环硫化床锅炉热喷涂耐磨涂层可行性使用报告

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，哈尔滨金海莱德喷涂工程技术有限公司，研制了JH-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。

     JH-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***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：

     表1中列出了各种热喷涂方法的***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．JH-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JH-801具有抗磨性***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）JH-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）***重要之点，还在于JH-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．JH-801涂层的基本特性

JH-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：60.5Mpa
3、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JH-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JH-801涂层做了对比试验，从中可得出：

1、耐冲蚀性能：JH-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JH-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JH-801对吹扫区的工作寿命有显著的改善，***长工作寿命达七年。

4、CFB锅炉金属受热面：
    大量JH-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JH-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JH-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JH-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JH-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JH-801  1-2mm，栓塞工作寿命由3个月延至一年。