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一、前言 針對目前國內(nèi)已投運的循環(huán)流化鍋爐出現(xiàn)的燃燒室受熱面嚴重磨損問題，并結(jié)合國內(nèi)一些循環(huán)流化床鍋爐用戶解決燃燒室受熱面磨損的技術(shù)應(yīng)用實踐例證，湖南湘潭發(fā)電有限責(zé)任公司熱電廠決定將對循環(huán)流化床鍋爐水冷壁燃燒室易磨損受熱面區(qū)域進行超音速電弧噴涂，以增加易磨損受熱面區(qū)域的使用壽命，達到能較好長時間穩(wěn)定運行目的。 二、施工部位 噴涂區(qū)域：水冷壁規(guī)格：Φ38.1×7.5 SA-213T2，水冷壁節(jié)距：50.8mm，噴鍍高度：鍋爐標高22--33m，噴涂寬度：爐膛深度6—9米，噴涂面積：約150 m2×2臺爐,按實際施工面積計算。 三、循環(huán)流化床燃燒室受熱面的磨損機理 循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是近二十年迅速發(fā)展起來的一種潔凈煤燃燒技術(shù)。循環(huán)流化床鍋爐具有煤種適應(yīng)性強、燃燒效率高、污染物排放低和負荷調(diào)節(jié)性能好等優(yōu)點。由于爐內(nèi)有大量的床料及循環(huán)物料，煤在流化狀態(tài)下低溫循環(huán)燃燒，通過添加適量的石灰石和分級燃燒、分級送風(fēng)，同時實現(xiàn)爐內(nèi)脫硫和抑制氮氧化物生成量。但是，由于煙氣中含有大量的飛灰顆粒，這些灰粒高速沖刷水冷壁管、對流受熱面等部位，使其壁面受到劇烈磨損，發(fā)生局部的嚴重破壞，甚至導(dǎo)致停爐事故。我們知道，從爐底布風(fēng)裝置出來的一次風(fēng)氣流必須具有足夠的速度、強度和剛度，在支撐固體顆粒的同時，產(chǎn)生強烈的擾動。運行發(fā)現(xiàn)，當床料密度在8～10kg/m3時，床內(nèi)顆粒就會聚集成大粒子團，團聚后的粒子團由于重量增加，體積加大，以較大的相對速度沉降并具有邊壁效應(yīng)，使流化床中氣～固兩相流動形成近壁處很濃的粒子團斜下切向運動，下降到爐壁回旋上升，顆粒彼此之間以及與爐壁之間進行頻繁的撞擊和磨擦，使爐壁產(chǎn)生嚴重磨損。通常認為，循環(huán)流化床鍋爐的磨損主要與固體物料濃度、煙氣速度、燃料特性、運行調(diào)整、循環(huán)倍率和結(jié)構(gòu)設(shè)計等因素有關(guān)。 燃燒室受熱面水冷壁的磨損機理 水冷壁的磨損是CFB鍋爐中與材料有關(guān)的最嚴重的問題之一。在CFB鍋爐爐膛內(nèi)，典型的流體動力學(xué)結(jié)構(gòu)為環(huán)～核結(jié)構(gòu)。在內(nèi)部核心區(qū)，顆粒團向上運動；而在外部環(huán)狀區(qū)，固體顆粒沿爐膛水冷壁向下回流。環(huán)狀區(qū)的厚度從床底部到頂部逐漸減薄。固體物料沿水冷壁的向下回流是水冷壁產(chǎn)生磨損的主要原因。水冷壁的嚴重磨損與回流物料量的大小和方向突然改變有密切關(guān)系。通常方向突變的部位有： (1)水冷壁衛(wèi)燃帶轉(zhuǎn)折處。 (2)膜式水冷壁管對接和表面缺陷焊接不良，有毛刺、突起等。 (3)水冷壁其它地方有凸起的部位。 因此爐內(nèi)水冷壁的磨損主要可分為以下兩種情形：衛(wèi)燃帶與水冷壁管轉(zhuǎn)折區(qū)管壁的磨損、爐膛四角和一般水冷壁管壁區(qū)域的磨損。 3.1爐膛下部衛(wèi)燃帶與水冷壁轉(zhuǎn)折區(qū)域的管壁磨損 爐膛下部衛(wèi)燃帶與水冷壁轉(zhuǎn)折區(qū)域磨損的機理有以下幾個方面: 一是在該區(qū)域內(nèi)壁沿壁面下流的固體物料與爐內(nèi)向上運動的固體物料運行方向相反，因而在局部產(chǎn)生渦漩流。 二是由于沿壁面下流的固體物料在交界區(qū)域產(chǎn)生流動方向的改變，因而對水冷壁產(chǎn)生磨損。水冷壁與衛(wèi)燃帶交界區(qū)域內(nèi)水冷壁管壁的磨損并不是在爐膛四周均勻發(fā)生，而是與爐內(nèi)物料總體流動形式有關(guān)。 一般情況下電廠采用在水冷壁上加焊鰭片來破壞向下流動的固體料流，從而達到防磨目的。實踐證明，效果不是很理想，原因就是在鰭片與水冷壁的交界處固體物料流動方向改變產(chǎn)生新的磨損點。 3.2爐膛四角和一般水冷壁區(qū)域的磨損 在許多已運行的CFB鍋爐中，發(fā)現(xiàn)爐膛四角區(qū)域和一般水冷壁磨損問題相當嚴重，因之停爐的比例很高。磨損部位不僅只在衛(wèi)燃帶以上兩米以內(nèi)，而且還出現(xiàn)在更高位置。其特點是磨損位置不固定，究其原因主要有以下幾點： 3.2.1角落區(qū)域內(nèi)沿壁面下流的固體物料濃度較高，同時流動狀態(tài)易受到改變。 3.2.2匯集在四角區(qū)域的顆粒比在一側(cè)水冷壁邊的顆粒對金屬表面碰撞造成沖擊磨損的機會大。 3.2.3由于流化不良或局部射流所引起的磨損。風(fēng)帽因磨損損壞后，在密相區(qū)就產(chǎn)生局部高速射流，射流卷吸的床料顆粒便對較高位置的水冷壁受熱面形成直接沖刷而導(dǎo)致磨損。 四、超音速電弧噴涂的基本原理和技術(shù)特點 超音速電弧噴涂的基本原理是燃燒于絲材端部的電弧將均勻送進的絲材熔化，經(jīng)過特制拉伐爾噴嘴加速后的超音速氣流將熔化的絲材霧化為粒度細小均勻的粒子，噴向工件表面形成機械錨固的緊密結(jié)合涂層。因具有以下工藝特點而特別適用于鍋爐管壁的保護噴涂。 ⑴粒子飛行速度高，與基體結(jié)合好。 ⑵沉積效率高，涂層組織致密。 ⑶電弧穩(wěn)定性高。 ⑷噴涂基體不存在熱變形。 ⑸一次噴涂涂層被磨蝕掉后可以二次進行噴涂。 五、超音速電弧噴涂的基本參數(shù) 粒子速度≥470m/s 涂層孔隙率≤0.9% 基體溫度≤80℃ 六、噴涂涂層的要求及噴涂材料的選擇 6.1對噴涂涂層性能的要求 CFB鍋爐的磨損機理決定涂層應(yīng)該具有以下性能： 6.1.1具有高耐磨性 6.1.2具良好的延展性 6.1.3應(yīng)該具有一定耐腐蝕性 6.2材料選擇 熱噴涂技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，應(yīng)用超音速電弧噴涂方式噴涂一層耐磨涂層，都可以達到工件的防耐要求，由于各種噴涂方式的工藝性限制，超音速電弧噴涂粉芯材料是最佳的解決方法。根據(jù)CFB鍋爐的磨損機理，為此我公司采用超音速電弧噴涂TS70HRC超硬耐磨噴涂絲材的耐磨涂層進行施工，經(jīng)各項實驗技術(shù)指標測試，該材料各項防磨指標均高于國內(nèi)同類噴涂絲材，完全能滿足CFB鍋爐防磨技術(shù)的要求。 6.3涂層成分 TS70HRC超硬耐磨噴涂絲材材成分:采用Cr(25～30%),Ni(10～15%)B(5～6%),為納米陶瓷硬質(zhì)相團聚粉芯絲材。 6.4涂層性能 現(xiàn)對我公司選用的TS70HRC超硬耐磨噴涂絲材(NiCrB-Cr3C2)采用超音速電弧噴涂所制備的涂層作出以下描述： 6.4.1具體微觀結(jié)構(gòu)為 Cr3C2及其在噴涂過程生成物的混合相作為硬質(zhì)點，相當于涂層結(jié)構(gòu)中的骨架；NiCrB具有良好的延展性及耐腐蝕性，作為硬質(zhì)點的載體。硬質(zhì)點鑲嵌在載體中，在載體中均勻分布。 6.4.2耐磨性要求 Cr3C2及其在噴涂過程生成物的混合相作為硬質(zhì)點，成為涂層結(jié)構(gòu)中的骨架，受到?jīng)_蝕質(zhì)點沖擊。眾所周知鉻的碳化物具有相當高的硬度，完全能夠滿足耐磨性的要求。 6.4.3延展性要求 鉻的碳化物具有相當高的硬度，但熱脹系數(shù)與基體相差很大，這就要求載體應(yīng)具有良好的延展性，也就是具有與基體相近的熱脹系數(shù)。NiCrB作為載體加上打底層（NiAl）的過渡保證了整個涂層的延展性，在溫度不斷變化過程中不開裂。 6.4.4耐腐蝕要求 涂層在煙氣中具有腐蝕性介質(zhì)的條件下工作，NiCrB具有良好的抗腐蝕性，保證不會因為載體的腐蝕而造成硬質(zhì)點的失效脫落，從而直接影響涂層的耐磨性能。 七、超音速電弧噴涂設(shè)備與技術(shù)說明 TS500型超音速電弧噴涂設(shè)備由電源箱、送絲機構(gòu)系統(tǒng)噴槍、空氣壓縮機等設(shè)備組成，該技術(shù)是我公司通過引進先進設(shè)備和技術(shù)開發(fā)的熱噴涂新技術(shù)，被美國、日本等發(fā)達國家列為二十一世紀表面工程關(guān)鍵技術(shù)。該噴涂技術(shù)采用兩根金屬絲材同時送進電弧噴槍產(chǎn)生電弧熔化，經(jīng)拉伐爾噴嘴加速后的超音速氣流將噴涂材料霧化為粒度細小、分布均勻的粒子，噴向工件形成涂層。熔化粒子與基材主要以機械、物理和冶金等方式結(jié)合，其結(jié)合強度可達63.5MPa以上。與普通電弧噴涂和火焰噴涂相比，超音速電弧噴涂具有更高的粒子飛行速度、更強的結(jié)合強度、更低的孔隙率、涂層均勻度高、致密性好，且噴涂粒子到達工件表面時溫度不到80℃，工件不會變形，可獲得高質(zhì)量的涂層。 八、噴砂設(shè)備與技術(shù)說明 8.1噴砂對基體表面的作用 8.1.1清潔表面：去除被噴表面的各種污染物，特別是油脂、污垢、氧化皮、銹、腐蝕物。工作面清潔度達到GB8923-88《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》中規(guī)定的Sa3.0級。 8.1.2表面噴砂：熱噴涂涂層與基體的結(jié)合以機械結(jié)合為主，這就要求基體前處理不僅要除油除銹，還要粗化表面，使用面具有一定的粗糙度。表面粗糙度達到GB11373-89《熱噴涂金屬件表面預(yù)處理通則》中規(guī)定的Rz60～90μm，對管壁厚度不會造成任何損傷。 噴砂處理的目的： a)增大噴涂層與基體的接觸面積，提高結(jié)合面的粘合吸附力。 b)增加涂層材料與基體表面的相互嵌合、咬合，起到“錨鉤”作用，以加強涂層與基體的附著力。 8.2活化表面 噴砂給噴涂提供了活性表面能力：如晶格缺陷、塑性變形，產(chǎn)生一定的應(yīng)力狀態(tài)，以利于增加噴涂粒子與基體表面附著力，提高噴涂顆粒與基體的微冶金結(jié)合能力?；罨Ч治鋈缦拢?/span> 8.2.1噴砂使工件表面在經(jīng)過砂粒的反復(fù)打擊后形成一定的殘余壓應(yīng)力，盡管該應(yīng)力數(shù)值極小，但對于松馳工件在噴涂過程中涂層熱應(yīng)力，對提高涂層的結(jié)合強度有利，同時也可以提高工件的疲勞強度。 8.2.2噴涂可除去工件表面上的有機污染物和氧化層，并能增大金屬表面晶粒的塑性變形和造成晶格缺陷，使基體表面處于容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的狀態(tài)，有助于噴涂顆粒與基體表面間的物理化學(xué)結(jié)合強度。 8.2.3噴砂說明：噴砂只是噴除表面的污雜物，其噴除管壁厚度≤15μm，此厚度最薄，對整個管壁厚度不會產(chǎn)生影響，其次噴砂作業(yè)不會產(chǎn)生對管壁的拉裂和吹損，噴砂作業(yè)是均勻進行的，整個表面的厚度減損是一致的，綜上所述噴砂作業(yè)只是對爐管達到干燥、清潔、活化表面，提高涂層結(jié)合強度一種最行之有效方法，不會損傷管壁厚度。 所以工件噴涂前進行噴砂處理是極為必要的。而且噴砂后的工件應(yīng)盡快進行噴涂，時間越短表面活化效果越好，涂層質(zhì)量越高。 九、噴涂涂層的基本參數(shù) 涂層結(jié)合強度≥55Mpa 涂 層 厚 度≥0.6～0.8mm 涂 層 硬 度≥65HRC 涂層孔隙率≤0.9% 基 體 溫 度≤80℃ 抗高溫氧化性：6.35mg/cm2(750℃氧化250小時) 熱膨脹系數(shù)：12.5×10-6 傳 熱 系 數(shù)：34～38w/m.k
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