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(shí)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(yùn)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(chǎn)的危害十分嚴(yán)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(jìn)行防護(hù)，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(jīng)濟(jì)生產(chǎn)帶來了極大危害。僅停爐后的重新點(diǎn)火，直接費(fèi)用高達(dá)5 萬余元，加上檢修費(fèi)用及減少的冷風(fēng)供應(yīng)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(yùn)行中，水冷壁爆管事故每年都有發(fā)生。因此，在純?nèi)济簹忮仩t水冷壁防腐蝕方面，尋求一種先進(jìn)工藝，已成為當(dāng)務(wù)之急。

2 原因分析及實(shí)施方案

水冷壁腐蝕主要來自兩個(gè)方面，管內(nèi)水或蒸汽在紊流或湍流狀態(tài)下因高速流體、溫度、化學(xué)環(huán)境的相互影響促進(jìn)了碳鋼和低合金鋼表面氧化保護(hù)層的溶解，導(dǎo)致腐蝕破壞；管外高溫?zé)煔獾妮椛浜蛯α髯饔檬构鼙谏郎兀w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(zhì)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(yīng)不足,容易產(chǎn)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(shí),隨著負(fù)荷高低的變化(如:在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)爐內(nèi)氧量相對較高,在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)爐內(nèi)氧量相對較偏低),配風(fēng)方式的不同等,在氧化和還原性氣氛交替存在時(shí),硫化鐵型(FeS2) 反應(yīng)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(shí)，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(jìn)電弧噴涂槍中的導(dǎo)電嘴內(nèi)，導(dǎo)電嘴分別接電源的正、負(fù)極，并保證兩根絲材端部接觸前的絕緣性。當(dāng)兩金屬絲端部由于送進(jìn)而互相接觸時(shí)，在端部短路并產(chǎn)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(fù)雜，涉及到空氣動力學(xué)、多相流流體力學(xué)、冶金熱力學(xué)、傳熱學(xué)等諸多領(lǐng)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(chǔ)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(dá)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(jī)械嵌合，速度越高，涂層越致密，嵌合力就越大，結(jié)合強(qiáng)度越高。目前，電弧超音速噴涂金屬材料，結(jié)合強(qiáng)度最高達(dá)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(hù)效果，從低到高依次為：鋁絲——鐵鉻鋁絲——鎳鉻類絲；復(fù)合工藝以彌散包覆方式進(jìn)行，避免了不均勻現(xiàn)象；合金相熔點(diǎn)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(dá)2 mm ；結(jié)合強(qiáng)度不小于52 MPa；孔隙率不大于3% ；可耐1256 ℃高溫；硬度HRC67～69，硬質(zhì)相HRC78；耐腐蝕性能不大于0.45 mg/g，是碳化鉻的1.5 倍。

3 實(shí)施過程

工藝流程：表面預(yù)處理、噴砂作業(yè)、噴涂作業(yè)、預(yù)測厚度、自查。

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

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

（3）噴涂作業(yè)。對噴砂后的工作面進(jìn)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(dá)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(yù)測厚度。用測厚儀對表面涂層進(jìn)行測量,保證涂層厚度均勻,并達(dá)到規(guī)定要求。

（5）自查。施工結(jié)束后進(jìn)行自查,對不合格處進(jìn)行修整。

4 效果評價(jià)

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(hù)，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(yùn)行周期可達(dá)到大修周期10 年。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

5.1 啟停爐費(fèi)用

（1）改造前每年因水冷壁事故造成一次停爐，每五年產(chǎn)生啟停爐和鍋爐檢修費(fèi)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(fèi)用（17+2）=19 萬元

（3）實(shí)施超音速噴涂工程費(fèi)用為30 萬元。

銀前兩臺鍋爐實(shí)施超音速噴涂工程可以節(jié)約點(diǎn)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(fèi)用

鍋爐受熱面實(shí)施水冷壁噴涂技術(shù)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(shí)施此項(xiàng)技術(shù)的鍋爐年產(chǎn)蒸汽660 萬t 計(jì)算，鍋爐大修周期為5 年，標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格為800 元/t 計(jì)算，項(xiàng)目帶來的經(jīng)濟(jì)為：

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

實(shí)施此項(xiàng)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(shù)及其設(shè)備應(yīng)用[J].電焊機(jī)，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(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào).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(yīng)用[J].化工設(shè)計(jì)通訊.2005，9：28