循环硫化床锅炉热喷涂耐磨涂层可行性一、引言 硫化床锅炉的磨损与高温腐蚀是电力行业人所共知之事，广州三鑫金属科技有限公司研制了SX-801，超音速电弧喷涂新材料，主要针对硫化床锅炉严重磨损与高温腐蚀而开发的，同时也适用于其它类似的工况条件。 SX-801材料的喷涂涂层具有优异的抗冲蚀，抗磨粒磨损及抗高温氧化性能。涂层的致密性，导热性与热胀系数均达到最优化，经实践证明完全符合CFB的运转要求。二．循环硫化床锅炉受热面的磨损分析 循环硫化床锅炉内存在不同方向、不同角度、不同是颗粒浓度的气流，以各种形式射流至工作表面上，形成复杂的磨损过程。这是一种磨粒磨损与冲击腐蚀磨损的过程。磨粒磨损是一种硬表面或含有硬质点的软表面，以滑动的形式作用于更软的表面上，而硬面或硬质点的突出部分在软面上冲刷，加上煤矸石颗粒磨粒，不断对软面进行磨损的过程。 硫化床锅炉在正常运行时，夹带于气流或液化流中的固体颗粒煤矸石，以高的速度撞击到基体表面时，即产生冲蚀磨损。其实质上也是一种磨粒磨损，磨粒磨损主要是在外力的作用下磨粒（煤矸石）沿表面的移动，不断的冲刷磨损，使管壁减薄，其结果使表面产生微小塑性变形或者微裂纹，直至爆管。这种情况下，锅炉管表面的韧性耐磨性更为重要。硫化床锅炉的受热面，除上述磨损外，还存在有微振磨损及高温腐蚀气体等，实际过程更复杂。三．硫化床锅炉热喷涂技术工艺的选择 对于硫化床锅炉受热面的金属表面抗磨损、抗高温腐蚀，热喷涂技术在近年来受到重视并取得很大成就。因为热喷涂方法和材料有充分的选择余地，生产效率高，施工成本低，可在现场炉内施工。 热喷涂技术是一种工件表面强化和保护的工艺方法，它以气、液态、燃料、电弧或等离子作热源，将喷涂材料加热到熔化或塑态，借助于压缩空气或火焰推力将之喷射到预处理工件表面上，形成各种性能的涂层。由于喷涂材料是合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料等各种工程材料，其涂层具有耐磨、耐蚀、抗高温、隔热、绝缘等各种功能。根据不同的热源，热喷涂可分氧乙炔火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、高速火焰喷涂（HVOF）等。表1：各种热喷涂技术特点：项目粉末火焰喷涂丝材火焰喷涂超音速电弧喷涂等离子喷涂高速火焰喷涂真空等离喷涂火焰温度℃310031005000～60005000～1500029005000～12000粒子飞行速度M/S50~70100~120150~315气流速度600200~600600~1200500~800结合强度/MPa重熔70喷涂14-3021~5245~5535~7060~90780空隙率%7~123~83~50.5~3.00.5~2.00.1~1.0生产率kg/h5~65~85~205~103~55~10生产成本较低较低低较高特高高 表1中列出了各种热喷涂方法的最基本的特性，涂层性能在很大程度上取决于喷涂材料及喷涂工艺的选择。表中列出的喷涂方法都可以用来喷涂硫化床锅炉受热面的耐磨涂层，具体分析如下：1.火焰粉末或丝材喷涂，由于工艺自身的局限，可供选取的喷涂材料有限，涂层性能差，难以取得理想结果。火焰喷焊Ni基自熔合金粉，涂层经重熔，才能达到很好的耐磨效果，喷焊时加热，温度达1000℃左右，工件长时间在高温中，使金属内部组织结构发生变化，有些元素被烧毁，如C在长时间的高温下产生脱C或者流失，喷焊工效低，工件易变形，在锅炉防磨、防腐喷涂中，绝不能采用喷焊工艺方法。2．等离子喷涂（包括真空等离子喷涂）：能获得很好耐磨涂层，但成本高，不能现场施工，一般不采用。3．高速火焰喷涂（HVOF）：此方法喷涂NiCr-Cr3C2涂层的工作寿命可达10个月到一年。（一般煤粉炉的磨损30~40μm）。HVOF喷涂已在日本、韩国、美国、法国、俄罗斯等国家采用，不足的是，喷涂成本过高，材料昂贵，涂层沉积率低，仅为30%左右，在我国难以推广。4．超音速电弧喷涂技术：操作成本低，施工方便，生产效率高，是我国目前电厂锅炉进行喷涂的主要工艺方法。四．超音速电弧喷涂技术的简介 超音速电弧喷涂技术是一种新型的电弧喷涂技术，该喷涂技术的优点：熔滴射速高，粒子雾化效果好，在距喷涂枪喷嘴轴向80mm范围内，气流速度达600m/s，粒子飞行速度150~315m/s，涂层的结合强度达50MPa 以上，涂层致密，涂层孔隙≤5%，涂层沉积率为74.8%，喷涂工作效率每小时喷涂各种材料都达到15kg以上。超音速电弧喷涂24小时可连续地工作，也为电厂在检修赢得时间保证。五．SX-801涂层基本特点（1）具有足够高的涂层硬度及与之相配合的韧性。磨损机理的分析表明，硬度不够高的涂层不具备经受磨损所必需的条件，但仅有硬度容易产生疲劳而失效。涂层系统中应具备硬度和韧性两种特性，而且它们之间的搭配形式与组合，以及构成涂层的晶型与结构，是构成SX-801具有抗磨性最重要的特征。在某种程度上说，构成涂层(或喷涂材料)的化学成份并不足以提供耐磨性能，而涂层的相、晶型及微观结构则是更重要的要素。（2）SX-801对炉管基体有很高的结合强度，不会在工作中经物理或化学的作用而脱落，即使出现意外情况，例如出现漏水而骤然冷却也不会。（3）对基本材料有大体一致的热膨胀系数，不会由于热冲等工况导致涂层因热胀系数差异产生应力而脱落。（4）涂层的导热性良好，不会给炉管的热传导产生不良影响。（5）涂层不会损害炉管基体，因为喷涂时基体温度不会超过一定界线(通常 200℃)。（6）涂层和基体投入工作后，在二者之间不会出现有害的物质扩散，也不会产生裂纹扩延至基体。（7）最重要之点，还在于SX-801涂层本身性能具有非常高的耐磨性，耐热冲性及抗高温氧化能力。使其能胜任工况的要求。六．SX-801涂层的基本特性SX-801材料形成的涂层具有以下重要特性：1、涂层硬度HV0.3为1015（相当于HRC70）2、涂层结合强度：60.5Mpa3、涂层孔隙率：＜5%4、涂层耐冲蚀磨损达到HVOF喷NiCr-Cr3C2涂层水平，而其耐磨粒磨损性则是HVOF喷NiCr-Cr3C2涂层的2倍。5、耐高温性能：当冲蚀角为25o时，即使到1000℃其抗冲蚀性能不会下降，当冲蚀角为90o时，只有超过800℃时才开始下降。七．超音速电弧喷涂技术工艺参数。由于普通电弧喷涂与超音速电弧喷涂设备的性能基本相同，以下列出超音速电弧喷涂工艺参数。电弧电压：28-36V工作电流：200-300A喷涂移运速度：10-15cm/秒喷涂角度：45-90℃。喷涂距离：120±25风压： 6 kg/cm2喷涂时采用分片多遍喷涂原则（涂层厚度必须在1mm以上，至少喷10-12遍）。八．超音速电弧喷涂工艺流程1．表面处理 喷砂是为了更好的提高涂层与基体的粘接强度，经研究试验和多年来现场施工经验总结，喷砂分为两步进行。一是用石英砂，除去基体表面锈污，二是用刚玉砂，（棕色氧化铝砂子），目数16-24目混合砂；喷砂，是提高基体表面的粗糙度毛化和表面活化度，使涂层与基体具有很高的结合强度。2．喷涂打底进一步提高涂层与基体粘接强度，必须喷涂过渡层涂层，材料选NiCrA1Fe，这是放热性材料，能大大的提高涂层与基体粘接强度。3．喷涂工作涂层 工作涂层是锅炉防磨损、防高温腐蚀主要涂层，喷涂材料是延长涂层使用寿命之本。工作涂层材料是我校与北工大研制的高硬度、高耐磨、抗高温氧化耐蚀性的复合粉芯丝。GY-60、NiCr-Cr3C2的金属陶瓷，多年来一直在电厂使用。工作涂层的厚度一定要喷涂到1mm以上，材料用量每11-13kg/m2。4．涂层封孔 为彻底消除涂层的孔隙，防止二氧化硫及硫化氢进入涂层孔隙，对涂层必须进行封孔，封孔选用我司SX-3封孔剂，是一种无机耐高温封孔剂，其在760~800℃时发生反应生成玻璃相，对涂层起到保护作用。涂刷封孔剂时将涂层表面的粉尘用高压空气吹净，涂刷两遍。九．超音速电弧喷涂的技术指标。1．涂层的结合强度：经北京625研究所测定，平行6组数据，依次为：61.5、60.7、59.2、61.3、60.7(Mpa ) 平均为60.5Mpa。2．涂层硬度：经北京625所测定，平行10组数据，依次为HV0.3 1031、1027、984、870、1168、1192、880、844、1210、945，平均值HV0.3 1015(相当于HRc70)。3．涂层孔隙率： 1%(北京矿冶研究院测试)4．涂层厚度：可喷涂较厚涂层，即使达2㎜，其结合强度并无显著变化十．在超音速电弧喷涂硫化床锅炉使用效果。针对国外一些著明的耐磨涂层材料，采用不同的工艺方法(HVOF、电弧喷涂、喷焊、激光熔敷导)，以及不同温度(25℃、315℃)和不同角度( 25°、90°)，对SX-801涂层做了对比试验，从中可得出：1、耐冲蚀性能：SX-801涂层大体是45号钢、Fe21Cr8Ni3.2Mo合金钢，Fe29Cr高铬钢，Fe14Cr4.5Ni不锈钢等涂层材料的10-17倍，与HVOF喷WC-Ni涂层、激光熔敷WC-NiCr焊层相当。2、耐磨粒磨损性能：胶轮干砂磨损大体是不锈钢涂层的24倍，是21Cr8Ni合金钢涂层的21倍，与HVOF喷WC-Ni相当。3、粉炉冲灰器及火嘴周围的水冷壁、过热器和省煤器等相关部位 煤粉炉通常因交变温度热冲、氧化及气体腐蚀导致炉管失效，但对省煤器，因煤粉到达此处已呈烧焦状态，质地坚硬、且夹带气流飞速高，致使该部位磨损严重。在这种情况下，喷涂SX-801 0.8㎜厚，可延长工作寿命3倍上下。 吹灰器则是气流中固体颗粒以高速冲击炉膛工作面，在吹扫灰渣的同时，对炉管产生磨损。实践表明，喷涂SX-801对吹扫区的工作寿命有显著的改善，最长工作寿命达七年。4、CFB锅炉金属受热面： 大量SX-801涂层被用于CFB受热面的喷涂。实践表明，由于煤质组成及炉型的差异，以及炉子运转制度及部位的不同，磨损情况不尽相同，应用效果也有差异。但涂层大体能延长工件工作寿命2-3倍。5、钢铁厂高炉的荒煤气管，因含有高浓度的铁矿石粉，对导出管道，特别是弯头及S弯处，造成严重磨损。通常8㎜厚的无缝钢管只坚持40天， 20㎜厚的16Mn钢板厚补只用4个月，喷涂SX-801涂层可使用8个月左右。6、冶金团矿车间强力风机叶片，喷涂SX-801 0.5㎜厚，可延长风机工作成寿命2倍。7、电厂风机叶片喷涂SX-801 涂层0.5-0.8㎜厚，可延长引风机工作寿命3-4年，排风机可达1.5年以上。8、水泥厂鼓风机叶轮，工作20天即被报废，电弧喷SX-801 0.8mm可延长工作寿命达一年。9、陶瓷制品厂液压机栓塞，喷涂SX-801 1-2mm，栓塞工作寿命由3个月延至一年。