激光熔覆技術(shù)及新型耐磨復(fù)合材料在鍋爐熱管上的應(yīng)用

王 帥

（華陽新材料科技集團，山西 陽泉 045000）

1 鍋爐熱管防磨技術(shù)現(xiàn)狀

近年來，隨著環(huán)保問題的日益嚴(yán)峻，潔凈煤燃燒也逐漸引起了人們的關(guān)注。循環(huán)流化床鍋爐以其高效的脫硫、脫硝效果，優(yōu)良的燃燒性能得到了廣大電力同行的青睞。但因為其燃用煤質(zhì)差、一次風(fēng)速高以及其自身燃料循環(huán)等特點，磨損問題往往十分突出。為了解決鍋爐熱管磨損嚴(yán)重的問題，目前國內(nèi)主要采取的技術(shù)有防磨梁、防磨格柵、導(dǎo)流板、熱噴涂和堆焊。

其中防磨梁、防磨格柵、導(dǎo)流板具有安裝簡單方便、成本較低等優(yōu)點。但影響導(dǎo)熱效率，存在一定的熱損失，使機組達(dá)不到預(yù)期負(fù)荷，增加發(fā)電成本。

熱噴涂技術(shù)是將涂層材料加熱熔化，用高速氣流將其霧化成極細(xì)的顆粒，并以很高的速度噴射到工件表面，形成涂層。其缺點是噴涂層與鍋爐熱管基體之間為機械結(jié)合，噴涂層極易脫落。

堆焊技術(shù)的優(yōu)點是解決了堆焊層與鍋爐熱管基體的結(jié)合方式，變成冶金結(jié)合，結(jié)合強度大不易脫落。缺點為了起弧，只能選用硬度較低的材料，所以堆焊層硬度較低，只有600～800 HV。并且堆焊施工過程中，熱影響區(qū)域較深，導(dǎo)致加工過程中基體變形嚴(yán)重，對鍋爐熱管有損傷。

以上幾種鍋爐熱管防磨技術(shù)存在防磨層硬度低、易脫落、對鍋爐熱管基體損傷大等缺陷，不能有效的延長鍋爐熱管的使用壽命，無法應(yīng)用于磨損情況嚴(yán)重的鍋爐設(shè)備中，不能有效解決因為磨損問題而導(dǎo)致的鍋爐熱管爆管停爐等問題。

2 激光熔覆技術(shù)理論研究

近年來激光熔覆技術(shù)得到了迅速推廣和廣泛應(yīng)用，其利用高能量激光束聚集能量極高的特點，瞬間將在基材表面預(yù)置或與激光同步自動送置的、具有特殊物理、化學(xué)或力學(xué)性能的合金或復(fù)合粉末材料完全熔化，同時基材部分熔化，形成一種新的復(fù)合型材料，激光束掃描后快速凝固，獲得與基體冶金結(jié)合的致密熔覆層。利用激光熔覆技術(shù)加工的熔覆層具有下列優(yōu)點[1-2]：

1）結(jié)合強度高，形成冶金結(jié)合，結(jié)合強度大約在300 MPa，見圖1；

圖1 與其他加工工藝對比優(yōu)勢

2）激光熔覆層致密，內(nèi)部孔隙率極低；

3）配合相應(yīng)的粉末材料，激光熔覆層硬度（HV）高達(dá)1 000～1 200；

4）不影響鍋爐的正常運行和監(jiān)測，導(dǎo)熱率好，不影響換熱。

5）顯著延長鍋爐熱管的使用壽命。

在激光熔覆加工工藝的基礎(chǔ)上，根據(jù)鍋爐熱管在鍋爐實際運行中的磨損情況（煤質(zhì)及顆粒大小、流速、沖刷角度等），華陽發(fā)供電二電廠開發(fā)了陶瓷-鎳鉻合金復(fù)合材料。其主要成分有二碳化三鉻（Cr3C2）、鎳（Ni）、鉻（Cr）、二硼化鈦（TiB2）及其他金屬與非金屬材料，以兼顧激光熔覆層的硬度和柔韌性。

二碳化三鉻（Cr3C2）屬于碳化陶瓷，具有高熔點（1 890°C）、高硬度的特性；鎳（Ni）是一種硬而柔韌的銀白色金屬，大量用于合金、提高硬度、增加韌性，常用于航空發(fā)動機葉片、內(nèi)襯等高溫耐磨部位；鉻（Cr）的硬度高、抗高溫氧化性好，與鎳（Ni）組成鎳鉻合金；二硼化鈦（TiB2）的熔點為2 980℃、硬度高，抗氧化溫度達(dá)1 000℃。華陽發(fā)供電二電廠開發(fā)的陶瓷-鎳鉻合金復(fù)合材料不含鐵基成分，因為鐵基成分將大幅降低材料的硬度和高溫抗氧化性。

3 激光熔覆耐磨層的制備方法

利用激光高能量密度的特點，瞬間將基材與合成的耐高溫、高硬度的陶瓷金屬復(fù)合材料同時融化形成熔池后快速凝固。使基材與耐高溫、高硬度的陶瓷金屬復(fù)合材料以冶金結(jié)合的方式形成熔覆層。

具體熔覆方法[3-4]：將鍋爐熱管卡在特制的雙卡盤機床上，編制程序控制卡盤運動，目的是使鍋爐熱管轉(zhuǎn)動。在卡盤上安裝光電開關(guān)并且串聯(lián)外控開關(guān)控制激光的開關(guān)光。通過擋片的長度控制光電開關(guān)從而來控制激光的開關(guān)光來調(diào)整熔覆層的弧長，見圖2。將激光熔覆頭安裝在鍋爐熱管上方的機臺支架上，使用重力送粉裝置將陶瓷-鎳鉻合金復(fù)合材料粉末預(yù)鋪在鍋爐熱管表面。當(dāng)卡盤轉(zhuǎn)動，鍋爐熱管隨之轉(zhuǎn)動，送粉裝置持續(xù)送粉，激光光束將陶瓷-鎳鉻合金復(fù)合材料粉末和鍋爐熱管表層熔化形成熔池并快速凝結(jié)為激光熔覆層[5-6]，見圖3。

圖2 激光熔覆加工過程

圖3 加工后的激光熔覆層

4 工業(yè)應(yīng)用實例

4.1 電廠基本情況

華陽發(fā)供電二電廠是一家地方性小型燃煤火力發(fā)電企業(yè)。始建于1997年底，總裝機容量1.8萬kW，包括3臺35 t/h，1臺75 t/hCFB機組。

水冷壁管高溫磨損問題一直困擾著該廠，其中3號、4號CFB鍋爐由于水冷壁磨損導(dǎo)致爆管，在2011年2次，2012年2次，2013年0次，2014年0次，2015年1次，2016年0次，2017年1次，2018年0次，2019年至今0次。詳細(xì)情況見表1。

表1 3號、4號爐近年因水冷壁磨損爆管情況

4.2 電廠鍋爐磨損嚴(yán)重的區(qū)域

鍋爐密相區(qū)水冷壁管挖磨嚴(yán)重：CFB鍋爐運行中大量物料在爐內(nèi)循環(huán)，容易對水冷壁造成嚴(yán)重磨損。特別在焊口、耐磨料、補焊及防磨瓦部位，存在凸臺，貼壁流容易在該部位形成漩渦導(dǎo)致挖磨，見圖4。

圖4 鍋爐密相區(qū)水冷壁管挖磨嚴(yán)重

3號、4號爐前墻雙面水夾角，均由于磨損導(dǎo)致泄漏停爐的事故，該夾角位于標(biāo)高20 m處，由于爐內(nèi)過高、屏式過熱器均布置靠前墻，上升氣流受阻，大量的內(nèi)循環(huán)灰與上升的氣流相遇，在澆注料上沿形成漩渦，導(dǎo)致該部位水冷壁管快速磨損，見圖5。

圖5 水冷壁管與澆注料過渡區(qū)磨損嚴(yán)重

4.3 激光熔覆防磨管的應(yīng)用情況

華陽發(fā)供電二電廠在2013年3月5號爐進(jìn)行B級檢修時，開始使用激光熔覆管，在爐內(nèi)密相區(qū)13～17 m更換10根4 m長的激光熔覆管、在20 m高前墻雙面水冷壁夾角部位更換12根1 m長激光熔覆管。2013年10月，停爐檢查試用情況，噴涂、堆焊經(jīng)過大半年運行，已基本失效。激光熔覆管完好無損、耐磨性能極佳。13 m層水冷壁變徑管部位取消防磨瓦，并在變徑部位進(jìn)行激光熔覆，運行18個月后，激光熔覆層未見明顯磨損，見下頁圖6。

圖6 激光熔覆管與普通管使用對比（3號爐照片，密相區(qū)前后墻水冷壁管運行1年半后）

截止2018年10月停爐（實際運行4年3個月），4號爐前墻水冷壁與雙面水冷壁夾角部位激光熔覆管，其中前墻4根，雙面水6根，熔覆層整體完好，預(yù)計可使用超過8年。

自2013年至2019年，電廠陸續(xù)更換激光熔覆水冷壁管用于3號、4號鍋爐，整體使用情況見下頁表2。

表2 電廠應(yīng)用激光熔覆防磨水冷壁管整體情況

5 應(yīng)用效果

鍋爐經(jīng)過1 a的運行監(jiān)視，爐膛溫度和導(dǎo)熱效率均未受到影響，各項運行參數(shù)均在規(guī)定范圍內(nèi)。同時利用停產(chǎn)檢修對實施的鍋爐熱管進(jìn)行了爐內(nèi)檢查。通過外觀檢查，管子表面熔覆層無變化，無磨損情況，詳見圖7安裝后、圖8運行1年后。

圖7 安裝后

圖8 運行1年后

2019年11月份，3號、4號爐停爐檢修，該廠組織人力對所有安裝部位的激光熔覆水冷壁管進(jìn)行了詳細(xì)的檢查，激光熔覆層依然完好，防磨效果優(yōu)異。按照測點盡量覆蓋所有激光熔覆水冷壁管的原則，篩選了200個有代表性的測點，檢測結(jié)果見表3。

表3 代表性的測點檢測結(jié)果

6 結(jié)論

1）高溫磨損問題是循環(huán)流化床鍋爐急需解決的重要問題，高溫沖蝕磨損是鍋爐熱管失效的主要形式，高溫氧化和高溫腐蝕會進(jìn)一步加劇其磨損速度。

2）金屬-陶瓷復(fù)合材料防磨層，具有優(yōu)秀的耐高溫氧化和耐沖蝕磨損的性能，使用壽命長，硬度高。

3）激光熔覆技術(shù)是一種高效率、高質(zhì)量、低成本的加工工藝，特別適合循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管的防磨技術(shù)處理，能有效解決鍋爐熱管的磨損問題。