、超音速电弧喷涂技术性能( 1 ) 应用空气动力学原理和计算机辅助设计以及拉伐尔喷管等技术，成功研 制出了 超音速电弧喷枪，大幅度提高了粒子速度，测得的粒子速度超过了当前国内 外电弧喷涂 粒子速度，其中粒子最大速度为 385.7m/s ”。( 2 ) 设计的超音速电弧喷涂电源，起弧可靠，加上拉伐尔喷嘴 对气流的加速 作用， 拉长了电弧并保持电弧的稳定，有效地提高了金属粒子的雾化效果和涂层的 致密度以及 涂层与基体的结合强度。 ( 3 ) 喷枪采用气冷方式，解决了金属粒子与 喷嘴内壁的粘接 难题，提高了气流的能量，有利于提高粒子的速度和涂层质量。该 项研究技术上有重大 突破，并且
15、有较高的学术价值，其喷涂粒子的速度、粒子的雾 化效果、涂层与基体的结 合强度、涂层孔隙率等性能指标，在当前电弧喷涂领域中 处于国际领先水平。对电弧喷 涂技术的发展具有很大的推动作用 ; 该技术在表面防腐、耐磨、特种功能涂层和装饰等方面都有着广阔的应用前景，必将产生很大的经 济 效益和社会效益。 7. 超音速电弧喷涂在电厂锅炉四管中的应用电厂锅炉管，包括水冷壁、过热器管道、再热器管道、省煤器管道 （ 简称锅炉 四管） 等工作环境恶劣，长期处在硫化腐蚀、高温氧化、粒子冲蚀环境中，且燃烧 产物形成的 Na2S04 、K2SO4 、等沉积于管壁表面，所以锅炉管道同时受到中温氧 化、中温冲刷磨损和熔盐热腐蚀，由此造成的损失巨大。为解决锅炉四管的磨损腐蚀失效，经过十多年的探讨，对八十余种-8-合金进行了研究，我公司最终推出的NiAl和JCW T合金丝得到良好的效 果。该合金丝采用双丝电弧枪喷涂，可在四管壁上形成一层致密的耐高温、防磨腐 蚀 涂层，从而有效地保护锅炉四管。 NiAl 材料在高温下能形成层高致密的氧化 膜涂 层，涂层抗硫化物侵蚀的能力相当于碳钢的 60 倍，其膨胀系数与碳钢接近， 可防止 涂层脱落。与粉末喷涂相比沉积率高，污染少，而且由于它的特殊组元在喷 涂瞬间也 能发生放热反应，因此，涂层与基体之间有自结合效果。超音速电弧喷涂涂层结合强度高、孔隙率低、耐磨耐蚀性能好。锅炉
