CN102773474B

CN102773474B - 用于水冷壁管耐磨耐蚀防护的粉末及其制备方法

Info

Publication number: CN102773474B
Application number: CN 201210283235
Authority: CN
Inventors: 刘宗德; 马忠云; 李建平; 王永田; 李新芷; 袁明明; 李红川
Original assignee: HEILONGJIANG JINGSHENG INVESTMENT CO Ltd; North China Electric Power University
Current assignee: Beijing Guoneng Defeng Material Technology Co., Ltd.
Priority date: 2012-08-09
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2032-08-09
Also published as: CN102773474A

Abstract

一种用于水冷壁管耐磨耐蚀防护的粉末及其制备方法，属于表面工程技术领域。粉末原料各组分的重量百分含量为：CrB₂粉：6-15 %；C粉：0.3-2%；Ni-Cr-Ti-Mo-Fe-V合金粉：余量；其中，Ni-Cr-Ti-Mo-Fe-V合金粉末的成分为：Cr:20-28%；Ti：3-10%；Mo:1-3%；Fe:1-3%；V:0.5-1%；Ni：余量。制备工艺包括：配制用于水冷壁管耐磨耐蚀防护的粉末，制备熔覆层。优点在于，可同时满足锅炉管高温耐磨、耐硫腐蚀的技术要求，可显著延长水冷壁管的寿命。所制备的熔覆层材料具有良好的韧性，熔覆层中基本无裂纹，其表面显微硬度可在400-900HV范围。

Description

用于水冷壁管耐磨耐蚀防护的粉末及其制备方法

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，特别是提供了一种用于水冷壁管耐磨耐蚀防护的粉末及其制备方法；利用激光熔覆上述粉末，可在水冷壁管外表面形成耐磨耐蚀熔覆层，适用于采用低NOx燃烧技术的锅炉水冷壁管、循环流化床锅炉水冷壁管的耐磨耐蚀表面处理。

背景技术

我国一次能源结构中，约70-80%的电量由煤炭燃烧转化而成。氮氧化物（NOx）是燃煤电厂烟气排放三大有害物（悬浮颗粒物、SO₂及NOx）之一，每燃烧一吨煤炭约产生 5-30kg氮氧化物。根据统计资料，2007 年我国火电厂排放的NOx 总量已达840万吨，约占全国 NOx 排放总量的35%以上。为改善大气环境质量、保护生态环境，对于氮氧化物排放巨大的火电行业，十分迫切需要采用低氮燃烧技术。随着锅炉机组朝着大容量高参数方向发展，在保证高效燃烧的同时尽可能减少对环境的污染是现代燃烧技术追求的目标，在尽可能不影响燃烧效率的前提下降低氮氧化物的排放量更是摆在首位。国家环境保护部环发[2010]10号文件《火电厂氮氧化物防治技术政策》中曾明确指出：低氮燃烧技术应作为燃煤电厂氮氧化物控制的首选技术。

空气分级低NOx燃烧技术（LN-SOFA）是当今国内外较为成熟的一种低氮燃烧技术，该技术通过减少炉膛内下部煤粉燃烧区域的空气量来提高燃烧区域的煤粉浓度，使煤粉进行缺氧燃烧（还原气氛），从而降低燃料型NOx的生成。燃烧后期在炉膛上方补入燃尽风，使燃料完全燃烧。该技术可实现NOx放排量的大幅降低，其中燃用烟煤机组NOx排放可降低60%以上，燃用低挥发份燃煤机组NOx排放可降低35%以上。

但采用空气分级低NOx燃烧技术时，炉膛下部主燃烧区域内处于欠氧还原气氛，导致水冷壁管高温硫腐蚀加剧。煤粉中除含有硫化物外，还含有大量坚硬的氧化物杂质。煤粉燃烧后的灰成分中，Al₂O₃含量一般达15-20%、SiO₂含量达40-51%。当煤粉中含有的Al₂O₃、SiO₂等硬质颗粒以一定速度冲刷燃烧器附近一些区域的水冷壁管时，造成水冷壁管磨损严重。

目前国内外主要采用热喷涂技术对锅炉管进行耐磨耐蚀表面防护，但热喷涂法制备的涂层与基体为机械结合（涂层在热循环及冲蚀作用下易剥落）、存在孔隙率（易形成腐蚀通道），难以满足锅炉管耐磨耐蚀的技术要求。

激光熔覆法制备的熔覆层具有组织致密无孔隙、与基体冶金结合、成分及厚度均匀、稀释率低等优点。因此，激光熔覆技术在锅炉管耐磨耐蚀表面防护中具有极大的潜在技术优势。

如仅考虑水冷壁管的耐高温硫腐蚀问题，可采用Ni-Cr类合金（铬含量为20-45wt.%）作为涂覆层材料。但Ni-Cr合金耐高温冲蚀性能较差，仍不能有效解决低NOx燃烧时燃烧器附近区域水冷壁管的冲蚀磨损问题。Cr₃C₂-NiCr类的陶瓷-金属复合材料具有优异的耐高温冲蚀性能和好的耐硫腐蚀性能，但采用激光熔覆法制备的Cr₃C₂-NiCr熔覆层中易产生较多微裂纹，这就影响了熔覆层的耐蚀性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于水冷壁管耐磨耐蚀防护的粉末及其制备方法；利用激光熔覆上述粉末，可在水冷壁管外表面形成耐磨耐蚀熔覆层，适用于低氮燃烧工况下的水冷壁管的耐磨耐蚀表面处理。本发明可同时满足锅炉管高温耐磨、耐硫腐蚀的技术要求，可显著延长水冷壁管的寿命。本发明所制备的熔覆层材料具有良好的韧性，熔覆层中基本无裂纹，其表面显微硬度可在400-900HV范围。

本发明的粉末原料的各组份重量百分含量如下：

CrB₂粉（粒度-140+325目,纯度≥99.5%,其中,“-140+325目”表示粉末粒度在325目至140目范围）：6-15 wt.%；C粉(纯度≥99.5%)：0.3-2wt.%；Ni-Cr-Ti-Mo-Fe-V合金粉（粒度-140+325目）：余量；其中，Ni-Cr-Ti-Mo-Fe-V合金粉末的成分为：Cr:20-28wt.%；Ti：3-10wt.%；Mo:1-3wt.%；Fe:1-3wt.%；V:0.5-1wt.%；Ni：余量。

粉末原料中各组分作用如下：

Ni-Cr-Ti-Mo-Fe-V合金粉末经熔覆后，形成的Ni-Cr-Mo-Fe合金作为熔覆层中的连续相，其耐高温硫腐蚀性能优异。在熔覆过程中，Ti、V与C反应，在熔覆层中原位反应生成弥散分布TiC_x、VC_x陶瓷增强颗粒（x在0.4-1范围）；同时，CrB₂在高温下分解，反应生成TiB_y、VB_y（y在0.5-2范围）、Cr-Fe-B三元硼化物、Cr-Fe-C三元碳化物等陶瓷相，Ti、V的加入可防止Cr与C反应生成铬的碳化物（在晶界处存在的铬碳化物会降低熔覆层的高温耐蚀性），V的加入可细化熔覆层中的晶粒尺寸。激光熔覆后所形成的熔覆层中，Ni-Cr-Mo-Fe合金为连续相，金属碳化物、金属硼化物陶瓷颗粒在熔覆层中弥散分布，使熔覆层既具有高的耐蚀性，又具有较高的耐高温冲蚀性能。

由于气雾化法制备的粉末氧含量低、粉末球形度高，采用已有的气雾化工艺制备Ni-Cr-Ti-Mo-Fe-V合金粉末，并利用筛分法将气雾化法制备的粉末进行粒度筛选，用于激光熔覆的最佳粒度范围为-150+325目。对成品Ni-Cr-Ti-Mo-Fe-V合金粉末所含杂质的要求如下：Si：≤0.3wt.%;Mn:≤0.3wt.%;P：≤0.045wt.%；S：≤0.05wt.%。

本发明的粉末的制备工艺如下：

（1）按粉末原料的各组份重量百分含量称取所需的各种粉末原料；

（2）将粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为100-150℃，干燥时间为2-4小时；

（3）利用混料设备混合粉末原料，形成均匀混合后的粉末，混料时间为4-5小时；为了防止颗粒在混合过程被不断破碎成更细小颗粒，可采用双螺旋式锥形混料机进行混料，该混料设备的优点是不需在物料中添加钢球，不会对颗粒物料产生破碎效应，从而保证混合粉末在混料前后粒度基本没有变化；

（4）将均匀混和后的粉末装入塑料桶密封储存。

本发明的技术主要用于低NOx燃烧工况下的锅炉水冷壁管、燃烧劣质煤的循环流化床锅炉水冷壁管的耐磨耐蚀表面处理。尤其是可用于制备熔覆层，采用激光熔覆工艺制备。

激光熔覆工艺为已有成熟技术，熔覆时采用激光头固定不动、数控设备控制锅炉管作旋转-步进复合运动的方法，在水冷壁管外表面进行搭接熔覆（仅需在水冷壁管受热面部分形成熔覆层）。如选用Nd:YAG灯泵浦固体激光器，其波长为1064nm、光纤偶合、功率为700-1000W；如选用半导体直接输出激光器，其输出功率为1-2kW。

当采用Nd:YAG灯泵浦固体激光器进行熔覆时，一次熔覆所得单层熔覆层厚度为150-250μm，采用半导体直接输出激光器进行熔覆时，一次熔覆所得单层熔覆层厚度为600-1000μm。

本发明的优点为：利用高能量密度激光束熔化混合粉末，在水冷壁管外表面形成以金属碳化物、金属硼化物为增强相、以Ni-Cr-Mo-Fe合金为粘结相的陶瓷颗粒增强耐磨耐蚀熔覆层，熔覆层与基体达到冶金结合、稀释率低。本发明的方法具有制备成本较低、熔覆层耐磨耐腐蚀寿命长、工艺较简单等优点，可显著延长水冷壁管面的耐磨耐蚀寿命。

附图说明

图1为熔覆层断面扫描电镜照片图。其中，熔覆层1，熔覆层与基体结合界面2。

图2为熔覆层断面腐蚀后的扫描电镜照片图。图中细小的白色颗粒为陶瓷增强相。

图3为熔覆层断面显微硬度曲线图。

图4 为水冷壁管受热面熔覆层照片图。其中，熔覆层3。

具体实施方式

实施例：在水冷壁管受热面制备熔覆层

1、配制粉末原料

粉末原料的重量百分数范围如下：

CrB₂粉（粒度-140+325目，纯度99.5%）：12 wt.%；C粉：0.8wt.%；Ni-Cr-Ti-Mo-Fe-V合金粉（粒度-140+325目）：余量；其中，Ni-Cr-Ti-Mo-Fe-V合金粉末的成分为：Cr:25wt.%；Ti：5wt.%；Mo:3wt.%；Fe：3wt.%;V:0.8wt.%;Ni：余量。

2、制备混合粉末

（1）按步骤1所述的各种粉末比例，称取所需的各种粉末原料；

（2）将粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为120℃，干燥时间为4小时；

（3）利用HS锥形混料机混合粉末原料，形成均匀混合后的粉末，混料时间为4小时；

（4）将均匀混和后的粉末装入塑料桶密封储存。

3、制备熔覆层

在水冷壁管受热面制备平均厚度约为400μm的熔覆层。水冷壁管材料为20G钢，其外径57mm、管壁厚度6mm、长度为4m。

制备熔覆层的工艺步骤为：

（1）利用电动砂轮对水冷壁管外表面进行除锈处理；

（2）在水冷壁管受热面制备耐磨耐蚀熔覆层。

激光熔覆工艺为已有成熟技术，制备熔覆层的设备主要由输出功率为700W的Nd:YAG灯泵浦固体激光器、螺杆式送粉器和熔覆工作台等部分组成。熔覆前将水冷壁管固定在可作旋转运动、轴向步进运动的熔覆工作台上。熔覆时激光头固定不动，利用数控设备控制水冷壁管作旋转运动和轴向步进运动，实现在水冷壁管受热面的搭接熔覆。

熔覆时激光器工作电流为360A，水冷壁管轴向步进距离为2mm，水冷壁管旋转速度为0.05转/s，一次熔覆所得单层熔覆层的平均厚度为200μm。采用两次熔覆法，使熔覆层的平均厚度达到400μm。

仅在水冷壁管受热面进行耐磨耐蚀防护，所需熔覆的面积为水冷壁管外表面面积的42%。熔覆时，通过角度行程开关控制激光头在所需熔覆区域工作，而在其它不需熔覆部位激光头停止工作。当激光头停止工作时，步进电机驱动锅炉管沿轴向步进运动，从而实现搭接熔覆，在水冷壁管受热面形成熔覆层。具有熔覆层的水冷壁管见图4。

Claims

1.一种用于水冷壁管耐磨耐蚀防护的粉末，其特征在于，粉末各组分的重量百分含量如下：

CrB₂粉：6-15 %；C粉：0.3-2%；Ni-Cr-Ti-Mo-Fe-V合金粉：余量；其中， Ni-Cr-Ti-Mo-Fe-V合金粉末的成分为：Cr:20-28%；Ti：3-10%；Mo:1-3%；Fe:1-3%；V:0.5-1%；Ni：余量。

2.一种权利要求1所述粉末的制备方法，其特征在于，工艺如下：

（1）按粉末原料的各组份重量百分含量称取所需的各种粉末原料；各组分重量百分含量为：CrB₂粉：6-15 %；C粉：0.3-2%；Ni-Cr-Ti-Mo-Fe-V合金粉：余量；

（3）利用混料设备混合粉末原料，形成均匀混合后的粉末，混料时间为4-5小时；采用双螺旋式锥形混料机进行混料；

（4）将均匀混合后的粉末装入塑料桶密封储存。