高耐磨、耐腐蚀工艺中试基地

高耐磨、耐腐蚀工艺中试基地

一、技术背景

        磨损、腐蚀是设备密集型企业普遍面临的共性问题,电力、冶金、石化和煤炭等大型工业企业每年因防腐耐磨而发生的直接费用达数千亿元,因磨损和腐蚀而导致的间接损失更大。以电弧堆焊、热喷涂为代表的常规防磨防腐技术在工程中得到了广泛应用,取得了巨大的经济效益,但对于一些磨损腐蚀严重的部件,常规技术仍无法满足其长寿命可靠工作的要求。

        以刘宗德教授为学术带头人的研究团队,先后搭建了等离子熔覆反应合成高耐磨陶瓷-金属复合材料熔覆层制备平台、基于激光熔覆技术的高耐磨耐蚀复合锅炉管制备平台、电热爆炸超高速喷涂试验平台和材料磨损腐蚀特性检测平台。研发了具有自主知识产权的低成本制备抗高温冲蚀、抗三体磨料磨损的陶瓷-金属复合材料熔覆层的新技术和高耐磨损、耐高温腐蚀涂覆层制备新技术和再制造技术,并将该技术应用在了锅炉管、风机等火电厂重要部件上,大幅度提高了电厂磨损部件的寿命,降低了电厂磨损部件的维修费用和对原材料的消耗,为电厂的节材、节能降耗开辟了新途径。

二、关键技术及水平

        该技术成果突破了现有热喷涂技术所制备涂层结合强度低、涂层在冲刷磨损工况下易剥落等局限性,开发了基于激光熔覆的高耐磨复合锅炉管制备新技术和系列用于水冷壁防磨的新材料。

        在制备技术方面,自主开发的适合于光管熔覆的耐磨复合锅炉管制备系统(国内外尚未见到同类报道),通过精确控制熔覆枪的参数及其与水冷壁管的相对运动速度与轨迹,可使耐磨熔覆层厚度均匀、熔覆层与水冷壁管基体达到冶金结合,熔覆层厚度可在500-3000μm范围内调节。2012年,对锅炉管熔覆系统进行了多项技术改进,已建成了具有步进、无级变速旋转功能的锅炉管熔覆台,使熔覆台熔覆效率比原来工艺提高近1倍。

        在新材料研究方面,自主研究开发了用于激光、等离子熔覆的TiB2-Ni65、TiB2(TiC)-Cr3C2/NiCr,TiB2-Fe-Cr-B-Si-C、TiB2(NbC)-Ni-Cr-B-Si-C等复合体系,对由上述复合材料体系制备的熔覆层的组织结构、硬度、孔隙率、高温氧化、磨损等性能进行了系统全面的检测分析。研究表明,由上述不同体系材料所制备熔覆层的硬度均可≥1000HV,其耐磨性显著优于热喷涂、堆焊等传统工艺所制备涂覆层的耐磨性。

    

图1 锅炉管制备平台与批量生产的高耐磨水冷壁管

        应用该技术成果研发的高耐磨水冷壁管具有以下优点:

        (1)利用激光束反应合成的高耐磨陶瓷-金属复合材料熔覆层,突破了堆焊技术仅能堆焊铁基耐磨材料的局限性,可熔覆高熔点、高陶瓷相含量的复合材料,熔覆层的硬度可达1300HV,远高于堆焊耐磨层的硬度,在高温冲蚀磨损工况下,其耐磨性为或热喷涂涂层、耐磨堆焊层的5倍以上。

        (2)熔覆层与基材达到冶金结合,突破了热喷涂涂层与基体结合强度低(机械结合)的局限性,熔覆层与基体的结合强度是热喷涂涂层6倍以上,有效解决了防磨涂层可靠性低、局部脱落的问题。

        (3)熔覆过程中对基材的热影响区域小、基材无热变形。材料该技术在锅炉管外表面制备熔覆层时,对基体热影响区深度仅0.1-0.3mm,不改变基材原有组织和力学性能,锅炉管无热变形。

        (4)所用熔覆层材料的导热率与不锈钢相当,且由于熔覆层与基体冶金结合、孔隙率极低(<0.1%),因而采用该技术对设备的换热效率影响极小(在采用同类材料的条件下,其导热性优于热喷涂涂层)。

        应用该技术研发的激光熔覆高耐蚀过热器管具有以下优点:

        (1) 在锅炉管外表面形成具有冶金结合的Ni-Cr-Mo合金耐腐蚀熔覆层,厚度可在0.4-1.5mm范围内选择;

        (2)耐蚀熔覆层与管材达到冶金结合,结合强度≥350MPa(为电弧喷涂涂层的8倍以上),耐蚀层在整个寿命周期内永不脱落;

        (3)耐蚀熔覆层的孔隙率为零;

        (4)仅需600μm厚度的耐蚀层,可使锅炉管耐蚀寿命≥15年,约为电弧喷涂涂层寿命的5倍以上。

三、成果应用及效益

        1、火电厂重要部件的高耐磨新技术

        应用该技术成果开发了高耐磨损金属陶瓷磨辊新产品、高热响应速度耐磨热电偶保护管、高温耐磨热电偶保护管、循环流化床用风帽、热压模具等高耐磨新产品。其中,高耐磨损金属陶瓷磨辊新产品在多个电厂磨煤机磨辊中示范应用,取得了明显的经济效益;高热响应速度耐磨热电偶保护管热响应时间小于10秒(普通耐磨保护管热响应时间为60-180秒),在多个火电厂应用中达到了延寿6倍以上的效果;高温耐磨热电偶保护管在10余个火电厂(工作温度600-900℃)、水泥厂(工作温度1000-1300℃)、多晶硅生产厂家(工作温度≤500℃)成功应用,与常用耐磨保护管相比,普遍达到了延寿2-6倍的效果。

        该技术成果成功应用于火电厂重要部件(包括排粉机叶轮、引风机叶轮、一次风管、燃烧器、循环水泵、排灰阀门等)、水泥厂重要部件(高温引风机叶轮、耐磨衬板等)。累计应用厂家达30余个,普遍达到了延寿2-12倍的显著效果,在应用厂家产生了显著的经济效益。以海勃湾电厂排粉机叶轮应用为例,该厂共有4台排粉机叶轮运行。在采用本项新技术以前,由于叶轮磨损严重,每隔2-3个月需停运风机补焊叶片及角焊缝;由于锅炉采用乏气送粉方式,停运排粉机需投油助燃,机组负荷需降至额定负荷的50%-60%,每年造成电量损失非常可观。该厂的4台排粉机全部采用金属陶瓷耐磨叶轮后,排粉机的使用寿命大幅提高(最长运行时间达3年)。机组运行期间不再需临时停运检修、补焊叶轮叶片及角焊缝。使用该种耐磨叶轮,每年可为该厂挽回电量损失达800万千瓦时,每年可节省大量维修费用和助燃用油。下图左为运行前的金属陶瓷防磨排粉机叶轮,下图右为运行近2年的金属陶瓷防磨排粉机叶轮,从右图可发现金属陶瓷熔覆层仍基本完好,磨损轻微。成果还在火电厂燃烧器、火箭炮定向器得到试验应用,试验表明熔覆层耐高温冲蚀性能优异。


图2 运行前排粉机叶轮与运行近2年排粉机叶轮(延寿8倍)

        2、高耐磨耐蚀锅炉四管

        磨损、腐蚀是火电厂锅炉四管运行中普遍存在的共性问题。在各种燃煤锅炉中,以循环流化床锅炉的磨损问题最为严重。循环流化床锅炉具有高效、低污染燃烧等优点,是电力行业重点推广的发电技术,目前我国已有3000余台循环流化床锅炉投入运行。水冷壁管、过热器管的高温磨损一直是循环流化床锅炉运行中普遍存在的重要问题,磨损不仅造成电厂巨大的经济损失,而且易发生因水冷壁突发性爆管而非正常停炉的重大安全事故。在生物质发电厂中,过热器管的腐蚀问题严重影响了电厂的安全、连续运行。

        针对上述问题,中心研发了激光熔覆高耐磨水冷壁管和激光熔覆高耐蚀过热器管,突破了现有热喷涂技术结合强度低、寿命短等局限性,在不影响锅炉燃烧效率的前提下,最大限度的延长了锅炉水冷壁管和过热器管的使用寿命。


图3 高耐磨耐蚀锅炉四管应用效果图




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