（化工过程机械专业论文）耐高温磨蚀电弧喷涂粉芯丝材及其涂层性能研究.pdf

摘要 循环流化床锅炉水冷壁的高温冲蚀是运行过程中相当重要的问题。在系统分析水 冷壁失效的基础上，以提高c f b 锅炉的高温冲蚀性能为主要指标，研制了f e b 系、 c r b 系和f e t i c r b 系三种粉芯丝材。并通过高温氧化、热腐蚀以及高温冲蚀实验等。 研究了三种涂层的抗高温氧化性能和耐高温冲蚀磨损性能，分析了其失效机理。主要 结果如下： f e b 和c r b 系粉芯丝材电弧喷涂层的制备和性能评价表明，c r b 涂层在高温下具 有较好的抗全攻角冲蚀能力，在6 5 0 和3 0 。攻角条件下的相对冲蚀磨损抗力为2 0 9 的2 8 8 倍，高于f e b 涂层的2 0 2 倍。接近涂层设计的目标要求。f e b 在高温下以塑 性冲蚀为主，表面冲蚀形貌主要为细窄的犁沟。c r b 涂层以脆性冲蚀为主，表面冲蚀 形貌主要为微小的冲击坑。涂层中的硬质相粒子较好抵抗了冲蚀粒子的冲击。涂层高 温冲蚀磨损过程是由萌生裂纹、裂纹扩展和断裂并从涂层基体分离三阶段组成。不同 的冲蚀形念下，裂纹产生的形式和机理都是相同的，而涂层是塑性冲蚀为主导还是脆 性冲蚀为主导则取决于涂层本身的组织结构与性能。涂层的高温氧化实验证明封孔涂 层具有优良的抗氧化性能。c r b 涂层中的c r 元素在高温下生成了致密的c r 2 0 3 ，起到 抗氧化作用。涂层的热腐蚀实验证明在涂层表面局部盐膜中形成了k n a f e 三元低熔 点熔融共晶熔盐，从而引起了热腐蚀。c r b 涂层具有优良的抗热腐蚀性能。 f e t i c r b 涂层的孔隙率和结合强度指标明显高于c r b 涂层和市售的s h s a m 涂 层。其组织均匀，基体相是f e c r 固溶体，同时，含有一定量的氧化物夹杂( 如f e o 等) 和硼化物等硬质相( 如f e b 和c r b 等) ，是一种典型的颗粒增强金属基陶瓷涂层 ( m m c 涂层) 。在长时间的高温氧化环境下，f e t i c r b 的抗氧化性能优于市售的 s h s a m 涂层和c r b 涂层。在全攻角下和在整个实验温度范围内，f e t i c r b 涂层都 具有最好的冲蚀磨损性能。在6 5 0 。c 和3 0 0 攻角条件下的相对冲蚀磨损抗力为c r b 涂 层的1 7 5 倍，相当于2 0 9 的5 0 2 倍。f e t i c r b 涂层中f e b 、c r b 和氧化膜同涂层粒 子之间的界面结合良好，并具有较高的协同变形能力及在磨粒冲击载荷作用下的热流 变能力，对复合涂层具有良好的保护作用。f e t i c r b 涂层具有良好的抗高温氧化能力 和抗氧化膜及硬质相的剥落抗力，这是其具有优良的抗高温冲蚀磨损性能的主要原 因。 通过两轮的粉芯成分设计，成功开发出f e t i c r b 系颗粒增强铁基复合涂层，有 望作为性价比较高的循环流化床锅炉高温冲蚀磨损防护涂层推广应用。 关键词：金属基复合材料；粉芯丝材：电弧喷涂：高温腐蚀；高温冲蚀 s t u d yo nt h ee r o s i o nb e h a v i o ro f a r cs p r a y e dm e t a lm a t r i x c o m p o s i t ec o a t i n g sa te l e v a t e dt e m p e r a t u r ea n dd e v e l o p m e n t o fn e wc o r e dw i r e s m e n gf a n g a n g ( p r o c e s sm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gy o n g a bs t r a c t t h ee r o s i o no fw a t e rw a l lo ft h ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e ra te l e v a t e d t e m p e r a t u r ei sas e r i o u sp r o b l e mo nt h eb o i l e r so p e r a t i o np e r i o d b a s e do nt h ea n a l y s i so f w a t e rw a l l si n v a l i d a t i o ns y s t e m a t i c a l l y ，f e b ，c r ba n df e b c r bc o r e dw i r e sw e r ep r e p a r e d i no r d e rt oi m p r o v eh i g ht e m p e r a t u r ee r o s i o np e r f o r m a n c eo fc f bb o i l e r b ym e a n so f h i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o n ，h o t c o r r o s i o na n dh i g h t e m p e r a t u r ee r o s i o nt e s t s ，h i 曲 t e m p e r a t u r eo x i d a t i o nr e s i s t a n c ea n dh i g ht e m p e r a t u r ee r o s i o nw e a rr e s i s t a n c eo f t h et h r e e c o a t i n g sw e r es t u d i e da sw e l la s t h e i rf a i l u r em e c h a n i s m s t h ep r i m a r yc o n c l u s i o n sa r e d r a w na sf o l l o w i n g ： t h ep r e p a r a t i o na n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no ft h ea r cs p r a y i n gc o a t i n g sw i t hf e b a n dc r bs y s t e mc o r ew i r e ss h o wt h a tt h ec r bc o a t i n gp o s s e s s e dw h o l ea t t a c ka n g l e e r o s i o nr e s i s t a n c ea th i g ht e m p e r a t u r e i t sr e l a t i v ee r o s i o na n dw e a rr e s i s t a n c ew a s2 8 8 t i m e st h a to f2 0 9 ，a n d2 0 2t i m e sh i g h e rt h a nt h a to ft h ef e bc o a t i n ga tt h ea t t a c ka n g l eo f 6 5 0a n d3 0d e g r e e ，w h i c hw a sc l o s et ot h et a r g e tr e q u i r e m e n t so ft h ed e s i g no ft h ec o a t i n g t h ef e bc o a t i n gw a sa b r a d e dp l a s t i c a l l ym o s t l ya th i g ht e m p e r a t u r e ，w h o s es u r f a c e a p p e a r e dn a r r o wc h a n n e l sa st h er e s u l to fa b r a s i o n b r i t t l ea b r a s i o no c c u r r e dw h e nt h ec r b c o a t i n gs t a y e di nt h es a m ee n v i r o n m e n t ，a n dt h ec o a t i n g ss u r f a c ea p p e a r e dt i n yi m p a c t c r a t e r s t h eh a r dc o m p o n e n t si nt h ec o a t i n g sp r e v e n t e dp a r t i c l e sf r o ms t r i k i n gw e l l t h e p r o c e s so f t h ec o a t i n g sh i g ht e m p e r a t u r ee r o s i o ni n c l u d e dt h r e es t a g e s ，a sc r a c ke m e r g e n c e ， c r a c ke x t e n d i n g ，a n dc o a t i n g s s e p a r a t i n g t h ef o r ma n dm e c h a n i s mo ft h ec r a c kw e r e s a m eu n d e rd i f f e r e n te r o s i o nm o d a l i t i e s p l a s t i ca b r a s i o no rb r i t t l ea b r a s i o no c c u r r e db a s e d o nt h ec a p a c i t ya n ds t r u c t u r eo ft h ec o a t i n g s t h eh i g ht e m p e r a t u r ec o r r o s i o nt e s to ft h e c o a t i n gs h o w st h a ts e a l i n gc o a t i n g sh a v ee x c e l l e n to x i d a t i o nr e s i s t a n c e t h ec rc l e m e n ti n t h ec r bc o a t i n gw o u l db eo x y g e n i z e da sc r 2 0 3 ，w h i c hh a dd e n s es t r u c t u r ea n dg o o d o x i d a t i o nr e s i s t a n c e i nt h eh o tc o r r o s i o nt e s t ，t h ek - n a - f et h r e e - e l e m e n tc o m p o u n dw i t h l o wm e l t i n gp o i n tw a sg e n e r a t e do nt h es u r f a c eo fs o m ep a r t so ft h ec o a t i n g s ，w h i c hc a u s e d h o tc o r r o s i o n t h ec r bc o a t i n g ss h o w e dt h ee x c e l l e n th o tc o r r o s i o nr e s i s t a n c ed u r i n gt h e t e s t t h ep o r o s i t ya n db o n d i n gs t r e n g t hi n d e x e so ft h ef e t i c r bc o a t i n g sw e r eo b v i o u s l y h i g h e rt h a nt h o s eo ft h ec r bc o a t i n g sa n ds h - s a mc o a t i n g ss o l di nm a r k e t t h i sc o a t i n g h a du n i f o r mm i c r o s t r u c t u r e ，w h o s em a t r i xp h a s ew a ss o l i ds o l u t i o nf e c r ac e r t a i n a m o u n to fo x i d ei n c l u s i o n ( f o re x a m p l ef e o ) a n db o r i d eh a r dp h a s e ( f o re x a m p l ef e ba n d c r b ) w e r ec o n t a i n e di nt h i sc o a t i n gs i m u l t a n e o u s l y ，w h i c hi sak i n do ft y p i c a lm e t a lm a t r i x c e r a m i cc o a t i n gr e i n f o r c e db yp a r t i c l e s ( m m cc o a t i n g s ) t h eo x i d a t i o nr e s i s t a n c eo ft h e f e t i c r bc o a t i n g sw a sb e t t e rt h a nt h es h - s a mc o a t i n g ss o l di nm a r k e ta n dt h ec r b c o a t i n g sa th i g ht e m p e r a t u r ef o rl o n gt i m e a tt h ew h o l ea t t a c ka n g l e ，t h ef e t i c r bc o a t i n g h a dt h eb e s te r o s i o na n dw e a rr e s i s t a n c ei nt h ew h o l ee x p e r i m e n t a lt e m p e r a t u r er a n g e ， w h o s er e l a t i v ee r o s i o na n dw e a rr e s i s t a n c ew a s1 7 5t i m e st h a to ft h ec r bc o a t i n ga tt h e a t t a c ka n g l eo f6 5 0a n d2 0d e g r e e a n de q u i v a l e n tt o5 0 2t i m e st h a to f2 0 9 f e b 、c r ba n d o x i d ef i l mi nt h ef e t i c r bc o a t i n gh a de x c e l l e n ti n t e r f a c i a lb o n d i n gw i t ht h ep a r t i c l e si n t h i s c o a t i n g ，a n ds i m u l t a n e o u s l y w a so f h i g h e r c o l l a b o r a t i v e d e f o r m a b i l i t y a n d t h e r m o r h e o l o g i c a la b i l i t ya tt h ei m p a c tl o a do fw e a rp a r t i c l e s ，w h i c hw a sb e n e f i c i a l t o p r o t e c tt h ec o m p o s i t ec o a t i n g t h ef e t i c r bc o a t i n gp o s s e s s e dg o o do x i d a t i o nr e s i s t a n c e a n ds p a l l a t i o nr e s i s t a n c eo ft h es c a l ea n dh a r dp h a s e t h i sw a st h em a i nr e a s o nt h a tt h e c o a t i n gh a dg o o dh i g ht e m p e r a t u r ee r o s i o na n dw e a rr e s i s t a n c e t h r o u g ht w or o u n d so fp o w d e rc o r ec o m p o s i t i o nd e s i g n s ，f e t i c r bs y s t e mp a r t i c l e r e i n f o r c e di r o n b a s e dc o m p o s i t ec o a t i n gw a sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y , w h i c hw a sp o s s i b l e t ob es p r e a da n da p p l i e da sh i g ht e m p e r a t u r ee r o s i o nw e a rp r o t e c t i v ec o a t i n go fc i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e db o i l e r sw i t hr e l a t i v e l yh i g hc o s tp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e ；c o r e dw i r e s ；a r cs p r a y i n g ；h i g ht e m p e r a t u r ec o r r o s i o n ； h i g ht e m p e r a t u r ee r o s i o n v 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谓 外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：盍! 垒到日期：巧年厶月。日 关于论文使用授权的说明 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩 印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：必哆年月乃日 同期：2 穸多了年够月一日 耐高温磨蚀电弧喷涂粉芯丝材及其涂层性能研究 创新点摘要 ( 1 ) 在系统分析水冷壁失效的基础上，以提高c f b 锅炉的高温冲蚀性能为主要 指标，研制了f e b 系、c r b 系和f e t i c r b 系三种粉芯丝材，并成功制备了f e b 系、 c r b 系和f e t i c r b 系颗粒增强金属基复合涂层。其中，f e t i c r b 涂层具有最高的结 合强度和最低的孔隙率，组织均匀致密；其基体相是f e c r 固溶体，同时含有一定量 的氧化物夹杂( f e o 等) 和硼化物等硬质相( f e b 、c r b 等) 。( 见第2 、3 、5 章) ( 2 ) 运用复合硬质相颗粒的粉芯成分设计思路，在预先加入c r b 硬质相的基础 上，通过电弧喷涂过程中的冶金反应生成新的f e 的硼化物等硬质相，从而达到复合 硬质相颗粒增强的目的，成功开发出适用于循环流化床锅炉高温冲蚀磨损防护的复合 硬质相颗粒增强f e t i c r b 系粉芯丝材。f e t i c r b 的抗高温氧化性能优于市售的 s h s a m 涂层和c r b 涂层。在全攻角下和在整个实验温度范围内，f e t i c r b 涂层都 具有最好的冲蚀磨损性能。在6 5 0 和3 0 。攻角条件下的相对冲蚀磨损抗力为c r b 涂 层的1 7 5 倍，相当于2 0 9 的5 0 2 倍。( 见第6 章) ( 3 ) 在高温下，f e b 涂层主要以塑性冲蚀为主，c r b 和s h s a m 涂层主要以脆 性冲蚀为主，而f e t i c r b 涂层则呈现塑性冲蚀和韧性冲蚀两种冲蚀行为。f e t i c r b 涂层中f e b 、c r b 和氧化膜同涂层粒子之f b j 的界面结合良好，并具有较高的协同变形 能力及在磨粒冲击载荷作用下的热流变能力，具有良好的保护作用。分析了涂层高温 冲蚀磨损的发展进程、裂纹的产生机理，为涂层性能的改善和选用提供了理论基础。 ( 见第5 、6 章) 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 1 1 选题依据及意义 第1 章绪言 近年来，锅炉向大容量高参数发展，炉膛受热面管的温度相应升高，因此受热面 管高温腐蚀现象出现得更加频繁。受热面管磨损常常和腐蚀相伴发生，而且二者互相 诱导和促进。受热面管的高温腐蚀己经对燃煤锅炉运行的安全性和经济性产生了很大 的影响。随着大量循环流化床锅炉的相继投入运行，因磨损而造成的生产事故不断发 生，导致循环流化床锅炉在运行过程中的运行时数少、出力不足，该问题已引起人们 的普遍关注。因此，解决受热面管腐蚀和磨损问题，防止受热面管爆漏成为刻不容缓 的课题，必须尽快寻找一种有效的防磨、抗磨措施，以延长锅炉受热面管的使用寿命， 提高电厂的经济效益。 特别是循环流化床( c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ，简称c f b ) 锅炉，是近年来在国 际上发展起来的煤洁净燃烧新技术，是一种高效、低污染的新型锅炉【l 3 1 。其主要特 点在于燃料与脱硫剂经多次循环，反复地进行低温燃烧和脱硫反应，炉内湍流运动强 烈，不但能达到低n o 。排放、9 0 的脱硫效率，而且具有燃料适应性广( 可燃用烟煤、 贫煤、褐煤、无烟煤、煤矸石等各种燃料) 、燃烧效率高( 燃烧效率可达9 9 ，锅炉 效率能达到8 8 9 1 4 , 5 】) 、调峰幅度大、灰渣易于综合利用等优点。循环流化床锅 炉以其经济性、高效率和环保性的显著优点，目前发展迅速，已成为新世纪能源利用 技术的发展方向之一。然而c f b 锅炉的磨损问题，己成为严重制约该类锅炉应用与 发展的首要问题【6 1 。由于循环流化床锅炉炉膛内颗粒浓度大，颗粒及烟气流速快， 容易造成受热面管的磨损而发生早期失效。运行6 1 2 个月的流化床，往往会出现卫 燃带上部水冷壁管、高温过热器第一、二排管、省煤器第一排管等严重磨损而泄漏； 卫燃带耐火材料、炉膛出口短烟道耐火材料、高温旋风分离器顶部耐火材料等遭受严 重冲刷，甚至冲透；高温旋风分离器炉墙、省煤器炉墙倒塌等现象一j ，因而不得不停 炉检修。国外在循环流化床锅炉发展初期对其磨损问题并不重视，随着大量c f b 锅 炉的相继投入运行，因磨损而造成的安全生产事故不断发生，该问题才逐渐引起人们 的注意和重视。 第1 章绪言 电弧喷涂是一种高效率、高质量、低成本的工艺，具有操作简便，灵活性高、适 合现场操作等优点，适合在循环流化床锅炉现场进行大面积喷涂。采用高速电弧喷涂 设备制备颗粒增强金属基复合材料( m m c m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ) 涂层以用于c f b 锅炉的特殊磨损场合。采用电弧喷涂粉芯丝材( 类似于焊接用的粉芯焊丝，由金属外 皮包裹金属、合金及陶瓷等粉末) 制备高温耐磨蚀涂层是一种较合适的工艺方案，通 过对电弧喷涂粉芯丝材合金系统的设计，可以获得较好耐磨性能的涂层。粉芯丝材最 大的优势就是利用金属外皮包覆陶瓷粉末以制得不同性能涂层，使涂层既有陶瓷材料 的高硬度、高耐磨蒯。腐蚀性，又有金属材料优良的机械强度、韧性和可加工性。因此， 利用电弧喷涂包覆有陶瓷粉末的粉芯丝材来制备耐磨损、耐腐蚀、抗冲蚀、耐高温等 高性能涂层已成为近年来焊接领域发展的热点。 为减缓锅炉的高温磨损和腐蚀，国内外自二十世纪八十年代以来开发了各种类型 的涂层。然而由于种种原因( 例如：喷涂材料价格昂贵；采用的设备成本高；不适合 我国国情；涂层以耐蚀性为主、耐磨性能较差，难以满足循环流化床锅炉复杂的工况 要求等问题) ，迄今为止国内循环流化床锅炉的磨损问题依然没有得到有效解决，许 多受热面管的使用寿命往往不超过三个月。 因此，急需研制成本低、性能可靠、材料来源广泛、工艺技术适合国内国情的新 的涂层材料，以进一步提高受热面管的使用寿命，有效解决循环流化床锅炉的磨损问 题。 1 2c f b 及其高温腐蚀磨损问题的研究现状 1 2 1c f b 简介 循环流化床锅炉可分为两个部分，第一部分由炉膛( 快速流化床) 、气固物料分 离设备、固体物料再循环设备和外部热交换器( 有些循环流化床锅炉没有该设备) 等组成，上述部件形成了一个固体物料循环回路。第二部分为对流烟道，布置有 过热器、再热器、省煤器和空气预热器等，与常规燃烧锅炉相近。图1 - 1 为典型循 环流化床锅炉工作原理示意图。燃烧所需的一次风和二次风分别从炉膛的底部和侧墙 送入，燃料的燃烧主要在炉膛中完成炉膛四周布置有水冷壁管，用于吸收燃烧所产 生的部分热量。由气流带出炉膛的固体物料在气固分离装置中被收集并通过返料装置 2 中国石油大学( 华东) 博：t 学位论文 送回炉膛。图1 2 为循环流化床锅炉的立体图【5 1 。 1 燃烧室；2 一次风；3 给煤及脱硫剂；4 二次风；5 排大渣； 6 掺细灰；7 水冷壁；8 燃烧室稀相区内置受热面；9 高温分离 器：1 0 回料阀；1 1 夕 置硫化换熟器；1 2 带受热面的尾部烟道 图1 - 1典型的循环流化床锅炉工作原理示意图 f i g 1 - 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r 图1 2 循环流化床锅炉立体图 f i g 1 - 2s t e r e o g r a mo fc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r 3 第1 章绪言 c f b 工作时将煤破碎成直径约8 m m 的颗粒后，用螺旋给煤机送入炉膛，同时在 炉膛中加入大量床料( 炉渣或石英砂) ，由炉膛下部配风，使燃料在床料中呈“流态化” 燃烧，并在炉膛出口或过热器后部安装气固分离器，并将分离下来的固体颗粒通过飞 灰回送装置再次送入炉膛燃烧【6 1 。 1 2 2c f b 主要磨损部件及原因 循环流化床锅炉的易磨损部件主要集中于布风装置、卫燃带与水冷壁过渡区、炉 内不规则管壁区域、受热面管以及耐火材料等。各国研究人员都对c f b 的磨损部件 及原因做了大量试验性工作，并试图找出一些行之有效的对策。 ( 1 ) 布风装置 布风板是流化装置的一个重要组成部分，最常用的是风帽式布风板，在布风板上 布置一定数量的风帽，例如，在4 5 0t h 锅炉的布风板上布置有41 3 0 个定向风帽【7 j 。 目前我国正在运行和即将运行的7 5t l l 以上循环流化床锅炉的布风板上大部分都是采 用j x lr n 式的。 御风装置的磨损有风帽磨损和风帽小孔磨损扩大【8 】。一些循环流化床锅炉在较短 的时i 司内就出现了部分风帽损坏的现象，磨损最严重的区域，一般在循环物料回料口 和排渣口周围【9 1 。风帽损坏严重时，将造成布风不均匀，风帽堵塞，产生结焦，最终 导致停炉。分析原因有：风帽的材质不合格；风室漏灰渣，导致风帽堵塞进而烧 坏，形成恶性循环；较高床温下，一次风速过大：风帽密度、风帽方向布置等设 计不合理；停炉压火方法不正确或启动点火时使用点火装置时间过长，风室温度过 高，使i x t , 9 h 内部组织发生了变化【1 0 】；床料颗粒直径过大】。锅炉的风帽位于炉膛 密相区，由于受到处于流化状态下床料的冲刷，风帽表面一直都在经受着一定程度的 磨损。导致风帽严重磨损甚至磨穿的原因主要与燃料直径大小有关。据文献资料【1 2 】 介绍，金属表面的磨损速率与颗粒直径成平方关系，即j = kd 2 ，其中6 代表磨损 速率，丘是系数，d 是颗粒直径。当床料直径较小时，风帽所受的磨损就i h 4 , ，随 着床料直径的变大，磨损速率随之加快。风帽小孔的磨损扩大会改变布风特性，同时 造成固体物料漏至风室，磨损原因尚待进一步研究。 ( 2 ) 卫燃带与水冷壁过渡区 4 十目i 油大学( 华东) 博学位论文 该区的磨损发生在炉膛下部卫燃带与水冷壁管的交界处，范围为卫燃带上方 2 0 0 r r a n 左右。国外各主要循环流化床锅炉制造公司( p y r o p o w e r ，a b b c e ，b & w ， l u r g r i 等性产的循环流化床锅炉都发现了这种现象【l 川7 1 。p y r o p o w e r 公司生产的一 台安装于美国加州s t o c k t o n 的4 99 m w 循环流化床锅炉【g ”】，炉膛下部卫燃带高度约 为46 m ( 布风板以上) ，燃用低硫烟煤其水冷壁管在卫燃带过渡区域焊有防磨盖板， 防磨盏板从卫燃带延伸至水玲壁管以上1 0 0 m m 。在运行8 天以后就发现防磨盖板有 明显磨损，再继续运行5 周以后磨损已扩展至水冷壁管本身。所测得的最大磨损速率 高达5 2 0 u r n ，l l 。图1 3 和图1 4 是我国华电国际淄博热电有限公司的两台4 6 0 t h 循环 流化床锅炉水冷壁的磨损情况，由图可以看出防磨套管及水冷壁管均有较大磨损，严 重时一周内水冷壁鳍片就被磨穿，造成炉膛漏灰而不得不停炉检修。 图1 - 3c f b 水冷壁磨损情况 f i g l 一3e r o s i o no f c f b w a t e r w a l l f i g1 - 4 图】jc f b 水冷壁鲳片磨损情况 e r o s i o no fr e c t a n g u l a r f i no f c f b w a t c r w a l l 卫燃带与水冷壁交界处的磨损( 如图1 5 ) 原因是浚处由于施工原因，常常存在 一个台阶，锅炉运行中，物料及粒子沿水冷壁向下流动，下向流动的固体物料与炉内 向上运动的固体物料运动方向相反，因而在局部产生涡旋流如图1 - 5 b 所示【5 j ，健紧 挨台阶的水冷壁管受到快速撞击磨损；另一个原因是沿炉膛壁面下向流动的固体物料 在台阶处产生流动方向的改变，因而对水冷壁管产生冲刷。 该区的涡流物料密度较大，且炉膛下部粒度也较大，因而造成该部位磨损快而严 重，在2 3 个月内磨损深度可达2 3 m m 。 此外，稀相区水冷壁管的磨损与入炉煤种粒度也有很大关系【”。与煤粉炉相比较， 第l 章绪言 循环流化床锅炉没有庞大的制粉系统和设备，但由于燃烧过程对入炉煤的粒度范围的 要求，一般均需设置原煤破碎与筛分系统。通常c f b 锅炉所采用的设计煤种粒度是 o 1 0r r u t l ，最大不要超过1 5r n r f l 。在实际运行期间，必须满足煤种粒度的设计要求， 否则将会影响炉内物料的正常流化。如果颗粒的平均粒径过大，为了维持正常流化， 必须增大一次风速，从而引起密相区增加，对稀相区的未敷设耐磨材料的水冷壁造成 更严重磨损。某厂13 0t h 循环流化床锅炉由于长期运行在颗粒平均粒径过大的情况 下，导致水冷壁发生爆管现象。为了预防稀相区水冷壁爆管现象的发生，应慎重地根 扼燃煤的特性选择破碎系统的设备，以得到合适的颗粒分布，使入炉煤的粒度范围满 足设计要求。 一 沿堕面f 行的物料i | | i 炉内上行物料i i f 【 ( a ) 磨损位置( b ) 局部产生涡流( c ) 流动方向改变 图1 5 水冷壁卫燃带交界区域的磨损机理 f i g 1 - 5 e r o s i o nw e a rm e c h a n i s m so fr e f r a c t o r yb e l t so i lc f bw a t e rw a l l ( 3 ) 不规则管壁区域 不规则管壁包括穿墙管、炉墙开孔处的弯管、管壁上的焊缝及炉内的测试元件， 如热电偶等。 物料流动在不规则管壁区域时改变方向，直接冲击不规则部位，造成该部位的磨 损。运行经验表明，即使很小几何尺寸的不规则管壁也会造成局部的严重磨损，其中 丌孔上部的弯管磨损较轻，而开孔下部的弯管磨损比较严重【引。对于热电偶，插入热 6 峨 火 譬 区 肘 冷攒九勿豸 木 办钐么缓一一拶囱 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 电偶后会对局部的流动性造成较大的扰动，造成热电偶护套及临近水冷壁管的磨损。 ( 4 ) 炉内受热面 在循环流化床锅炉炉膛内、除布置炉膛水冷壁外，在许多设计中还布置有屏式翼 形管、屏式过热器、水平过热器管屏等。国内制造的循环流化床锅炉在部分设计中还 在浓相区布置埋管，这些统称为炉内受热面。 c f b 的特点之一就是能燃烧高灰分的劣质煤，由于这一特性，决定了c f b 燃烧 产物中飞灰浓度大这一必然结果。大量的高浓度、高流速的烟气飞灰，在通过过热器、 省煤器而排出时，势必造成过热器及省煤器的磨损【2 0 1 。炉膛内屏式冀形管、屏式过热 器、水平过热器管屏的磨损机理与炉内水冷壁管的磨损机理相似，主要取决于受热面 的具体结构和固体物料的流动特性等。有资料2 l 】介绍，c f b 炉内受热面磨损的主要 原因是由于流化床炉膛内为高浓度含粉气流，气固相互妥协，当气流分配不均的时候， 固体颗粒会在气速不高的位置聚集、回流，造成气速低的部位磨损加剧，这与稀相气 流( 如煤粉锅炉) 磨损的规律刚好相反。 。 部分循环流化床锅炉，特别是国内设计的循环流化床锅炉，在二次风以下的浓相 区还布置有埋管受热面，这部分受热面易受磨损破坏，其影响因素主要有流化速度、 床料特性、埋管特性、埋管温度、埋管布置形式、埋管距布风板的高度等。专家研究 认为埋管磨损的原因一是颗粒团( 乳化相) 对埋管受热面表面的冲刷，二是床内气泡 的冲击导致床料的扰动和夹带以及喷溅等2 2 、2 3 2 4 1 。 ( 5 ) 对流烟道受热面 国外一些循环流化床锅炉运行的经验表明，只要设计和运行上不存在问题，对流 烟道受热面一般不会发生严重的磨损【l l 】。但国内己经投运的一些循环流化床锅炉对流 烟道受热面的磨损仍是一个较为严重的问题【6 2 5 2 6 、2 7 1 ，先期投运的数台循环流化床 锅炉已出现磨损现象，磨损发生的主要部位在过热器的第一、二排管子，省煤器两端 和空气预热器出口处【2 8 3 2 1 。这部分管束磨损的原因大致有以下几个方面：设计上 考虑不周，安装时出现误差；一次风量过高，使炉膛悬浮段上方灰尘浓度加大并使 烟气速度增加：管束间受热变形，形成烟气走廊；穿墙保护套管太短。另外受热 面材质不好也是一个重要原因。 此外，在c f b 中设有分离器和返料装置，分离效率高达9 5 以上，但由于炉内 7 第1 章绪言 固体物料浓度很高，分离器未能捕集随烟气进入烟道的飞灰量，对流烟道飞灰量的绝 对值仍然很高，因而其中的飞灰浓度也相当大，同时在尾部烟道中烟气一般向下流动， 固体颗粒随烟气流动，同时受重力作用，颗粒的绝对速度是烟气速度加颗粒终端速度， 比炉膛内烟气上升气流的绝对速度要高。高的颗粒浓度加上高的颗粒速度，导致过热 器、省煤器迎风面产生撞击磨损【5 3 3 1 。 1 2 3c f b 防磨措施研究现状 磨损是循环流化床锅炉固有的特性，不可能从根本上予以消除。在采取防磨 措施时，一般从两方面进行考虑。一是从优化锅炉运行及改善部件结构角度来减 缓锅炉磨损的过程，即运行防磨和结构防磨；二是采用相应工艺方法提高部件的 抗磨损能力，即材料防磨。各国研究人员都对c f b 的磨损部件及原因做了大量试 验性工作，现采取的一些有效对策如下。 运行防磨主要采用的措施有以下几点： ( 1 ) 控制风速( 风量) 。风速对炉膛危害较大，磨损速度与风速的三次方成正 比，风速较小的增加将引起磨损速度较大的增加，所以必须严格控制一次风量， 在保证流化的前提下，尽量减少一次风量。 ( 2 ) 严格控制超负荷。超负荷必然要加大给煤、加大风量，这样不仅提高了烟 气流速，而且提高了颗粒密度，磨损加剧是显而易见的。 ( 3 ) 控制好床温。床温越高，受热面表面温度也越高，也就越接近金属材料的 屈服应力，强度就越低，更易产生磨损。 ( 4 ) 控制好入炉煤的粒度。磨损与炉料颗粒的当量直径成正比，要选用破碎性 能较好的破碎机，控制颗粒直径在合格范围之内，对于硬质的如无烟煤、矸石等 要求破碎的要更细些，对于软质的如泥煤、烟煤等则可要求粒径相对大一些。 ( 5 ) 有条件可燃用发热量较高的煤。同样的负荷燃用好煤比燃用劣质煤进入炉 内的煤量要少的多。锅炉长期燃用好煤比燃用劣质煤的使用周期明显要长。 除在设计上选用最好的耐磨材料，进行种种炉型方面的改造，进行热处理、 电镀、挂套、喷焊等多方面措施外，近年来令人瞩目的是采用粉末热喷涂技术、自 蔓延高温合成和高能束( 如激光束和电子束) 熔敷处理等方法制各防磨涂层。瑞典的研 8 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 究人员曾在c h a l m e r s 大学的1 6 m w 常压流化床燃烧装置厂对几种商用化喷涂技术的 防磨效果作过验证。经过约5 0 0 0 h 的运行试验，发现有三种材料的涂层完整无损，其 中第一种涂料( m e t c o l o y2 ) 的主要成分为f e 1 3 c r - 0 3 5 ；第二种涂料( m e t c o l 0 1 ) 的 成分为a 1 2 0 3 2 5 t 1 0 2 ；第三种涂料( m e t c o2 1 8 5 ) 的成分是f e 2 7 c r - 6 a 1 2 m o 。 由冶金部北京钢铁研究总院研制的n i 6 0 埋管热喷涂材料被用在山东兴隆煤矿的某台 1 0 t h 流化床锅炉上，经过1 3 0 0 0 h 的运行试验，证明其耐磨防腐的效果很好。a b b 。c e 公司曾对镍铬喷涂材料和碳化钨喷涂材料应用于循环流化床锅炉受热面的防磨进行 了试验，结果表明，所用的镍基喷涂材料的效果不明显，而碳化钨喷涂材料效果较好 【1 5 】 o 和以粉末作为原材料的喷涂方法相比，由于粉芯丝材电弧喷涂法具有喷涂速度 快、涂层化学成分和硬质相含量易调整，沉积效率高、涂层性能优异、喷涂成本低， 节能经济、使用安全，尤其适宜现场原位大面积施工的特点，从而具有其它方法难 以替代的优点，具有广阔的工程应用前景。可以将其广泛应用于循环流化床锅炉的耐 磨耐蚀领域。在循环流化床锅炉的易受损面，特别是工作条件极为恶劣的水冷壁上使 用电弧喷涂制备涂层，可以大大延长其使用寿命，减少检修次数，取得可观的社会效 益和经济效益。1 9 9 9 年6 月株洲电厂在1 2 号炉大修中使用了电弧喷涂高温耐磨涂层 来解决受热面磨损和腐蚀问题。宜宾发电总厂豆坝电厂，由于其燃煤含硫量大，水冷 壁遭受的高温腐蚀和磨损特别严重，由此带来的爆管、换管损失惨重。在采用了电弧 喷涂防护涂层后，收到了很好的效果。 文献 8 6 介绍采用b h f m 4 5 锅炉防磨防腐高铬镍基合金，进行3 5 t h 循环流化床 锅炉水冷壁管防磨。该合金c r 含量大于4 0 ，采用超音速电弧喷涂方法，喷涂后的 涂层表面会形成一层致密的c r 2 0 3 保护膜，具有非常优良的抗高温氧化、抗磨损、抗 s 0 2 、h 2 s 腐蚀和抗热腐蚀( n a 2 s 0 4 f k 2 s 0 4 ) 性能。 但采用热喷涂技术存在的问题之一是目前喷涂用的丝材一般沿用以前普通煤粉 炉用的防磨甚至是防腐蚀材料m8 8 】，涂层的高温耐磨性不高；涂层的热膨胀系数与基 体差别较大，由此产生的热应力引起涂层脱落；普通电弧喷涂的粒子速度慢，涂层结 合强度低，涂层耐磨周期短、耐磨性能不理想。因此迫切需要针对循环流化床锅炉的 实际情况开发新的耐磨丝材。另外，喷涂设备和喷涂工艺的更新调整和参数优化也是 9 第l 章绪言 解决喷涂问题的重要途径。 为满足以上性能要求，可采用超音速电弧喷涂设备制备颗粒增强金属基复合材料 ( m m c m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ) 涂层以用于c f b 锅炉的特殊磨损场合。制备m m c 涂层的特殊金属丝材为粉芯丝材，即中间填充了硬质相粉末和其它添加剂的金属丝 材。硬质相种类和数量的选择对于m m c 涂层的性能相当重要，因为涂层高耐磨性主 要决定于涂层的硬质相的种类、数量及硬质相和软基体的界面结合。涂层中硬质相的 形成有两种途径：一是通过电弧喷涂的冶金反应形成。一般认为，电弧喷涂的冶金反 应主要发生在丝材的端部，但研究表明通过电弧喷涂的冶金反应获得碳化物硬质相特 别是较大颗粒的碳化物是比较困难的。二是采用预先加入一定数量硬质