CN101660157A - 在锅炉管外表面形成熔覆层的双粉芯丝及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种在锅炉管外表面形成熔覆层的双粉芯丝及其制备方法，属于表面工程技术领域。该双粉芯丝由粉芯丝A、粉芯丝B组成，利用等离子弧、氩弧熔覆法，在锅炉管外表面同时熔覆粉芯丝A和粉芯丝B，在基体表面形成由TiC_x、CrB、CrB₂陶瓷相增强的金属陶瓷熔覆层，熔覆层与基体达到冶金结合，熔覆层中陶瓷相体积分数为60－85％，熔覆层的硬度为900－1400HV，熔覆层厚度为600－1500μm；其中，x在0.8－1范围。粉芯丝A所用粉末的质量百分数为：Mo粉：8－10wt.％，石墨C粉：余量；粉芯丝B所用粉末的质量百分数为：Ni粉：10－15wt.％，Cr粉：10－15wt.％，CrB₂粉：余量。

Description

在锅炉管外表面形成熔覆层的双粉芯丝及其制备方法

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，特别是提供了一种在锅炉管外表面形成金属陶瓷熔覆层的双粉芯丝及其制备方法。

背景技术

在燃煤火力发电厂中，锅炉四管(即水冷壁管、过热器管、再热器管、省煤器管)的磨损与腐蚀是长期困扰发电行业安全经济运行的重要问题。据统计，由于锅炉四管爆裂引起的非计划停运事故占火电厂全部非计划停运事故的60％左右。

在各种燃煤锅炉中，循环流化床锅炉水冷壁管的磨损问题尤为突出。循环流化床锅炉炉内受热面包括膜式水冷壁、双面水冷壁以及全分隔墙水冷壁等，其磨损是目前锅炉运行中普遍存在的问题。当流化床锅炉燃用劣质煤(煤矸石掺烧比例大、灰分高)时，水冷壁管的磨损问题更加突出，锅炉频繁爆管，给电厂带来了巨大的经济损失。循环流化床锅炉水冷壁管的磨损主要集中在炉膛下部卫燃带与水冷壁管过渡区域、炉膛四周角落等区域和不规则区域。炉膛下部卫燃带与水冷壁管过渡区域管壁的磨损原因为：(1)沿炉膛内壁面下流的固体物料在交界区域产生流动方向的改变，因而对水冷壁管产生冲刷磨损；(2)在过渡区域内由于沿壁面下流的固体物料与炉内向上运动的固体物料运动方向相反，在局部产生涡旋流，对水冷壁管产生磨损。炉膛四周角落区域管壁的磨损原因为：角落区域内壁面向下流动的固体物料密度比较高，同时流动状态也受到破坏。不规则区域管壁(如温度计、差压计等处穿墙管等)磨损的主要原因为：不规则管壁对局部流动特性造成较大的扰动。

现有燃煤锅炉水冷壁管防磨的主要技术包括：

(1)采用热喷涂技术(主要为电弧喷涂技术)在管壁受热面喷涂耐磨涂层；

(2)采用主动多阶式防磨梁防磨技术，该技术从主动降低贴壁流的灰浓度与速度着手，控制导致磨损产生的因素；

(3)增加防磨带的高度、降低流化速度。

上述技术虽然部分解决了水冷壁管的磨损问题，但仍具有一定的局限性。

采用热喷涂技术制备耐磨涂层的局限性包括：(1)为避免涂层褶皱翘起，涂层厚度一般为300-500μm；涂层与基体为机械结合，结合强度仅20-40MPa，涂层在颗粒冲刷及热应力作用下易疲劳失效而剥落，上述原因导致涂层防磨周期较短；(2)对于局部磨损严重区域，涂层的防磨效果不明显；(3)电弧喷涂技术常采用由合金外皮包裹含陶瓷粉末的粉芯丝，粉芯丝的含粉量一般≤40wt.％，这就使得涂层中陶瓷相含量受到限制，从而使涂层硬度和耐磨性等指标难以达到最佳值。

加装防磨梁防磨技术虽然可减轻水冷壁管的磨损速率，但可能会引起炉膛排烟温度升高等问题。而采用增加防磨带高度的方法时，会导致磨损的区域向上转移甚至扩大，而且浇注料上移过多后减少了水冷壁蒸发受热面积，给水冷壁布置带来困难。

综上，现有的锅炉管防磨技术仍存在局限性，还不能满足锅炉管长寿命可靠工作的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在锅炉管外表面形成金属陶瓷熔覆层的双粉芯丝及其制备方法。利用等离子弧、氩弧熔覆法，在锅炉管外表面同时熔覆粉芯丝A和粉芯丝B，可形成厚度大于500μm的高耐磨损金属陶瓷熔覆层，熔覆层与基体达到冶金结合。本发明突破了现有热喷涂技术制备的涂层所存在的涂层与基体结合强度低(机械结合)、涂层厚度一般小于500μm等局限性。

本发明所述的双粉芯丝由粉芯丝A、粉芯丝B组成，利用等离子弧、氩弧熔覆法，在锅炉管外表面同时熔覆具有不同送丝速度的粉芯丝A和粉芯丝B，在基体表面形成由TiC_x(x在0.8-1范围)、CrB、CrB₂陶瓷相增强的高耐磨损金属陶瓷熔覆层，熔覆层与基体达到冶金结合；其中，粉芯丝A用于形成TiC_x陶瓷相，粉芯丝B用于形成CrB、CrB₂陶瓷相和粘结相；由于实施熔覆工艺时可独立调节粉芯丝A、粉芯丝B的送丝速度，从而使熔覆层中陶瓷相体积分数可控，熔覆层中陶瓷相体积分数可达60-85％，熔覆层的硬度可达900-1400HV，熔覆层厚度可达600-1500μm，熔覆层的最高工作温度达1000℃。

粉芯丝A所用粉末材料的质量百分数为：Mo粉(粒度200-400目、纯度≥99.9％)：8-10wt.％，石墨C粉(粒度200-400目、纯度≥99.9％)：余量；添加Mo的目的是改善熔覆层中陶瓷相与粘结相的润湿性。

粉芯丝B所用粉末材料的质量百分数为：Ni粉(粒度200-400目、纯度≥99.9％)：10-15wt.％，Cr粉(粒度200-400目、纯度≥99.9％)：10-15wt.％，CrB₂粉(粒度200-400目、纯度≥99.9％)余量。

本发明所述熔覆层的制备方法是，利用等离子弧、氩弧同时熔覆可具有不同送丝速度的粉芯丝A、粉芯丝B，从而形成金属陶瓷熔覆层。制备粉芯丝A、粉芯丝B的具体步骤包括：

1、粉芯丝A、粉芯丝B所用粉末材料的配比

粉芯丝A、粉芯丝B所用粉末材料分别由下列各种粉芯原料混合而成，分别如下：

(1)粉芯丝A所用的粉末材料

粉芯丝A所用粉末材料的质量百分数为：Mo粉：8-10wt.％，石墨C粉：余量，称作粉芯原料1；

(2)粉芯丝B所用的粉末材料

粉芯丝B所用粉末材料的质量百分数为：Ni粉：10-15wt.％，Cr粉：10-15wt.％，CrB₂粉：余量，称作粉芯原料2；

2、粉芯丝的制备工艺

(1)按步骤1所述的各种粉末比例，分别称取粉芯原料1、粉芯原料2所需的各种粉末；

(2)将粉芯原料1、粉芯原料2分别放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为100-120℃，干燥时间为3-6小时；

(3)利用行星式球磨机分别混合粉芯原料1、粉芯原料2，形成组分均匀的混合粉末；

(4)采用纯Ti带包裹球磨混合后的粉芯原料1，形成粗丝材A，粉芯原料1在粉芯丝A中所占的质量百分数为18-25wt.％；

(5)采用纯Ni带或不锈钢带包裹球磨混合后的粉芯原料2，形成粗丝材B，粉芯原料2在粉芯丝B中所占的质量百分数为30-40wt.％；

(6)利用制备粉芯丝的机械装置，采用拔拉或轧丝等方法将封闭后的粗丝材A、粗丝材B逐级减径，形成成品丝材粉芯丝A、粉芯丝B，成品粉芯丝A、粉芯丝B的直径为2-3mm；

(7)将成品丝材粉芯丝A、粉芯丝B分别绕制在绕线轴上，形成盘状缠绕的粉芯丝。

附图说明

图1为制备金属陶瓷熔覆层复合锅炉管设备原理图，旋转接头1，由支座固定的轴承2，V型支座3，锅炉管4，V型支座5，可调节悬臂6，V型支座7，等离子弧焊枪8，三爪卡盘9，传动链条10，旋转接头11，熔覆工作台12，驱动锅炉管作旋转运动的电动机13，丝杠14，由丝杠驱动作直线运动的底座15，摆动器16，驱动丝杠转动的电动机17；

图2为等离子弧焊枪与粉芯丝的相对位置示意图，粉芯丝导引器18，等离子弧焊枪19，粉芯丝A20，粉芯丝B21，锅炉管22；

图3为按照本发明所制备的具有金属陶瓷熔覆层的复合锅炉管断面照片，金属陶瓷熔覆层23。

具体实施方式

实施例：

1、粉芯丝A、粉芯丝B所用粉末材料配比

粉芯丝A、粉芯丝B所用粉末分别由下列各种粉芯原料混合而成，分别如下：

(1)粉芯丝A所用的粉芯原料1

粉芯丝A所用粉芯原料1的质量百分数为：Mo粉(粒度-300目、纯度99.9％)：9wt.％，石墨C粉(粒度-300目、纯度99.9％)：余量；

(2)粉芯丝B所用的粉芯原料2

粉芯丝B所用粉芯原料2的质量百分数为：Ni粉(粒度-300目、纯度99.95％)：13wt.％，Cr粉(粒度-200目、纯度99.9％)：12wt.％，CrB₂粉(粒度-200目、纯度99.9％)余量；

2、粉芯丝的制备工艺

(1)按步骤1所述比例，分别称取粉芯原料1、粉芯原料2所需的各种粉末；

(2)将粉芯原料1、粉芯原料2分别放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为100℃，干燥时间为5小时；

(3)利用行星式球磨机分别混合粉芯原料1、粉芯原料2，形成组分均匀的混合粉末，混料时间为4小时；

(4)采用纯Ti带包裹球磨混合后的粉芯原料1，形成粗丝材A，粉芯原料1在粉芯丝A中所占的质量百分数为21wt.％；

(5)采用0Cr18Ni9Ti不锈钢带包裹球磨混合后的粉芯原料2，形成粗丝材B，粉芯原料2在粉芯丝B中所占的质量百分数为35wt.％；

(6)利用制备粉芯丝的机械装置，采用拔拉或轧丝等方法将封闭后的粗丝材A、粗丝材B逐级减径，形成成品丝材粉芯丝A、粉芯丝B，成品粉芯丝A、粉芯丝B的直径为2mm；

(7)将成品丝材粉芯丝A、粉芯丝B分别绕制在绕线轴上，形成盘状缠绕的粉芯丝，每盘重量为12kg。

3、制备具有金属陶瓷熔覆层的复合锅炉管

制备具有金属陶瓷熔覆层复合锅炉管的设备主要由等离子弧焊机及焊枪、控制等离子弧焊枪作直线运动的丝杠装置、控制锅炉管做匀速旋转运动的电动机及传动装置、管内水冷装置和熔覆工作台等部分组成，其原理如图1所示。实施熔覆工艺的步骤如下：

(1)选用最大电流为300A的钨极直流等离子弧焊机及等离子弧焊枪，将等离子弧焊枪固定在摆动器的悬臂上，摆动器底座固定在由丝杠驱动作直线运动的底座上；

(2)选用送丝直径为2mm的送丝机2台(即送丝机1、送丝机2)，送丝机送丝速度的可调节范围为2-10mm/s，将步骤2所述绕成盘状的粉芯丝A、粉芯丝B分别装配在送丝机1、送丝机2上；

(3)将送丝机1、送丝机2的送丝导向管的头部分别固定在导引器上，与导引器相连的悬臂固定在由丝杠驱动作直线运动的底座上，通过导引器使粉芯丝A和粉芯丝B的头部处于锅炉管横截面最高点处；

(4)将外径为60mm、壁厚为6mm、长度为5m的锅炉管外表面进行除油、表面喷砂处理，然后将锅炉管装配在熔覆工作台上；其中，锅炉管的一端固定在可作旋转运动的三爪卡盘上，另一端固定在由支座固定的滚动轴承上；

(5)锅炉管两端分别通过法兰连接公称直径为45mm的两个旋转接头，两个旋转接头中，一个作为锅炉管内壁冷却水的入口端，另一个作为锅炉管内壁冷却水的出口端，锅炉管内壁冷却水的入口端旋转接头与循环水泵出水的水管相连，循环水泵的进水管与循环冷却水箱的出水口相连，锅炉管内壁冷却水的出口端旋转接头与回水管的一端相连，该回水管的另一端与循环冷却水箱的进水口相连；

(6)启动锅炉管内壁水冷却所用的循环水泵，启动使锅炉管作旋转运动的电动机，使锅炉管的转动速度为1.65圈/min；

(7)调节等离子弧焊枪位置，使等离子弧焊枪靠近三爪卡盘端部，并使等离子弧焊枪枪口处于锅炉管横截面最高点处，然后调节等离子弧焊枪，使等离子弧焊枪口与锅炉管横截面最高点处距离为9mm；调节等离子弧焊枪沿锅炉管轴线方向移动，使等离子弧焊枪枪口处于粉芯丝A、粉芯丝B头部的上方，如图2所示；

(8)启动摆动器，摆动器的频率为80次/min；启动送丝机A、送丝机B，使粉芯丝A的速度为6mm/s、粉芯丝B的速度为4mm/s；同时启动使丝杠转动的电动机，使由丝杠驱动作直线运动的底座的速度为9mm/min；然后启动等离子弧焊机引弧开关，并使电流达到160A，非转移弧所需离子气的流速为0.12L/min，保护气体的流速为4L/min；等离子弧作用于紧贴于锅炉管横截面最高点的粉芯丝A、粉芯丝B上，快速熔化粉芯丝A、粉芯丝B，形成熔池并在锅炉管外表面快速凝固，从而形成连续螺旋搭接的金属陶瓷熔覆层，熔覆层平均厚度为950μm。

Claims (2)

1、一种在锅炉管外表面形成熔覆层的双粉芯丝，其特征在于，由粉芯丝A、粉芯丝B组成，利用等离子弧、氩弧熔覆法，在锅炉管外表面同时熔覆具有不同送丝速度的粉芯丝A和粉芯丝B，在基体表面形成由TiC_x、CrB、CrB₂陶瓷相增强的高耐磨损金属陶瓷熔覆层，熔覆层与基体达到冶金结合，熔覆层中陶瓷相体积分数为60-85％，熔覆层的硬度为900-1400HV，熔覆层厚度为600-1500μm；其中，x在0.8-1范围；

粉芯丝A所用粉末材料的质量百分数为：Mo粉：8-10wt.％，石墨C粉：余量；

粉芯丝B所用粉末材料的质量百分数为：Ni粉：10-15wt.％，Cr粉：10-15wt.％，CrB₂粉：余量。

2、一种权利要求1所述在锅炉管外表面形成金属陶瓷熔覆层的双粉芯丝的制备方法，其特征在于，制备粉芯丝A、粉芯丝B的具体步骤包括：

(1)粉芯丝A、粉芯丝B所用粉末材料配比

粉芯丝A所用粉末材料的质量百分数为：Mo粉：8-10wt.％，石墨C粉：余量，称作粉芯原料1；

粉芯丝B所用粉末材料的质量百分数为：Ni粉：10-15wt.％，Cr粉：10-15wt.％，CrB₂粉：余量，称作粉芯原料2；

(2)粉芯丝的制备工艺

按步骤(1)所述的各种粉末比例，分别称取粉芯原料1、粉芯原料2所需的各种粉末；

将粉芯原料1、粉芯原料2分别放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为100-120℃，干燥时间为3-6小时；

利用行星式球磨机分别混合粉芯原料1、粉芯原料2，形成组分均匀的混合粉末；

采用纯Ti带包裹球磨混合后的粉芯原料1，形成粗丝材A，粉芯原料1在粉芯丝A中所占的质量百分数为18-25wt.％；

采用纯Ni带或不锈钢带包裹球磨混合后的粉芯原料2，形成粗丝材B，粉芯原料2在粉芯丝B中所占的质量百分数为30-40wt.％；

利用制备粉芯丝的机械装置，采用拔拉或轧丝方法将封闭后的粗丝材A、粗丝材B逐级减径，形成成品丝材粉芯丝A、粉芯丝B，成品粉芯丝A、粉芯丝B的直径为2-3mm；

将成品丝材粉芯丝A、粉芯丝B分别绕制在绕线轴上，形成盘状缠绕的粉芯丝。

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