CN111286224A - 一种用于锅炉受热面抗高温氯腐蚀涂层及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于锅炉受热面抗高温氯腐蚀涂层及制备方法。该涂层包括内层过渡层和外层保护层，过渡层为全氢聚硅氮烷先驱体复合陶瓷涂层，保护层为有机聚硅氮烷先驱体复合陶瓷涂层。过渡层由按体积份为60～70％全氢聚硅氮烷、10～20％石墨粉和10～20％乙酸丁脂组成的涂料喷涂在钢基体表面后，在200℃下高温固化而成。保护层由按体积份为20～25％有机聚硅氮烷、25～30％钡玻璃粉、15～20％氧化锆、5～10％铝粉和20～30％乙酸丁脂组成的涂料喷涂在过渡层上，经700℃高温固化而成。该涂层制备工艺简单，成本较低，可适用于各种生物质锅炉、垃圾焚烧锅炉以及高氯煤锅炉的受热面高温氯腐蚀防护，具有韧度高、表面致密、抗热震性能强等优点。

Description

一种用于锅炉受热面抗高温氯腐蚀涂层及制备方法
技术领域
本发明属于特殊涂层技术领域，具体涉及一种用于锅炉受热面抗高温氯腐蚀涂层及制备方法。
背景技术
大部分生物质及垃圾属于高氯燃料，前者由于生长环境等因素，特别是草本生物质，氯含量高达0.1～2％；后者由于存在塑料、橡胶和餐厨垃圾，氯含量也高达0.5～2％。燃用高氯燃料时，锅炉受热面易产生高温氯腐蚀问题。据统计，燃烧生物质和生活垃圾锅炉受热面管壁腐蚀速度可达5～12毫米/年，造成受热面频繁换管，严重影响锅炉的安全经济运行。
防腐蚀涂层在缓解高温氯腐蚀方面被认为是最具有工程应用前景的一项技术。近几年，先驱体法制备陶瓷涂层技术成为研究热点。该技术采用高分子材料为先驱体，加入部分溶剂，采用喷涂或浸渍等方式在金属表面形成涂膜，可在较低温度下发生交联反应，形成Si-O-Si三维网状聚合物，经一定温度处理后，先驱体裂解转化为SiO2基复合陶瓷涂层。先驱体法制备陶瓷涂层技术具有具有工艺简单、操作方便、抗高温氯腐蚀性能较强等优点，但同时也存在易开裂、脆性较高、抗热震性能差等缺点。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种用于锅炉受热面抗高温腐蚀涂层及制备方法，它可使涂层牢固地附着在锅炉受热面基体表面，提高了锅炉受热面的抗高温氯腐蚀性能。
本发明通过以下技术方案实现上述目的：
在锅炉受热面合金钢材基体表面涂有有机聚硅氮烷先驱体复合陶瓷涂层，有机聚硅氮烷先驱体复合陶瓷涂层与基体之间设有过渡层，所述的过渡层为全氢聚硅氮烷先驱体复合陶瓷涂层；所述的有机聚硅氮烷先驱体复合陶瓷涂层的组份按体积份为20～25％有机聚硅氮烷、25～30％钡玻璃粉、15～20％氧化锆、5～10％铝粉和20～30％乙酸丁脂；所述的全氢聚硅氮烷先驱体复合陶瓷涂层的组份按体积份为60～70％全氢聚硅氮烷、10～20％石墨粉和10～20％乙酸丁脂。
本发明还提供了一种所述的锅炉受热面抗高温氯腐蚀涂层的制备方法，具体步骤为：
(1)将受热面合金钢材基体表面进行喷砂预处理；
(2)将全氢聚硅氮烷、石墨粉与乙酸丁脂进行研磨、搅拌后形成涂料，通过喷涂方式将涂料喷涂至基体表面形成过渡层，并将过渡层加热至200℃进行高温固化，保温1小时后随炉冷却；
(3)将有机聚硅氮烷、钡玻璃粉、氧化锆、铝粉与乙酸丁脂进行研磨、搅拌后形成涂料，通过喷涂方式将涂料喷涂至过渡层上形成有机聚硅氮烷先驱体复合陶瓷涂层，并加热至700℃进行高温固化，保温6小时后随炉冷却。
经过上述步骤后涂层制备完成。
作为优选方案，所述的研磨采用行星式球磨机，研磨时间为1小时；所述的搅拌采用机械式搅拌器。
作为优选方案，所述过渡层和有机聚硅氮烷先驱体复合陶瓷涂层的高温固化过程升温速率均为3℃/分钟。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用了过渡层，过渡层为全氢聚硅氮烷先驱体复合陶瓷涂层，成分为全氢聚硅氮烷和石墨粉。全氢聚硅氮烷具有产陶率高的特点，且在高温烧结后具有体积收缩率小的优点，因此裂纹较少。同时在涂层中添加了石墨粉，利用石墨的层间原子按分子键结合，易剥离的特性，使得过渡层能较好地起到协调外层涂层与钢基体的热膨胀匹配特性，可显著提高涂层的抗热震性能。
(2)本发明外层涂层采用了有机聚硅氮烷先驱体复合陶瓷涂层，成分为有机聚硅氮烷、钡玻璃粉、氧化锆和铝粉。钡玻璃粉在高温固化时发生熔融，能使涂层在烧结过程中更加致密，从而提高涂层的致密度和硬度；氧化锆的添加能增加涂层的强度和韧度，提高涂层的抗热震性能；涂层中的铝粉在高温固化过程中能与产生的气体发生反应，从而减少涂层孔隙的产生，并能补偿涂层高温固化过程的体积收缩。
(3)本发明的涂层制备工艺简单，成本较低，可适用于各种生物质锅炉、垃圾焚烧锅炉以及高氯煤锅炉受热面的高温氯腐蚀防护。
具体实施方式
下面具体结合实施例对本发明做进一步说明，便于理解本发明的内容。
实施例1
分别称量体积百分含量为60％的全氢聚硅氮烷和20％的石墨粉，依次加入体积百分含量为20％的乙酸丁脂中，通过行星式球磨机研磨1小时后，采用机械式搅拌器搅拌1小时，随后过滤封装作为过渡层喷涂的涂料。接着分别称量体积百分含量为20％的有机聚硅氮烷、30％的钡玻璃粉、15％的氧化锆粉和5％的铝粉，依次加入体积百分含量为30％的乙酸丁脂中，通过行星式球磨机研磨1小时后，采用机械式搅拌器搅拌1小时，随后过滤封装作为有机聚硅氮烷先驱体复合陶瓷涂层喷涂的涂料。
涂层制备过程为：首先将受热面合金钢材基体表面进行喷砂预处理；随后将制备好的过渡层涂料喷涂在基体表面，放入加热炉以3℃/分钟的升温速率加热至200℃进行高温固化，保温1小时后随炉冷却；接着将有机聚硅氮烷先驱体复合陶瓷涂层涂料喷涂至过渡层上，放入加热炉以3℃/分钟的升温速率加热至700℃进行高温固化，保温6小时后随炉冷却，涂层制备完毕。
实施例2
分别称量体积百分含量为70％的全氢聚硅氮烷和15％的石墨粉，依次加入体积百分含量为15％的乙酸丁脂中，通过行星式球磨机研磨1小时后，采用机械式搅拌器搅拌1小时，随后过滤封装作为过渡层喷涂的涂料。接着分别称量体积百分含量为25％的有机聚硅氮烷、25％的钡玻璃粉、20％的氧化锆粉和10％的铝粉，依次加入体积百分含量为20％的乙酸丁脂中，通过行星式球磨机研磨1小时后，采用机械式搅拌器搅拌1小时，随后过滤封装作为有机聚硅氮烷先驱体复合陶瓷涂层喷涂的涂料。
涂层制备过程与实施例1一致。
实施例3
分别称量体积百分含量为60％的全氢聚硅氮烷和20％的石墨粉，依次加入体积百分含量为20％的乙酸丁脂中，通过行星式球磨机研磨1小时后，采用机械式搅拌器搅拌1小时，随后过滤封装作为过渡层喷涂的涂料。接着分别称量体积百分含量为25％的有机聚硅氮烷、25％的钡玻璃粉、20％的氧化锆粉和5％的铝粉，依次加入体积百分含量为25％的乙酸丁脂中，通过行星式球磨机研磨1小时后，采用机械式搅拌器搅拌1小时，随后过滤封装作为有机聚硅氮烷先驱体复合陶瓷涂层喷涂的涂料。
涂层制备过程与实施例1一致。
对实施例1～3中制备的涂层进行抗高温氯腐蚀性能测试，具体测试过程如下。
涂层抗HCl腐蚀试验在高温气相腐蚀试验台上进行。腐蚀试验温度为550℃，腐蚀气氛模拟实际锅炉内气氛，具体见表1。试验共进行168小时。
表1试验气体组分(Vol.％)
O<sub>2</sub> N<sub>2</sub> CO<sub>2</sub> H<sub>2</sub>O HCl
6.67 75.00 13.33 4.95 0.05
腐蚀速率表征采用增重法，采用腐蚀增重速率来表征样品的腐蚀情况，定义为：
样品腐蚀增重速率＝(腐蚀后质量-腐蚀前质量)/(样品暴露面积×腐蚀时间)
涂层及钢基体的抗高温氯腐蚀性能测试结果见表2：
表2涂层及钢基体抗高温氯腐蚀性能测试结果
Figure BDA0001896708040000051
由表2可以看出，无涂层试样的腐蚀增重速率大于有涂层试样的腐蚀增重速率，可见喷涂该涂层之后，明显改善了试样的抗高温氯腐蚀性能。
以上所述只是本发明的优选实施方案，不对本发明的实质内容作任何形式上的限制，应当指出，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于锅炉受热面抗高温氯腐蚀涂层，其特征在于：在锅炉受热面合金钢材基体表面涂有有机聚硅氮烷先驱体复合陶瓷涂层，有机聚硅氮烷先驱体复合陶瓷涂层与基体之间设有过渡层，所述过渡层为全氢聚硅氮烷先驱体复合陶瓷涂层；所述有机聚硅氮烷先驱体复合陶瓷涂层的组份按体积份为20～25％有机聚硅氮烷、25～30％钡玻璃粉、15～20％氧化锆、5～10％铝粉和20～30％乙酸丁脂；所述全氢聚硅氮烷先驱体复合陶瓷涂层的组份按体积份为60～70％全氢聚硅氮烷、10～20％石墨粉和10～20％乙酸丁脂。
2.根据权利要求1所述的一种用于锅炉受热面抗高温氯腐蚀涂层，其特征在于所述过渡层的组份按体积份为60％的全氢聚硅氮烷、20％的石墨粉和20％的乙酸丁脂，所述的有机聚硅氮烷先驱体复合陶瓷涂层的组份按体积份为20％的有机聚硅氮烷、30％的钡玻璃粉、15％的氧化锆粉、5％的铝粉和30％的乙酸丁脂中。
3.一种制备如权利要求1所述的锅炉受热面抗高温氯腐蚀涂层的方法，其特征在于由以下步骤构成：
(1)将受热面合金钢材基体表面进行喷砂预处理；
(2)将全氢聚硅氮烷、石墨粉与乙酸丁脂进行研磨、搅拌后形成涂料，通过喷涂方式将涂料喷涂至基体表面形成过渡层，并将过渡层加热至200℃进行高温固化，保温1小时后随炉冷却；
(3)将有机聚硅氮烷、钡玻璃粉、氧化锆、铝粉与乙酸丁脂进行研磨、搅拌后形成涂料，通过喷涂方式将涂料喷涂至过渡层上形成有机聚硅氮烷先驱体复合陶瓷涂层，并加热至700℃进行高温固化，保温6小时后随炉冷却；
经过上述步骤后涂层制备完成。
4.根据权利要求3所述的锅炉受热面抗高温氯腐蚀涂层的制备方法，其特征在于：所述的研磨采用行星式球磨机，研磨时间为1小时；所述的搅拌采用机械式搅拌器，搅拌时间为1小时。
5.根据权利要求4所述的锅炉受热面抗高温氯腐蚀涂层的制备方法，其特征在于：所述过渡层和有机聚硅氮烷先驱体复合陶瓷涂层的高温固化过程升温速率均为3℃/分钟。
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