130t/h鍋爐超音速噴涂的可行性分析

孫 煜

（萊蕪鋼鐵股份有限公司能源動力廠，山東萊蕪， 271126）

1 實施背景

萊鋼能源動力廠銀前鍋爐車間現(xiàn)有兩座JG-130/3.82-Q 型燃高爐煤氣鍋爐，水冷壁腐蝕一直是困擾安全運行的重大問題，鍋爐水冷壁減薄造成的突發(fā)性爆管事故對生產的危害十分嚴重。以前我們曾采用澆注料制作衛(wèi)燃帶，氧、乙炔噴焊，電弧噴涂等措施對水冷壁進行防護，但效果都不理想。

2009 年4 月18 日，1#鍋爐因水冷壁管減薄爆管，造成緊急停爐一次，給能源動力廠的安全經濟生產帶來了極大危害。僅停爐后的重新點火，直接費用高達5 萬余元，加上檢修費用及減少的冷風供應量，一次事故造成損失超過20 萬元；銀前兩臺鍋爐在近幾年的運行中，水冷壁爆管事故每年都有發(fā)生。因此，在純燃煤氣鍋爐水冷壁防腐蝕方面，尋求一種先進工藝，已成為當務之急。

2 原因分析及實施方案

水冷壁腐蝕主要來自兩個方面，管內水或蒸汽在紊流或湍流狀態(tài)下因高速流體、溫度、化學環(huán)境的相互影響促進了碳鋼和低合金鋼表面氧化保護層的溶解，導致腐蝕破壞；管外高溫煙氣的輻射和對流作用使管壁升溫，飛灰顆粒沖刷管壁，煙氣中的腐蝕性氣體與沉積在管壁上的鹽類等物質一起腐蝕管壁。由于高爐煤氣著火后期靠近水冷壁的區(qū)域,氧量供應不足,容易產生還原性氣氛,并在水冷壁區(qū)域形成一定濃度的SO3、H2S 腐蝕性氣體。同時,隨著負荷高低的變化(如:在低負荷運行時爐內氧量相對較高,在高負荷運行時爐內氧量相對較偏低),配風方式的不同等,在氧化和還原性氣氛交替存在時,硫化鐵型(FeS2) 反應也會交替發(fā)生,形成分層腐蝕。

電弧超音速噴涂是以電弧為熱源，將金屬絲熔化并用氣流霧化，使熔融顆粒高速噴射到工件表面形成涂層的一種工藝，基本原理如圖1 所示。

圖1 電弧噴涂示意圖

噴涂時，兩根絲狀金屬噴涂材料用送絲裝置通過送絲輪均勻、連續(xù)地分別送進電弧噴涂槍中的導電嘴內，導電嘴分別接電源的正、負極，并保證兩根絲材端部接觸前的絕緣性。當兩金屬絲端部由于送進而互相接觸時，在端部短路并產生電弧，使絲材端部瞬間熔化，壓縮空氣把熔融金屬霧化成微熔滴，以很高的速度噴射到工件表面，形成電弧噴涂層。

電弧噴涂層的形成過程非常復雜，涉及到空氣動力學、多相流流體力學、冶金熱力學、傳熱學等諸多領域，因此也受到很多參數(shù)的影響，如電弧溫度、氣流速度、氣流壓力、噴涂電壓、電流等。一般電弧噴涂層的形成可以分為熔滴形成、熔滴霧化和扁平顆粒堆積。電弧超音速噴涂是在電弧噴涂的基礎上，加入了拉發(fā)爾噴嘴，并完善了控制系統(tǒng)和電源特性的一種噴涂方法。氣流速度達600 m/s，噴涂中顆粒飛行速度大于420 m/s。高速飛行的涂層粒子撞擊金屬表面，形成機械嵌合，速度越高，涂層越致密，嵌合力就越大，結合強度越高。目前，電弧超音速噴涂金屬材料，結合強度最高達60 MPa，并且可加入一些特殊材料，如陶瓷、吸熱材料等。

噴涂材料的選擇：煤氣鍋爐以高溫氧化和硫腐蝕為主，按不同材料防護效果，從低到高依次為：鋁絲——鐵鉻鋁絲——鎳鉻類絲；復合工藝以彌散包覆方式進行，避免了不均勻現(xiàn)象；合金相熔點低，提高了噴涂效率；熱脹系數(shù)與爐管接近（8.5×10-6/K），使用中不會因高溫影響而脫落。我們選擇鎳鉻類絲，主要性能為：涂層厚度可達2 mm ；結合強度不小于52 MPa；孔隙率不大于3% ；可耐1256 ℃高溫；硬度HRC67～69，硬質相HRC78；耐腐蝕性能不大于0.45 mg/g，是碳化鉻的1.5 倍。

3 實施過程

工藝流程：表面預處理、噴砂作業(yè)、噴涂作業(yè)、預測厚度、自查。

（1）表面預處理。用抹布、清潔球和磨光機清理水冷壁管上的浮塵、浮渣、銹等雜質。

（2）噴砂作業(yè)。用噴砂機對工作面進行噴砂處理,達到表面干燥、無灰塵、油脂、污垢和銹斑,且粗糙度達到Sa3。

（3）噴涂作業(yè)。對噴砂后的工作面進行噴涂作業(yè)。防磨部位采用金屬陶瓷絲材作噴涂材料,對工作面噴涂2～3 遍,保證厚度達到0.6～0.8 mm,涂層表面要求平整、光潔、致密、不起皮和鼓泡,基材不變形,孔隙率低于0.9%。

（4）預測厚度。用測厚儀對表面涂層進行測量,保證涂層厚度均勻,并達到規(guī)定要求。

（5）自查。施工結束后進行自查,對不合格處進行修整。

4 效果評價

在超音速電弧噴涂區(qū)水冷壁表面涂層光滑,無剝落和裂紋；在超音速電弧噴涂與基材過渡區(qū)過渡平滑,沒有出現(xiàn)凸臺和明顯的磨損;水冷壁管得到較好保護，耐腐蝕性和耐磨損性可以得到較大幅度提高，水冷壁減薄爆管事故減為零次，鍋爐水冷壁管運行周期可達到大修周期10 年。

5 經濟效益分析

5.1 啟停爐費用

（1）改造前每年因水冷壁事故造成一次停爐，每五年產生啟停爐和鍋爐檢修費用為（17+2）×5=95 萬元

(2)改造后每5 年出現(xiàn)一次水冷壁事故，啟停爐和鍋爐檢修費用（17+2）=19 萬元

（3）實施超音速噴涂工程費用為30 萬元。

銀前兩臺鍋爐實施超音速噴涂工程可以節(jié)約點停爐資金（95 萬元-19 萬元-30 萬元）×2=92 萬元。

5.2 節(jié)能降耗費用

鍋爐受熱面實施水冷壁噴涂技術后，2012 年3月份至12 月份，鍋爐燃耗較2011 年平均下降了0.4 kg/t，有效降低了鍋爐燃料成本。按實施此項技術的鍋爐年產蒸汽660 萬t 計算，鍋爐大修周期為5 年，標準煤價格為800 元/t 計算，項目帶來的經濟為：

0.4kg/t×6600000t÷1000×800 元/t×5=1056 萬元。（5 年節(jié)約的燃料成本）

實施此項改造后，銀前兩臺鍋爐五年可節(jié)約成本92 萬元+1056 萬元=1148 萬元。

[1]王元良，陳輝.熱噴涂技術及其設備應用[J].電焊機，2005,11:1

[2]張小平，超音速噴涂表面合金化的研究[J].太原重型機械學院學報.2002，4：290

[3]班云福，超音速電弧噴涂在240t/h 循環(huán)流化床鍋爐水冷壁上的應用[J].化工設計通訊.2005，9：28