CN108950311A - 一种烟气换热管的防护涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种烟气换热管的镍基防护涂层及其制备方法，属于换热管的防腐技术领域。按质量百分比计，所述涂层由下列组分组成：Cr:18％‑23％，Mo:4％‑15％，Fe:4％‑7％，Ti:0.5％‑2％，Co:0.6％‑1.9％，Si:0.7％‑1.8％，Al:4％‑10％，Mn:0.3％‑1％，C:0.07％‑0.18％，W:0.5％‑2.5％，余量为Ni。本发明的涂层制备工艺简单，具有良好的抗腐蚀性能，且涂层与管壁结合强度高，对基体换热影响小，不易脱落，性价比较高，有效降低锅炉或焚烧炉使用成本。

Description

一种烟气换热管的防护涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于换热管的防腐技术领域，尤其涉及一种烟气换热管的镍基防护涂层及其制备方法。
背景技术
锅炉及焚烧炉中换热管水冷壁、过热器、再热器、省煤器发生腐蚀而统称为“四管”腐蚀，轻则影响换热管换热，降低运行效率，重则发生爆管，减少锅炉及焚烧炉寿命，带来极大地经济损失。炉膛燃烧过程中生成的硫酸盐、氯化盐、硫化物、氯化物等腐蚀物质随烟气经过换热管外壁，在管壁处附着粘结或者渗透，破坏管壁表面氧化膜，继而腐蚀管壁基体，造成严重的“四管”腐蚀。
热喷涂技术是有效减缓管壁腐蚀，大大延长烟气管道使用寿命的重要手段。来源广泛、性价比高的涂层成分是有效热喷涂的基础与关键；目前，镍基涂层应用较为广泛，这种涂层以镍为主要成分，在此基础上添加铬、钼、铝、铁、硅等元素，形成以镍、铬为核心、多种元素协同作用的涂层体系，构成了抗腐蚀性能优越、粘结性能较好的镍基涂层。尽管镍基涂层有诸多优点，但是涂层成本与涂层在复杂环境下抗腐蚀性能的关系很难达到理想，高性价比的涂层是我国当前追求的目标。因此，有必要研究一种防腐性能好、性价比高、实用性强的换热管防腐涂层。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种烟气换热管的镍基防护涂层及其制备方法，本发明的涂层对基体换热影响小、结合强度高、抗腐蚀性能好，使锅炉或焚烧炉换热管具备优越的抗腐蚀性能，能够有效地提高换热管的使用寿命，降低使用成本；同时，本发明的涂层制备工艺简单、实用性强、性价比高，极具应用前景。
本发明的目的之一是提供一种烟气换热管的镍基防护涂层。
本发明的目的之二是提供一种烟气换热管的镍基防护涂层的制备方法。
本发明的目的之三是提供一种涂覆有本发明镍基防护涂层的烟气换热管。
本发明的目的之四是提供烟气换热管的镍基防护涂层及其制备方法、涂覆有本发明镍基防护涂层的烟气换热管的应用。
首先，本发明公开了一种烟气换热管的镍基防护涂层，按质量百分比计，所述涂层由下列组分组成：Cr:18％-23％，Mo:4％-15％，Fe:4％-7％，Ti:0.5％-2％，Co:0.6％-1.9％，Si:0.7％-1.8％，Al:4％-10％，Mn:0.3％-1％，C:0.07％-0.18％，W:0.5％-2.5％，余量为Ni。
优选的，按质量百分比计，所述涂层由下列组分组成：Cr:19％-22％，Mo:5％-10％，Fe:4％-5％，Ti:0.8％-1.5％，Co:0.95％-1.4％，Si:0.9％-1.3％，Al:5％-7％，Mn:0.4％-0.7％，C:0.09％-0.13％，W:0.9％-1.5％，余量为Ni。
更优选的，按质量百分比计，所述涂层由下列组分组成：Cr:21％，Mo:6％，Fe:4％，Ti:1％，Co:1％，Si:1％，Al:5％，Mn:0.5％，C:0.1％，W:1％，余量为Ni。
其次，本发明公开了一种烟气换热管的镍基防护涂层的制备方法：采用等离子喷涂技术将涂层材料喷涂在换热管基体表面。
优选的，所述烟气换热管的镍基防护涂层的制备方法包括如下步骤：
(1)按比例将各组分在熔融状态下掺混，然后将得到的合金块破碎、球磨成微米级微粒；
(2)对待涂覆的换热管基体表面进行清理、干燥，然后进行喷砂处理，以除去基体表面上的氧化层、锈层等；
(3)将步骤(1)中的微米级微粒用等离子喷涂技术喷涂在步骤(2)喷砂处理后的换热管基体表面，即得。
优选的，步骤(1)中，所述熔融温度为1400℃～1700℃，进一步优选为1500℃～1600℃，更优选为1550℃。
优选的，步骤(1)中，所述微米级微粒的粒径为40～75μm，进一步优选为45～55μm。
优选的，步骤(2)中，所述喷砂处理采用棕刚玉22号，喷砂角度为90°。
优选的，步骤(3)中，所述等离子喷涂参数为：电压60V～70V，电流550A～570A，喷涂距离为12cm～13cm，氩气压力为0.74MPa～0.77MPa，氮气压力为0.70MPa～0.72MPa，氢气压力为0.39MPa～0.43MPa，冷却水压力为0.88MPa～0.92MPa，水温为21℃～23℃。
优选的，步骤(3)中，所述喷涂的涂层厚度为230～300μm。
再次，本发明公开了一种涂覆有镍基防护涂层的烟气换热管，按质量百分比计，所述涂层由下列组分组成：Cr:18％-23％，Mo:4％-15％，Fe:4％-7％，Ti:0.5％-2％，Co:0.6％-1.9％，Si:0.7％-1.8％，Al:4％-10％，Mn:0.3％-1％，C:0.07％-0.18％，W:0.5％-2.5％，余量为Ni。
优选的，按质量百分比计，所述涂层由下列组分组成：Cr:19％-22％，Mo:5％-10％，Fe:4％-5％，Ti:0.8％-1.5％，Co:0.95％-1.4％，Si:0.9％-1.3％，Al:5％-7％，Mn:0.4％-0.7％，C:0.09％-0.13％，W:0.9％-1.5％，余量为Ni。
更优选的，按质量百分比计，所述涂层由下列组分组成：Cr:21％，Mo:6％，Fe:4％，Ti:1％，Co:1％，Si:1％，Al:5％，Mn:0.5％，C:0.1％，W:1％，余量为Ni。
优选的，喷涂在所述烟气换热管上的涂层厚度为230～300μm。
最后，本发明还公开了烟气换热管的镍基防护涂层、涂覆有本发明镍基防护涂层的烟气换热管在烟气管道中的应用。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：
(1)本发明制得的涂层与基体的结合强度高，抗氧化、硫化、氯化，尤其抗水蒸气腐蚀性能好，显著提高了换热管的使用寿命，减少了成本，是一种具有高性价比的烟气换热管防腐涂层。
(2)本发明采用等离子喷涂技术对涂层进行喷涂，使涂层与基体结合强度高且不影响换热，工艺简单、实用性强。
(3)本发明的涂层在模拟烟气气氛(氧气浓度4vol％，二氧化碳浓度15vol％，硫化氢浓度300ppm，氯化氢浓度100ppm，水蒸气浓度为8vol％，余量为氮气，温度450℃)条件下，进行腐蚀实验100h后，无喷涂涂层的样品增重量以及增重速率最高达到了有涂层样品的3.03倍，可以看出，本发明的涂层具有优越的抗腐蚀性能，能够有效地提高换热管的使用寿命。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为在模拟烟气气氛(氧气浓度4vol％，二氧化碳浓度15vol％，硫化氢浓度300ppm，氯化氢浓度100ppm，水蒸气浓度为8vol％，余量为氮气，温度450℃)条件下，无喷涂涂层的样品与实施例3涂层样品的腐蚀增重示意图。
图2为在不同模拟烟气气氛下，温度为450℃的条件下，进行腐蚀试验100h后，实施例3中涂层样品的腐蚀速率柱状图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，尽管涂层技术有着诸多的优势，但在应用过程中仍出现严峻的问题亟待解决，尤其是涂层成本与涂层在复杂环境下抗腐蚀性能的关系很难达到理想，因此，本发明提出一种烟气换热管的镍基防护涂层及其制备方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
实施例1
一种烟气换热管的镍基防护涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)按质量百分比计，所述镍基防护涂层的组成为：Cr:18％，Mo:15％，Fe:4％，Ti:2％，Co:0.6％，Si:1.8％，Al:4％，Mn:1％，C:0.07％，W:2.5％，Ni余量，按比例将以上各组分熔融掺混，熔融温度为1700℃，然后将得到的合金块破碎、球磨成粒径为45～55μm的微粒；
(2)对待涂覆的换热管基体表面进行清理、干燥，然后进行喷砂处理(棕刚玉22号，喷砂角度为90°)；
(3)将步骤(1)中的微米级微粒用等离子喷涂技术喷涂在SUS304H不锈钢基体表面，涂层平均厚度为250μm，即得。所述等离子喷涂参数为：电压60V，电流570A，喷涂距离为12cm，氩气压力为0.77MPa，氮气压力为0.70MPa，氢气压力为0.43MPa，冷却水压力为0.88MPa，水温为23℃。
在模拟烟气气氛：氧气浓度4vol％，二氧化碳浓度15vol％，二氧化硫浓度300ppm，氯化氢浓度100ppm，余量为氮气，温度为450℃的条件下，进行腐蚀实验100h后，无涂层样品腐蚀增重量以及增重速率是本实施例有涂层样品的2.85倍。
实施例2
一种烟气换热管的镍基防护涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)按质量百分比计，所述镍基防护涂层的组成为：Cr:23％，Mo:4％，Fe:7％，Ti:0.5％，Co:1.9％，Si:0.7％，Al:10％，Mn:0.3％，C:0.18％，W:0.5％，Ni余量，按比例将以上各组分在熔融掺混，熔融温度为1500℃，然后将得到的合金块破碎、球磨成粒径为45～55μm的微粒；
(2)对待涂覆的换热管基体表面进行清理、干燥，然后进行喷砂处理(棕刚玉22号，喷砂角度为90°)；
(3)将步骤(2)中的微米级微粒用等离子喷涂技术喷涂在SUS304H不锈钢基体表面，涂层平均厚度为250μm，即得。所述等离子喷涂参数为：电压70V，电流550A，喷涂距离为13cm，氩气压力为0.74MPa，氮气压力为0.72MPa，氢气压力为0.39MPa，冷却水压力为0.92MPa，水温为21℃。
在模拟烟气气氛：氧气浓度4vol％，二氧化碳浓度15vol％，硫化氢浓度300ppm，氯化氢浓度100ppm，余量为氮气，温度为450℃的条件下，进行腐蚀实验100h后，无涂层样品腐蚀增重量以及增重速率是本实施例有涂层样品的2.78倍。
实施例3
一种烟气换热管的镍基防护涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)按质量百分比计，所述镍基防护涂层的组成为：Cr:21％，Mo:6％，Fe:4％，Ti:1％，Co:1％，Si:1％，Al:5％，Mn:0.5％，C:0.1％，W:1％，余量为Ni，按比例将以上各组分在熔融掺混，熔融温度为1550℃，然后将得到的合金块破碎、球磨成粒径为45～55μm的微粒；
(2)对待涂覆的换热管基体表面进行清理、干燥，然后进行喷砂处理(棕刚玉22号，喷砂角度为90°)；
(3)将步骤(2)中的微米级微粒用等离子喷涂技术喷涂在SUS304H不锈钢基体表面，涂层平均厚度为250μm，即得。所述等离子喷涂参数为：电压65V，电流560A，喷涂距离为12cm，氩气压力为0.75MPa，氮气压力为0.71MPa，氢气压力为0.41MPa，冷却水压力为0.90MPa，水温为22℃。
在模拟烟气气氛：氧气浓度4vol％，二氧化碳浓度15vol％，硫化氢浓度300ppm，氯化氢浓度100ppm，水蒸气浓度为8vol％，余量为氮气，温度为450℃的条件下，进行腐蚀实验100h后，无涂层样品腐蚀增重量以及增重速率是本实施例有涂层样品的3.03倍。
实施例4
一种烟气换热管的镍基防护涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)按质量百分比计，所述镍基防护涂层的组成为：Cr:19％，Mo:10％，Fe:4.5％，Ti:1.5％，Co:0.95％，Si:1.3％，Al:5.5％，Mn:0.7％，C:0.09％，W:1.5％，余量为Ni，按比例将以上各组分在熔融掺混，熔融温度为1400℃，然后将得到的合金块破碎、球磨成粒径为45～55μm的微粒；
(2)对待涂覆的换热管基体表面进行清理、干燥，然后进行喷砂处理(棕刚玉22号，喷砂角度为90°)；
(3)将步骤(2)中的微米级微粒用等离子喷涂技术喷涂在SUS304H不锈钢基体表面，涂层平均厚度为250μm，即得。所述等离子喷涂参数为：电压64V，电流554A，喷涂距离为12cm，氩气压力为0.76MPa，氮气压力为0.70MPa，氢气压力为0.42MPa，冷却水压力为0.91MPa，水温为21.5℃。
在模拟烟气气氛：氧气浓度4vol％，二氧化碳浓度15vol％，硫化氢浓度1000ppm，氯化氢浓度100ppm，余量为氮气，温度为450℃的条件下，进行腐蚀实验100h后，无涂层样品腐蚀增重量以及增重速率是本实施例有涂层样品的2.71倍。
实施例5
一种烟气换热管的镍基防护涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)按质量百分比计，所述镍基防护涂层的组成为：Cr:22％，Mo:5％，Fe:5％，Ti:0.8％，Co:1.4％，Si:0.9％，Al:7％，Mn:0.4％，C:0.13％，W0.9％，余量为Ni，按比例将以上各组分在熔融掺混，熔融温度为1600℃，然后将得到的合金块破碎、球磨成粒径为45～55μm的微粒；
(2)对待涂覆的换热管基体表面进行清理、干燥，然后进行喷砂处理(棕刚玉22号，喷砂角度为90°)；
(3)将步骤(2)中的微米级微粒用等离子喷涂技术喷涂在SUS304H不锈钢基体表面，涂层平均厚度为250μm，即得。所述等离子喷涂参数为：电压69V，电流558A，喷涂距离为12.5cm，氩气压力为0.75MPa，氮气压力为0.72MPa，氢气压力为0.41MPa，冷却水压力为0.89MPa，水温为22.5℃。
在模拟烟气气氛：氧气浓度4vol％，二氧化碳浓度15vol％，硫化氢浓度300ppm，氯化氢浓度300ppm，余量为氮气，温度为450℃的条件下，进行腐蚀实验100h后，无涂层样品腐蚀增重量以及增重速率是本实施例有涂层样品的2.68倍。
本发明的镍基涂层以Ni、Cr核心成分发挥主要抗腐蚀以及强粘结作用，同时加入Mo，它可与多种金属及合金形成结合强度高的冶金结合，有效增强涂层自粘结性能；加入Al，可有效降低涂层孔隙率，增强涂层的致密性，显著提高涂层的抗高温腐蚀性能；W具有固溶强化和沉淀强化的作用但成本较高，添加少量的W性价比更高；以及在其他性价比高的金属或者非金属的作用下，通过等离子喷涂技术，实现具有抗腐蚀性能优越、与管壁结合能力强、不易脱落等优势的镍基涂层。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种烟气换热管的镍基防护涂层，其特征在于：按质量百分比计，所述涂层由下列组分组成：Cr:18％-23％，Mo:4％-15％，Fe:4％-7％，Ti:0.5％-2％，Co:0.6％-1.9％，Si:0.7％-1.8％，Al:4％-10％，Mn:0.3％-1％，C:0.07％-0.18％，W:0.5％-2.5％，余量为Ni。
2.如权利要求1所述的烟气换热管的镍基防护涂层，其特征在于：按质量百分比计，所述涂层由下列组分组成：Cr:19％-22％，Mo:5％-10％，Fe:4％-5％，Ti:0.8％-1.5％，Co:0.95％-1.4％，Si:0.9％-1.3％，Al:5％-7％，Mn:0.4％-0.7％，C:0.09％-0.13％，W:0.9％-1.5％，余量为Ni。
3.如权利要求2所述的烟气换热管的镍基防护涂层，其特征在于：按质量百分比计，所述涂层由下列组分组成：Cr:21％，Mo:6％，Fe:4％，Ti:1％，Co:1％，Si:1％，Al:5％，Mn:0.5％，C:0.1％，W:1％，余量为Ni。
4.如权利要求1-3任一项所述的烟气换热管的镍基防护涂层的制备方法，其特征在于：采用等离子喷涂技术将涂层材料喷涂在换热管基体表面。
5.如权利要求4所述的烟气换热管的镍基防护涂层的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
(1)按比例将各组分在熔融掺混，然后将得到的合金块破碎、球磨成微米级微粒；
(2)对待涂覆的换热管基体表面进行清理、干燥，然后进行喷砂处理；
(3)将步骤(1)中的微米级微粒用等离子喷涂技术喷涂在步骤(2)所述的换热管基体表面，即得。
6.如权利要求4所述的烟气换热管的镍基防护涂层的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述熔融温度为1400℃～1700℃，优选为，1500℃～1600℃，更优选为1550℃；
或，步骤(1)中，所述微米级微粒的粒径为40～75μm，优选为45～55μm；
或，步骤(2)中，所述喷砂处理采用棕刚玉22号，喷砂角度为90°；
或，步骤(3)中，所述等离子喷涂参数为：电压60V～70V，电流550A～570A，喷涂距离为12cm～13cm，氩气压力为0.74MPa～0.77MPa，氮气压力为0.70MPa～0.72MPa，氢气压力为0.39MPa～0.43MPa，冷却水压力为0.88MPa～0.92MPa，水温为21℃～23℃；
或，步骤(3)中，所述喷涂的涂层厚度为230～300μm。
7.一种涂覆有镍基防护涂层的烟气换热管，其特征在于：按质量百分比计，所述镍基防护涂层由下列组分组成：Cr:18％-23％，Mo:4％-15％，Fe:4％-7％，Ti:0.5％-2％，Co:0.6％-1.9％，Si:0.7％-1.8％，Al:4％-10％，Mn:0.3％-1％，C:0.07％-0.18％，W:0.5％-2.5％，余量为Ni。
8.如权利要求7所述的涂覆有镍基防护涂层的烟气换热管，其特征在于：按质量百分比计，所述镍基防护涂层由下列组分组成：Cr:19％-22％，Mo:5％-10％，Fe:4％-5％，Ti:0.8％-1.5％，Co:0.95％-1.4％，Si:0.9％-1.3％，Al:5％-7％，Mn:0.4％-0.7％，C:0.09％-0.13％，W:0.9％-1.5％，余量为Ni；
优选的，按质量百分比计，所述镍基防护涂层由下列组分组成：Cr:21％，Mo:6％，Fe:4％，Ti:1％，Co:1％，Si:1％，Al:5％，Mn:0.5％，C:0.1％，W:1％，余量为Ni。
9.如权利要求7或8所述的涂覆有镍基防护涂层的烟气换热管，其特征在于：喷涂在所述锅炉换热管上的涂层厚度为230～300μm。
10.如权利要求1-3任一项烟气换热管的镍基防护涂层和/或如权利要求7-9任一项所述的烟气换热管在烟气管道中的应用，优选为在换热管水冷壁、过热器、再热器、省煤器中的应用。
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