CN109943773A - 耐高温合金，冷渣器风帽及制备方法和循环流化床锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐高温合金，防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽及其制备方法，以及循环流化床锅炉，属于合金风帽制备领域。上述耐高温合金由以下质量百分数的组分组成：C0.5～0.7、Cr25～28、Ni28～30、Co8～10、Mo1.5～1.8、Mn1.7～2.0、Si1.5～1.8、Nb1.1～1.3、Nd0.1～0.2、La0.08～0.12、N0.1～0.2、Hf0.2～0.3、余量为Fe。本发明的耐高温合金组分配比合理，具有较高的高温综合性能。本发明制备的防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽具有流化均匀、防结焦效果好、减轻出风口及顶部磨损、无旋转偏流及异常磨损、定向吹渣效率较高、显著提高风帽运行寿命等优点。

Description

耐高温合金，冷渣器风帽及制备方法和循环流化床锅炉

技术领域

本发明涉及一种合金风帽，特别涉及一种耐高温合金、防结焦定向吹渣的冷渣器风帽及其制备方法，以及包括该冷渣器风帽的循环流化床锅炉。

背景技术

循环流化床锅炉(CFB Boiler)运行中，锅炉结焦是一个长期存在并且一直困扰人们的主要问题，它不仅影响锅炉的经济性，并且对锅炉的安全稳定运行造成较大影响。通常以煤或石油焦作为燃料，床层局部位置由于燃料流化不畅易形成超高温度，当温度高于灰渣变形温度或熔点时将会引起烧结而结焦。另外，燃烧产物中含有大量的灰粒、未燃尽燃料、硫和氮的氧化物等物质，这些物质在锅炉运行的过程中也会以各种各样的形式沉积在密相区或冷渣器排渣道中，造成上述部位结焦。避免结焦的最好办法是保证结焦易发生部位流化良好并顺畅向前流动；物料流动顺畅，可使颗粒之间的温度均匀，避免局部的颗粒温度高于灰渣变形温度与熔融温度，从而防止结焦，提高排渣效率。

在CFB锅炉中，起流化作用的布风板风帽、回料腿风帽与冷渣器风帽是CFB锅炉能够正常流化、循环与排渣的最为重要的部件之一，直接影响CFB锅炉运行状态与安全水平。冷渣器风帽承担底渣在渣道中的流化作用，同时还要求具有定向吹扫的功能，使得底渣不断从炉底向冷渣器排渣与冷却。冷渣器风帽通常为7字型，能起到一定的定向吹扫效果，但由于没有侧向及朝下的风口，所以没有流化作用。结果常会出现底渣在渣道中堆积、结焦、堵塞等现象，使底渣无法排出，只得停炉排渣，造成较大的经济损失。冷渣器风帽始终处于800～1000℃的环境中，并且受到大量底渣的冲蚀磨损，所以对冷渣器材质的抗高温氧化、高温腐蚀与高温磨损要求很高，目前常用的316不锈钢、25-20不锈钢、Cr28、HK40等都难以达到理想的效果。因此，冷渣器的风帽结构与风帽材料性能已成为影响冷渣器正常运行以及锅炉安全经济运行最为重要的因素之一。

综上所述，现有技术中并没有较为有效地防止CFB锅炉冷渣器结焦的风帽结构，也没有既具有良好的流化与定向吹扫效果又具有优异的耐高温磨损与腐蚀性能的冷渣器风帽。

发明内容

为解决现有技术中循环流化床锅炉的冷渣器风帽防结焦效果差、磨损严重、流化与定向吹扫能力弱、使用寿命短等问题，本发明提供一种耐高温合金，防结焦、定向吹渣的冷渣风帽及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一方面，本发明提供一种耐高温合金，由以下质量百分数的组分组成：

优选的，上述耐高温合金，由以下质量百分数的组分组成：

本发明提供的耐高温合金中每种组分都经过合理分析并反复试验后选择最适宜的含量，使得合金的各种组分之间达到最优的交互作用效果。

碳是高温合金的重要组成元素，可以提高基体组织的强度与硬度，对提高抗红硬性与耐磨性有利，碳还可以与合金元素Cr、Mo、Nb等形成碳化物，通过弥散析出强化，提高合金的强度与耐磨性；但碳含量不宜过高，否则过多的合金用于结合成碳化物而使基体中的合金含量下降，导致基体的性能降低。

钴是强互溶性元素，不仅可以作为固溶强化元素，还可以作为粘结相存在，具有消除或弥合碳化物与晶界的晶格缺陷的作用，提高合金的强度、韧性、耐温性与热稳定性，降低冲击敏感性，钴可使在高温下使用的材料寿命提高2～3倍，具有不可替代的独特作用。

稀土具有较低环境敏感镶嵌能，优先占据晶界位置，起到净化晶界的作用。在熔炼过程中，镍铬基高温合金中的稀土La元素与O、S等元素生成自由能低的稀土氧化物与硫化物，起到显著降低合金中O和S等杂质的作用，达到洁净合金的作用；并改善夹杂物的分布状态，有效控制硫的偏析。镧在镧系稀土元素中电负性最低，最为活泼，所以起净化作用更为明显。

La和Nd元素的原子半径相对较大，在固溶体中会导致较显著的晶格畸变，起到固溶强化作用。由于稀土La和Nd具有较高活性，与其它元素发生交互作用，形成高熔点、高硬度和高弥散度的化合物，使合金的强度和硬度大大提高。稀土化合物的固态质点偏聚于结晶界面，阻碍晶胞的生长，对晶界起钉扎作用，阻碍晶界移动与位错运动，起到细晶强化作用。

在镍铬基高温合金中，Ni、Cr和Mo作为基本成分，在高温下依靠Cr形成Cr₂O₃保护性氧化膜，从而起到良好的抗高温氧化作用。添加少量稀土元素La和Nd，在熔炼过程部分氧化为稀土氧化物，可以显著降低合金的氧化速率，并提高Cr₂O₃氧化膜的抗剥落能力。

不同元素之间的不同配比会导致制备的合金性能存在显著的差异，试验证明，本发明提供的耐高温合金的平均硬度、抗高温氧化性能、抗高温腐蚀性能以及耐高温冲蚀性能明显高于25-20钢和316钢，具有较高的高温综合性能。

另一方面，本发明还提供一种利用上述耐高温合金制备的防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽，包括风帽本体、位于所述风帽本体内的进风道、与所述进风道连通的两个防结焦出风道和一个定向吹渣出风道。其中，所述进风道为圆柱形通道，能有效防止底渣堆积造成的漏渣以及停炉时或调峰时一次风倒吸造成的漏渣，需要减少进风道的阻力。

所述防结焦出风道为椭圆柱形通道。

所述定向吹渣出风道为椭圆锥形通道，锥形通道的大头一端与所述进风道连通。

进一步的，由于出风方向直接影响流化效果和风帽的磨损状况，若出风方向与进风道进风方向的夹角α过小，则流化风直接吹损布风板浇筑料层，流化风阻力较大，流化作用减弱；出风方向与进风道进风方向的夹角α过大，则流化风易直接吹损邻近风帽，造成前排风帽严重的冲蚀磨损，并易形成横向偏流；为此本发明中所述防结焦出风道与所述进风道二者轴线之间的夹角为25～45°，所述定向吹渣出风道与进风道二者轴线之间的夹角为60～90°。

优选的，所述防结焦出风道的轴线与所述进风道的轴线之间的夹角为35～40°，所述定向吹渣出风道的轴线与进风道的轴线之间的夹角为70～80°。

优选的，所述出风道外部为台阶状圆柱体结构，这种结构能够有效防止所述出风口磨损，延长出风道外部耐磨寿命。

进一步的，在俯视图上，所述防结焦出风道与定向吹渣出风道二者轴线之间的夹角为120°。这使得所述出风道分布均匀，增加扰动效果。

进一步的，所述出风道出口风速为30～50m/s，优选45m/s。

再一方面，本发明还提供一种上述防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：先将铁、碳、铬、镍加入中频感应炉加热并熔清后，再加入钼、钴、铌、铪、锰、硅并熔化均匀，最后加入氮、钕、镧，混合均匀。这是根据原材料的特点制定的加料顺序，先将主材料加入并形成熔液状态，然后将难熔金属及增加流动性的元素加入，最后加入易氧化、易挥发元素。若不采用上述加料顺序，合金的成分难以控制，熔液流动性不佳，浇铸性能不好，偏析增大，合金性能难以保证。

步骤2：在1650～1700℃下熔炼。

步骤3：在1540～1570℃浇铸，浇铸前，先将模壳加热保温至1190℃。

步骤4：对步骤3中浇铸的风帽在1180～1200℃下进行固溶处理4小时。

步骤5：固溶处理后直接快速水冷，然后进行酸洗与喷丸处理。

酸洗工艺主要有浸渍酸洗法与喷射酸洗法。一般用浸渍酸洗法，大批量生产可采用喷射法。一般用10％～20％硫酸溶液酸洗，温度40℃。常温下，用20％～80％盐酸溶液进行酸洗，不易发生过腐蚀和氢脆现象。由于酸对金属的腐蚀作用很大，需要添加缓蚀剂。清洗后金属表面成银白色，同时钝化表面，提高抗腐蚀能力。

喷丸处理：用压缩空气带动钢丸喷射工件表面，可以去除表面氧化皮和锈层，还可以通过冲表面达到锤炼效果，使表面产生压应力，提高抗疲劳性能。

进一步的，所述步骤3中，浇铸时，要求浇帽口高度达到190～220mm。比正常浇帽口高度高50～100％。

进一步的，所述冷渣器每平方米含有20～25个所述防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽。

所述防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽为等边三角形排列，风帽中心距280～300mm。这种排列均匀，布置紧凑，风帽的中心距相等，流化与防结焦效果好，后面的风帽对前面的吹损较少，风帽使用数量也比较少。

所述防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽的定向吹渣出风道的排列方向一致，有利于煤渣向同一方向移动。

本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种耐高温合金，防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽及其制备方法。通过改善CFB锅炉风帽的结构和改进风帽的材质使风帽耐高温腐蚀、抗高温氧化以及耐高温冲蚀磨损的能力得以提高，从而提高合金风帽的使用寿命，进而确保循环流化床锅炉安全稳定运行水平，减轻维护成本。

1)耐高温合金组分配比合理，平均硬度值、抗高温氧化性能、抗高温腐蚀性能和耐高温冲蚀性能明显优于现有技术中使用的20-25钢和316钢，具有较高的高温综合性能；

2)所述进风道为圆柱形通道，所述防结焦出风道为椭圆柱形直通道，所述定向吹渣出风道为椭圆锥形通道，三个风道同时存在，大幅度提高流化效果，提高吹渣效率；

3)所述防结焦出风道与所述进风道二者轴线之间的夹角为25～45°，所述定向吹渣出风道与进风道二者轴线之间的夹角β为60～90°，一方面增加底部物料的流化效果，防止大颗粒沉积在冷渣器表面，造成结焦；另一方面，出风方向均有部分向下倾斜，减少风帽自身磨损；

4)上述防漏渣风帽的制备工艺简单，制备的防漏渣风帽的高温和力学性能优良。

综上，本发明制备的防结焦冷渣器风帽具有流化均匀、防结焦效果好、减轻出风口及顶部磨损、无旋转偏流及异常磨损、大大提高风帽运行寿命等优点。

附图说明

图1为本发明的防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽的俯视图；

图2为图1中防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽沿A-A’的剖面图；

图3为图1中防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽沿B-B’的剖面图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

一方面，本发明提供一种制备上述防结焦冷渣器风帽的耐高温合金，由多组分组成，各组分质量百分数请参见以下实施例。

实施例1：

实施例2：

实施例3：

对比例1

一种耐高温合金，由以下质量百分数的组分组成：

另一方面，本发明还提供一种利用上述耐高温合金制备的防结焦冷渣器风帽，具体结构参见以下实施例。

实施例4：

一种防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽，如图1至图3，包括风帽本体4、进风道2、与进风道2连通的两个防结焦出风道3和一个定向吹渣出风道1，进风道2为圆柱形通道；

防结焦出风道3为椭圆形直通道；

定向吹渣出风道1为椭圆锥形通道。

进一步的，防结焦出风道3与进风道2轴线之间的夹角α为25°。

进一步的，定向吹渣出风道1与进风道2轴线之间的夹角β为90°。

进一步的，防结焦出风道3与定向吹渣出风道1之间的俯视图夹角为120°。

进一步的，风帽由高耐温性和高耐磨性的耐高温合金构成。

进一步的，出口风速为45m/s。

实施例5：

本发明还提供一种防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽，与实施例4的技术方案基本相同，差别仅在于：①防结焦出风道3与进风道2轴线之间的夹角为35°；②定向吹渣出风道1与进风道2轴线之间的夹角为80°。

实施例6：

本发明还提供一种防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽，与实施例4的技术方案基本相同，差别仅在于：①防结焦出风道3与进风道2轴线之间的夹角为40°；②定向吹渣出风道1与进风道2轴线之间的夹角为70°。

实施例7：

本发明还提供一种防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽，与实施例4的技术方案基本相同，差别仅在于：①防结焦出风道3与进风道2轴线之间的夹角为45°；②定向吹渣出风道1与进风道2轴线之间的夹角为60°。

再一方面，本发明还提供一种上述防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽的制备方法，具体步骤参见如下实施例。

实施例8：

上述防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：依次将铁、碳、铬、镍、钼、钴、铌、铪、锰、硅、氮、钕、镧加入中频感应炉内加热，混合均匀；

步骤2：在1650℃熔炼；

步骤3：在1540℃浇铸，浇铸前，先将模壳加热保温至1190℃，浇铸时，要求浇帽口高度为190mm；

步骤4：在1180℃，对合金风帽进行固溶处理4小时；

步骤5：固溶处理后直接快速水冷，然后用10％硫酸溶液进行酸洗，并进行喷丸处理。

实施例9：

上述防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：依次将铁、碳、铬、镍、钴、钼、铌、铪、锰、硅、氮、钕、镧加入中频感应炉加热内，混合均匀；

步骤2：在1650℃熔炼；

步骤3：在1550℃浇铸，浇铸前，先将模壳加热保温至1190℃，浇铸时，要求浇帽口高度为210mm；

步骤4：在1200℃，对合金风帽进行固溶处理4小时；

步骤5：固溶处理后直接快速水冷，然后用20％硫酸溶液进行酸洗，并进行喷丸处理。

实施例10：

上述防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：依次将铁、碳、铬、镍、钴、钼、铌、铪、锰、硅、氮、钕、镧加入中频感应炉加热内，混合均匀；

步骤2：在1670℃熔炼；

步骤3：在1560℃浇铸，浇铸前，先将模壳加热保温至1190℃，浇铸时，要求浇帽口高度为220mm；

步骤4：在1200℃，对合金风帽进行固溶处理4小时；

步骤5：固溶处理后直接快速水冷，然后用20％盐酸溶液进行酸洗，并进行喷丸处理。

实施例11：

本发明还提供一种循环流化床锅炉，包括上述防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽。

进一步的，所述防结焦、定向吹渣的风帽安装在冷渣器上，所述冷渣器每平方米含有25个所述防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽；所述防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽为等边三角形排列，风帽中心距280mm。

进一步的，所述多个三向防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽的定向吹渣出风道的排列方向一致，有利于煤渣向同一方向移动。

实施例12：

本发明还提供一种循环流化床锅炉，包括上述防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽。

进一步的，所述防结焦、定向吹渣的风帽安装在冷渣器上，所述冷渣器每平方米含有20个所述防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽；所述防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽为等边三角形排列，风帽中心距300mm。

进一步的，所述多个防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽的定向吹渣出风道的排列方向一致，有利于煤渣向同一方向移动。

性能测试

对根据本发明实施例1至3和对比例1的耐高温合金，分别利用实施例10的制备方法制备防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽，对其平均硬度值、抗高温氧化性能、抗高温腐蚀性能和耐高温冲蚀性能进行测定，测试结果分别与25-20钢和316钢比较，结果见表1。

其中，抗高温氧化性能：1000℃、100小时氧化增重试验；

抗高温腐蚀性能：涂渍质量比为5:5的K₂SO₄+Na₂SO₄饱和水溶液盐，经300℃×30分钟烘干，再进行1000℃、100小时高温腐蚀试验；

耐高温冲蚀性能：在气流温度900℃，气流速度45m·s^-1，磨粒尺寸150-180μm，磨粒质量1000g，磨粒为刚玉砂，60°冲击角。

表1

由表1可知，本发明制备的防结焦冷渣器风帽的平均硬度值、抗高温氧化性能、抗高温腐蚀性能和耐高温冲蚀性能明显由于现有技术中使用的25-20钢和316钢，具有较高的高温综合性能。

分别用实施例4至7的冷渣器风帽用于实施例11和12的循环流化床锅炉中，并对其测定流化与防结焦效果、吹渣效率、异常磨损、使用寿命和风帽使用数量，结果示于表2中。

表2

由表2可知，根据本发明的防结焦冷渣器风帽与市售普通风帽相比，可有效防止结焦，结焦率减少70％，吹渣效率提高20％，流化均匀，无旋转偏流及异常磨损，整体运行寿命提高3～5倍。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种耐高温合金，其特征在于，所述耐高温合金由以下质量百分数的组分组成：

2.根据权利要求1所述的耐高温合金，其特征在于，所述合金由以下质量百分数的组分组成：

3.一种防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽，包括风帽本体、位于所述风帽本体内的进风道和出风道，其特征在于，所述进风道为圆柱形通道；所述出风道包括两个防结焦出风道和一个定向吹渣出风道，所述防结焦出风道为椭圆柱形通道，所述定向吹渣出风道为椭圆锥形通道。

4.根据权利要求3所述的防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽，其特征在于，所述防结焦出风道的轴线与所述进风道的轴线之间的夹角为25～45°；

所述定向吹渣出风道的轴线与所述进风道的轴线之间的夹角为60～90°。

5.根据权利要求3所述的防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽，其特征在于，在所述防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽的俯视图上所述防结焦出风道的轴线和所述定向吹渣出风道的轴线之间的夹角为120°，所述防结焦出风道和定向吹渣出风道的出口风速为30～50m/s。

6.根据权利要求3所述的防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽，其特征在于，所述冷渣器风帽由具有以下组成的耐高温合金制成：

7.权利要求3至6任一所述的防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：先将铁、碳、铬、镍加入中频感应炉加热并熔清后，再加入钼、钴、铌、铪、锰、硅并熔化均匀，最后加入氮、钕、镧，混合均匀；

步骤2：在1650～1700℃下熔炼；

步骤3：在1540～1570℃浇铸，浇铸前，先将模壳加热保温至1190℃；

步骤4：对步骤3中浇铸的风帽在1180～1200℃下进行固溶处理4小时；

步骤5：固溶处理后直接快速水冷，然后进行酸洗与喷丸处理。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，浇铸时，要求浇帽口高度达到190～220mm。

9.一种循环流化床锅炉，其特征在于，包括权利要求3至6中任一所述的防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽。

10.根据权利要求9所述的循环流化床锅炉，其特征在于，所述防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽安装在冷渣器上，所述冷渣器每平方米含有20～25个所述防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽；

所述防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽为等边三角形排列，风帽中心距为280～300mm；

所述防结焦、定向吹渣的冷渣器风帽的定向吹渣出风道的排列方向一致。