火力發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)金屬襯板與陶瓷襯板性能對比與選型探究

孟立軍，張孟昆

（國能粵電臺山發(fā)電有限公司，廣東 臺山 529228）

1 前言

火力發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)落煤管工作時長時間受到煤流沖擊、摩擦，因此內部需要加裝耐磨襯板防止煤流磨穿管壁，造成撒漏煤，因此，襯板的耐磨性能尤為重要，作為易損件，襯板的消耗量十分巨大，常用的落煤管襯板有金屬襯板和陶瓷襯板。本文將對比金屬與陶瓷2 種材質的襯板的特性，結合國能臺山電廠輸煤系統(tǒng)具體工況如磨損介質硬度及性質、沖擊力高低、腐蝕情況等現(xiàn)場實際，對比分析2 種材質的襯板在不同使用場景下各自優(yōu)缺點，為同行在襯板選型上提供參考借鑒。

2 磨損機理及影響因素

磨損是一種常見的零件失效基本類型，磨損是指物體或零件相互接觸并相對運行的系統(tǒng)中發(fā)生的一種現(xiàn)象，導致材料接觸面物質的脫落或位移。在微觀上磨損主要表現(xiàn)為4 種機制，分別為（a）犁溝、（b）切削、（c）疲勞、（d）啟裂。根據磨損形式不同又可分為黏著磨損、磨粒磨損、表面疲勞磨損、微動磨損、沖擊磨損與磨蝕等，本文所探討的輸煤設備襯板的磨損情況，主要磨損形式有煤流與襯板間的磨粒磨損與磨蝕，以及煤中夾雜的石塊鐵塊等異物造成的沖擊磨損。

材料硬度是影響耐磨性的重要指標。當耐磨材料硬度Hb 與磨料硬度Ha 比值Hb/Ha 大于1.25 時，磨損很慢，當比值Hb/Ha 介于0.80～1.25 之間時，磨損逐漸加快，當比值Hb/Ha 小于0.80 時，將出現(xiàn)高速磨損。此外，影響耐磨性的另一個重要因素是材料的韌性，尤其是對于沖擊力較大的場合，高的韌性能夠有效降低材料表面裂紋的產生與擴散，從而有效抵抗沖擊磨損。不同工作環(huán)境下，耐磨襯板磨損速度有所不同，有研究表明，濕態(tài)及腐蝕狀態(tài)下的耐磨材料，較干態(tài)下磨損加劇明顯，2 種因素相互促進加速磨損進程，尤其對于硬度及屈服強度不足的材料，磨料在耐磨材料表面更容易劃出溝槽，使材料表面出現(xiàn)極大的應力集中，在腐蝕環(huán)境下易出現(xiàn)應力腐蝕，從而加劇磨損，因此，保證材料的硬度與屈服強度是對抗腐蝕的重要前提。

綜上所述，并結合輸煤設備現(xiàn)場使用實際，可得出評價襯板耐磨性指標主要為材料的硬度與屈服強度、材料的韌性、耐腐蝕性能。

3 襯板簡介

3.1 金屬襯板

目前常用的金屬襯板材料為合金白口鑄鐵、奧氏體鋼和低中合金鋼。鑄鐵中常見的有普通白口鑄鐵，碳含量達到3.5%時，硬度可以達到600HBW，其優(yōu)點為價格低廉硬度高，缺點是韌性差，且不能做成薄細長的形狀，在落煤管中已經很少使用。

在鑄鐵中加入金屬元素鉻，可有效降低材料的脆性，提高耐磨性能，根據鉻含量可分為低鉻鑄鐵、中鉻鑄鐵以及高鉻鑄鐵，低鉻鑄鐵含鉻量為1%～5%范圍內，其價格低廉，但只適用于較低沖擊載荷的場所，中鉻鑄鐵含鉻量為5%～10%之間，可應用于中等沖擊載荷場所，具有一定的耐蝕性，其中高鉻鑄鐵為最為常見的鑄鐵襯板材料，其鉻的含量一般大于12%，具有良好的硬度、耐蝕性以及抗氧化性，但即使是高鉻鑄鐵材料，其低韌性、較高的成本以及濕態(tài)磨損壽命較低等缺點也限制了其應用范圍，現(xiàn)在主流的金屬耐磨襯板材質為鑄鋼類。

常見的耐磨鑄鋼可分為錳鋼與鉻鋼，其綜合耐磨性能優(yōu)于鑄鐵。按合金含量可再細分為奧氏體中錳鋼、奧氏體高錳鋼，馬氏體中鉻鋼、馬氏體高鉻鋼，2 種基體是由于不同的熱處理工藝所導致的。高錳鋼為碳含量0.9%～1.4%、錳含量10%～15%的奧氏體鋼，高錳鋼有良好的韌性與加工硬化性能，在強烈的沖擊載荷下表面硬度可以達到500HBW 以上，并且心部保持良好的韌性，適用于高沖擊載荷的場所，在輸煤系統(tǒng)通常不會用作落煤管中的襯板。高鉻合金耐磨鋼中碳含量為1%～2%、鉻含量10%～15%的馬氏體鋼，其韌性顯著優(yōu)于高鉻鑄鐵，且硬度較高，因此受到廣泛的應用。

中低合金鋼為了提高襯板硬度，使用合金材料取代部分碳作為鋼的強化元素，制成稀土耐磨鑄鋼，硬度可達到HRC50，可用于制作耐磨襯板和碎煤機環(huán)錘。低中合金鋼襯板組織類型為馬氏體、馬-貝、貝氏體等，常用的熱處理工藝有水淬、油淬、空淬、等溫淬火、分級淬火、亞臨界處理等，使用壽命比錳鋼襯板有較大幅度提高。

3.2 陶瓷襯板

陶瓷襯板以AL2O3 為主體材料高溫燒結而成的陶瓷，通過橡膠與高強度無機粘合劑固定于底部鋼板上，鋼板再通過螺栓與被保護部位連接，其主體耐磨材料為陶瓷。陶瓷襯板硬度非常大，洛氏硬度可達HRA85-90，理論耐磨性能可達到錳鋼的266 倍，高鉻鑄鐵的171.5 倍，但其韌性相對較差，不能承受較大的沖擊載荷。陶瓷襯板重量較輕，密度為3.6g/cm3，不及金屬襯板的1/2，且表面摩擦系數(shù)小，運行時不易粘煤，陶瓷襯板在干摩擦、水潤滑、油潤滑3 種不同潤滑條件下表現(xiàn)出不同的磨損機制與耐磨性能，干摩擦情況下陶瓷襯板表面表現(xiàn)為大量的脆性剝落與磨粒磨損，表面剝落的大塊陶瓷顆粒不斷被磨成較小的磨粒，加大對材料表面的磨損，而在水潤滑與油潤滑的工況下，材料表面會形成液體膜，在減輕載荷的同時，陶瓷襯板表面的摩擦因數(shù)降至0.1～0.2，且摩擦產生的磨屑能夠被水或者油帶走，很大程度的減少磨粒磨損，因此襯板表面磨損情況得到很大改善。此外在煤流沖擊落煤管時，會產生巨大的噪音，陶瓷襯板上使用的硫化橡膠的消聲效果好。

4 金屬襯板與陶瓷襯板對比

作為襯板，其耐磨性將作為重點關注的指標，下面我們將圍繞材料硬度、韌性、耐腐蝕性能等評價2 種襯板的耐磨性。

4.1 硬度

金屬襯板硬度介于布氏硬度HBW400-600 之間，陶瓷襯板洛氏硬度可達HRA85-90，在特定情況下洛氏硬度可簡單換算為1/10 的布氏硬度，即陶瓷襯板硬度介于布氏HBW850-900 之間，金屬襯板中硬度達到HBW600 的為高碳含量的白口鑄鐵，其硬度雖高卻脆性較大，實用價值很低，因此普遍使用的金屬襯板布氏硬度介于HBW400-500 之間。陶瓷襯板硬度比金屬襯板高80%，硬度是抵抗輸煤系統(tǒng)最普遍的磨粒磨損形式的最重要指標，因陶瓷相當高的硬度，磨粒較難在其表面造成切削犁溝等損傷，其在磨粒磨損測試中，表現(xiàn)遠超過所有常見的金屬襯板，表現(xiàn)最好的堆焊類襯板對磨粒磨損下的磨損壽命為30h/mm,而陶瓷襯板則為50h/mm 以上,而磨粒磨損為輸煤系統(tǒng)最為常見的磨損形式，說明陶瓷襯板在輸煤系統(tǒng)工作環(huán)境下耐磨性能遠好于金屬襯板。

4.2 韌性

材料的韌性決定其抗沖擊性能，作為襯板，在電廠燃煤輸送的過程中，因落煤管較大的高度差或煤中含有雜物等，不可避免的將對襯板造成沖擊，輸煤系統(tǒng)運輸?shù)奈锪鲜敲禾?，硬度較小，工況主要是滑動摩擦，沖擊較小，即使落差大，也遠遠達不到碎煤機、磨煤機等設備的沖擊力，金屬襯板中的鑄鋼類襯板相較于陶瓷都具有較高的韌性，在相關的抗沖擊測試中，金屬襯板均表現(xiàn)為韌性內陷式壓痕，而相同測試條件下陶瓷襯板則呈現(xiàn)出明顯的非韌性壓痕并伴隨有明顯的裂紋，結果表明金屬襯板抗沖擊性能好于陶瓷襯板。

4.3 耐腐蝕性能

襯板在輸煤系統(tǒng)的使用環(huán)境中呈弱酸性，根據磨損理論，腐蝕環(huán)境下金屬襯板的腐蝕將極大地促進磨損的進程。本電廠所處為沿海區(qū)域，空氣濕度大，存在嚴重的鹽霧腐蝕作用，鹽霧中的氯離子能夠穿透金屬氧化層和防護層與內部金屬發(fā)生電化學反應。金屬襯板在磨粒磨損過程中，磨粒在金屬表面犁溝、切削，使材料堆積產生較大的應力集中，材料表面化學位較高容易受應力腐蝕。此外，在磨損出的新金屬表面與舊的鈍化層之間也存在極電位差，金屬多項組織中相與相之間、晶粒與晶界之間均存在電極電位差，這些都是金屬發(fā)生電化學腐蝕的因素。以上介紹的腐蝕類型多為電化學腐蝕，相關研究表明，陶瓷的耐電化學腐蝕性能比鋼高3 個數(shù)量級，因此，在沿海地區(qū)，使用陶瓷襯板將極大地減少鹽霧腐蝕的危害。金屬襯板想要增強抗腐蝕性能，應該選用單相組織的合金，并盡量提高材料的電極電位；減少材料內的雜質含量凈化晶界；盡可能提高表面硬度以減少表面犁溝切削等損傷，降低應力集中減少應力腐蝕。

結合上述對比，我們可以得出以下結論，陶瓷襯板在對抗輸煤系統(tǒng)中常規(guī)磨粒磨損的能力，以及耐弱酸性、鹽霧環(huán)境腐蝕性遠好于金屬襯板，而在特殊的沖擊載荷或劇烈震動的工況下陶瓷襯板由于其脆性，容易產生裂紋而發(fā)生失效，因此在常規(guī)落煤管中可選用陶瓷襯板提高設備壽命，大沖擊力設備則應選用金屬襯板。

5 結語

本文介紹了磨損機理在微觀上4 種表現(xiàn)形式，硬度、韌性以及耐腐蝕性等對材料耐磨性的影響，2 種材質的耐磨襯板中，陶瓷襯板在對抗輸煤系統(tǒng)常規(guī)磨粒磨損的性能遠高于金屬襯板，而在大的沖擊載荷以及強烈振動的工況下不如金屬襯板，因此常規(guī)落煤管選用陶瓷襯板效果更佳。金屬襯板雖具有較好的加工性能，使用壽命與材料利用率卻不及陶瓷襯板，綜合來看，陶瓷襯板更換頻次小于金屬襯板，且具有較好的降噪性能，應用前景廣闊。