CN112518092A - 基于等离子堆焊与激光熔覆技术的炉排片复合防护工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等离子堆焊与激光熔覆技术的炉排片复合防护工艺，炉排片分为干燥段、燃烧段和燃烬段，干燥段和燃烬段采用高铬型镍基自熔合金进行喷涂形成防护层，燃烧段采用镍基合金与金属陶瓷NiCr‑Cr₂C₃分别进行喷涂形成双层防护层；本发明针对炉排片不同的工作区间，制定与各段实际工况相对应的炉排片表面综合防护工艺，而不是仅用同一种方法进行防护，在保证防护效果和服役寿命的前提下，节能、节材，并降低了企业生产成本。

Description

基于等离子堆焊与激光熔覆技术的炉排片复合防护工艺

技术领域

本发明属于垃圾焚烧设备技术领域，具体涉及一种应用于垃圾电站中，基于等离子堆焊与激光熔覆技术的炉排片复合防护工艺。

背景技术

垃圾焚烧技术经过几十年的发展，炉排型焚烧炉以其技术成熟、运行可靠、适应性广，占据目前全世界垃圾焚烧市场总量80％以上。垃圾电站炉排片的作用是将垃圾输送到炉膛内进行燃烧处理，垃圾焚烧的燃烧过程主要是在炉排片上完成的，炉排片是构成焚烧炉燃烧室的最关键部件。当炉排片工作时，垃圾堆放在炉排片上，焚烧火焰从垃圾堆料层的着火面向未着火的料堆表面及内层传播，形成一层一层燃烧的过程。炉排片通常由干燥段、燃烧段和燃烬段构成。段与段之间通常设置段差，使炉排上的垃圾团翻滚跌散，燃烧充分。垃圾在经过炉排片各段时，完成干燥脱水、高温燃烧、燃烬的过程。在燃烧段，当温度达到约500℃以上时，炉排片发生的烧损、减薄将会显著增加，主要原因是高温烟气造成的高温腐蚀及炉排片与垃圾摩擦造成磨损。炉排上各个不同部位的炉排片烧损速度是不一样的，在燃烧段部分的炉排片烧损最快。为了延长使用寿命，规定垃圾焚烧炉炉排片经济性使用温度为400～450℃，炉排片结构设置了冷却气道，将炉排片的表面温度控制在450℃以下。但是，要求所有炉排片保持此温度范围非常困难，特别是主燃烧部的炉排片顶端部分经常超出上述规定温度，这是由于炉排片温度很大程度上受到燃烧空气量、垃圾发热量、垃圾层厚度和燃烧完结点等因素的综合因素影响。正因为炉排片服役工况非常恶劣，所以其服役寿命远低于设计寿命。当发现有炉排片报废时，往往需更换新的炉排片，造成停炉检修，从而使运行成本偏高。

因此，本领域技术人员研制了多种方法来增加炉排片的寿命，其中一种常见方法是通过在炉排片表面堆焊不锈钢或inconel625来提高其抗磨损和耐腐蚀性，延长使用寿命，但不锈钢的耐温低于750℃，超过此温度防护性能会迅速下降；inconel625合金虽然防腐性能效果突出，但耐磨损和高温耐氧化方面偏弱。

另外，也有采用热喷涂技术进行防护，但由于孔隙率偏高、结合强度偏低，不适用于炉排片的防护；高频感应重熔技术在锅炉水冷壁受热面高温防腐上取得了成功，但对炉排片同样并不适用，因炉排片工作面属于三维异型结构，表面凸凹不平，很难实施电感线圈非接触加热工艺。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提出一种应用于垃圾电站中，基于等离子堆焊与激光熔覆技术的炉排片复合防护工艺，针对炉排片不同的工作区间，制定与各段实际工况相对应的炉排片表面综合防护工艺，而不是仅用同一种方法进行防护，在保证防护效果和服役寿命的前提下，节能、节材，并降低了企业生产成本。

本发明提供的技术方案如下：

基于等离子堆焊与激光熔覆技术的炉排片复合防护工艺，炉排片分为干燥段、燃烧段和燃烬段，干燥段和燃烬段采用高铬型镍基自熔合金进行喷涂形成防护层，燃烧段采用镍基合金与金属陶瓷NiCr-Cr₂C₃分别进行喷涂形成双层防护层，先用等离子堆焊镍基合金形成双层防护层的底层，再在底层表面用激光同步送粉的方式熔覆NiCr-Cr₂C₃金属陶瓷面层。

优选地，干燥段和燃烬段采用火焰喷涂高硬度镍基自熔合金+等离子重熔的方式制备防护涂层。

优选地，干燥段和燃烬段选用铸铁材质；燃烧段选用含Ni、Cr的合金铸钢。

优选地，所述铸铁材质为RTSi₅、RQTSi₄、RQTSi₅或RQT₂Si₄Mo；所述合金铸钢为3Cr₁₈Mn₁₂Si₂Ni或2Cr₂₀Mn₉Ni。

优选地，高铬型镍基自熔合金中添加有Ni、Cr、Mo、Ti、Fe、B和Si，其中Cr质量分数为20～27％，设计涂层厚为0.7～1mm。

优选地，镍基合金中添加有Ni、Cr、Co、C、Fe、Si、B和C，其中铬质量分数为10～20％，镍质量分数为30～45％。

优选地，双层防护层中，底层厚度为1.1～1.3mm，面层厚度为0.2～0.4mm。

优选地，双层防护层的制备步骤如下：

(1)通过同步送粉等离子堆焊技术，利用镍基合金粉末，在燃烧段上制备底层涂层；等离子堆焊工艺参数为：堆焊功率2000～3000w,堆焊速度60～150g/min,堆焊电流为120～300A，电压25～40V，主气压力0.2～0.4MPa，离子气流量250～350L/h，搭接率30～45％；

(2)等离子堆焊后，燃烧段进行退火处理，530～680℃下保温2～3h，用手砂轮去除堆焊后表面不平整的地方，并用着色探伤仪检测堆焊层有无裂纹存在；

(3)在堆焊层表面涂墨增强激光的吸收，采用气体或半导体激光器进行激光熔覆，激光熔覆工艺参数与堆焊相同，送粉速度为15～35g/min，全程惰性气体保护；

(4)激光熔覆完后进行缓冷和退火处理，530～680℃下保温2～3h，待冷却后用铁刷去除表面氧化皮，观察双层防护层表面质量。

与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

(1)本发明在炉排片的干燥段和燃烬段部分，采用高铬型镍基自熔合金，Cr质量分数为20～27％；保证了炉排片的具有较长工作寿命，也节省了大量的贵金属镍的消耗，降低了制备成本。

(2)本发明在炉排片的燃烧段部分，选用镍基合金喷涂作为底层,铬质量分数为10～20％，镍质量分数为30～45％；铬与镍含量相匹配，具有一定的抗高温氧化和耐磨能力，但炉排片所处工况过于恶劣，故在镍基合金表面喷涂金属陶瓷NiCr-Cr₂C₃形成双层保护层，保证炉排片在工作面得到最大限度的综合防护。本发明的面层在制作过程中，采用激光作为热源，是考虑其能量密度高，可以精准控制能量的输出，加热速度快，几乎不存在过热区，对基体和底层的热影响很小，引起炉排片的变形量也最小；根据控制激光的能量输入，将稀释率保持在极低的范围内，而且由于输出功率恒定，熔池大小深度一致性好，熔覆的工艺参数一旦确定，熔覆质量容易保证，适合自动化生产。

(3)本发明采用的等离子堆焊与激光熔覆的复合防护技术优势在于：如果单纯用等离子堆焊镍基合金，仅高温防腐性能优异，其它性能一般；而单纯用激光堆焊金属陶瓷，虽防护性能突出，但由于基材和激光熔覆层的物理属性差异很大，难以可靠结合易脱落，NiCr-Cr₂C₃价格昂贵，成本居高不下，企业难以负担。等离子堆焊层起到衔接基材和激光熔覆层之间过渡层的作用，从而获得质量较好的复合防护层。激光仅熔覆表面薄层(0.3mm左右)，大大减少了激光器的使用时间以及熔覆粉末的使用量，虽然防护成本比单纯等离子堆焊略微有所提高，服役寿命却显著提升；该技术方案符合国内大多数垃圾电站企业的需求和经济承受能力。

具体实施方式

现结合具体实施例，对本发明做进一步说明。

本发明提出“基于等离子堆焊+激光熔覆技术的炉排片精准防护工艺”，以实现垃圾焚烧发电锅炉炉排片工作表面的高可靠性综合防护。为保证防护效果，首先炉排片材料选择含有Ni、Cr的合金铸钢，然后根据炉排各工作区的实际工况，在保证炉排片服役寿命满足设计要求的条件下，综合考虑防护效率和成本等方面，对防护方法实现差别化精准设计。

1、干燥段与燃烬段的防护工艺

炉排片的干燥段主要功能是输送垃圾到燃烧段，该段垃圾载荷较大，由于还未开始燃烧，所以温度相对不高，炉排片的主要失效形式是机械磨损和腐蚀；炉排片燃烬段的主要功能是向前输送垃圾燃烧完毕的灰烬，该段工作温度为300～400℃，仍存在一些不可燃物，有些固体颗粒物极容易夹杂到炉排片之间缝隙中，主要承受偏磨等非正常磨损。此外，垃圾焚烧后形成的腐蚀性气氛，对炉排片形成较强的腐蚀作用，但腐蚀介质的浓度相对燃烧段也有所下降。总之，对干燥段和燃烬段，综合考虑实际工况兼顾生产成本与效率，本发明在炉排片工作表面采用火焰喷涂高铬型镍基自熔合金+等离子重熔的方法制备防护涂层(该操作方法为常规的技术手段，现有技术皆有公开，在此不做详细描述)。从涂层材料来说，由于这两段温度都不太高，主要失效形式是磨损与腐蚀，综合考虑防护寿命和生产成本效率，采用高铬型镍基自熔合金方案，主要添加Ni、Cr、Mo、Ti、Fe、B、Si等元素，其中Cr质量分数为20～27％，设计涂层厚为0.7～1mm。

为保证整体炉排片性价比，在干燥段和燃烬段，选用铸铁材质，如RTSi₅、RQTSi₄、RQTSi₅、RQT₂Si₄Mo等中硅球墨铸铁，由于其铸造工艺性好，价格相对比较低，耐热温度在800℃左右，因此被广泛用作炉排材料。

2、燃烧段防护工艺

由于该段工作面承受高温氧化+高温腐蚀+高温磨损的综合作用，从而导致该段炉排片减薄烧损失效最严重，因此必须要强化防护。在燃烧段选择含Ni、Cr的合金铸钢，如3Cr₁₈Mn₁₂Si₂Ni、2Cr₂₀Mn₉Ni等，这些材料经热处理后抗拉强度可达490MPa。

本发明在炉排片工作表面，制备镍基合金与金属陶瓷NiCr-Cr₂C₃双层防护层。根据堆焊材料设计原则，即热膨胀系数相近、弹性模量相近、熔点相近、润湿性相近等，镍基合金底层材料主要包含Cr(11.0-17.0％)、Co(0.06-0.1％)、Fe(3.0-4.0％)、C(0.4-0.8％)、Si(3.0-4.5％)、B(2.5-3.7％)，余量为Ni元素，但与上述的干燥段与燃烬段所用的材料不同的是，镍基合金中铬与镍含量相匹配，以实现涂层高温防腐的首要任务。尽管镍基合金也具备一定的抗高温氧化和耐磨能力，但由于工况过于恶劣，故在镍基合金表面喷涂金属陶瓷NiCr-Cr₂C₃形成双层保护层；设计防护层总厚度约1.5mm，其中底层约1.2mm，面层约0.3mm。双层保护层制备方法采用等离子堆焊+激光熔覆相结合，即先用等离子堆焊镍基合金的底层，然后再在底层表面用激光同步送粉的方式熔覆NiCr-Cr₂C₃金属陶瓷面层，其中NiCr主要起到将堆焊层镍基合金与NiCr-Cr₂C₃陶瓷间粘接的作用。

双层防护层的制备步骤如下：

(1)通过同步送粉等离子堆焊技术，利用镍基合金粉末，在燃烧段上制备底层涂层；等离子堆焊工艺参数为：堆焊功率2000～3000w,堆焊速度60～150g/min,堆焊电流为120～300A，电压25～40V，主气压力0.2～0.4MPa，离子气流量250～350L/h，搭接率30～45％；

(2)等离子堆焊后，燃烧段进行退火处理，530～680℃下保温2～3h，用手砂轮去除堆焊后表面不平整的地方，并用着色探伤仪检测堆焊层有无裂纹存在；

(3)在堆焊层表面涂墨增强激光的吸收，采用气体或半导体激光器进行激光熔覆，激光熔覆工艺参数与堆焊相同，送粉速度为15～35g/min，全程惰性气体保护；

(4)激光熔覆完后进行缓冷和退火处理，530～680℃下保温2～3h，待冷却后用铁刷去除表面氧化皮，观察双层防护层表面质量。

3、性能评估

本发明主要是针对防护层微观组织、硬度和耐磨性能以及力学性能进行评估。

(1)通过将堆焊件制备金相试件，在光学显微镜下观察组织形态、物相及其分布特点，可明显看出堆焊焊道合金元素分布较均匀，焊道成型良好。取焊道横截面显微镜下观测，发现裂纹长度一般不超100～200μm，而且焊道无贯穿性裂纹，裂纹扩展路线十分曲折，表明该焊层组织较均匀，韧性较好，从而推断堆焊层的宏观性能达到设计要求。

(2)测试复合涂层表面的硬度为1100～1400HV0.2，复合涂层表面的耐磨性为磨损体积约为炉排片基体磨损体积的1/6-1/8，复合涂层表面的摩擦系数约为0.45～0.60。

(3)力学性能主要指防护层的抗拉、抗压、抗冲击、抗疲劳等力学性能；将堆焊件做成试样，再进行结合强度试验、拉剪试验、冲击韧性试验等。通过测试堆焊件的结合强度为400～600MPa，拉剪强度为650～780MPa、冲击韧性达38～60J/cm²等。

Claims (8)

1.基于等离子堆焊与激光熔覆技术的炉排片复合防护工艺，炉排片分为干燥段、燃烧段和燃烬段，其特征在于：干燥段和燃烬段采用高铬型镍基自熔合金进行喷涂形成防护层，燃烧段采用镍基合金与金属陶瓷NiCr-Cr₂C₃分别进行喷涂形成双层防护层，先用等离子堆焊镍基合金形成双层防护层的底层，再在底层表面用激光同步送粉的方式熔覆NiCr-Cr₂C₃金属陶瓷面层。

2.根据权利要求1所述的基于等离子堆焊与激光熔覆技术的炉排片复合防护工艺，其特征在于：干燥段和燃烬段采用火焰喷涂高硬度镍基自熔合金+等离子重熔的方式制备防护涂层。

3.根据权利要求1所述的基于等离子堆焊与激光熔覆技术的炉排片复合防护工艺，其特征在于：干燥段和燃烬段选用铸铁材质；燃烧段选用含Ni、Cr的合金铸钢。

4.根据权利要求3所述的基于等离子堆焊与激光熔覆技术的炉排片复合防护工艺，其特征在于：所述铸铁材质为RTSi₅、RQTSi₄、RQTSi₅或RQT₂Si₄Mo；所述合金铸钢为3Cr₁₈Mn₁₂Si₂Ni或2Cr₂₀Mn₉Ni。

5.根据权利要求1所述的基于等离子堆焊与激光熔覆技术的炉排片复合防护工艺，其特征在于：高铬型镍基自熔合金中添加有Ni、Cr、Mo、Ti、Fe、B和Si，其中Cr质量分数为20～27％，设计涂层厚为0.7～1mm。

6.根据权利要求1所述的基于等离子堆焊与激光熔覆技术的炉排片复合防护工艺，其特征在于：镍基合金中添加有Ni、Cr、Co、C、Fe、Si、B和C，其中铬质量分数为10～20％，镍质量分数为30～45％。

7.根据权利要求1所述的基于等离子堆焊与激光熔覆技术的炉排片复合防护工艺，其特征在于：双层防护层中，底层厚度为1.1～1.3mm，面层厚度为0.2～0.4mm。

8.根据权利要求1所述的基于等离子堆焊与激光熔覆技术的炉排片复合防护工艺，其特征在于双层防护层的制备步骤如下：

(1)通过同步送粉等离子堆焊技术，利用镍基合金粉末，在燃烧段上制备底层涂层；等离子堆焊工艺参数为：堆焊功率2000～3000w,堆焊速度60～150g/min,堆焊电流为120～300A，电压25～40V，主气压力0.2～0.4MPa，离子气流量250～350L/h，搭接率30～45％；

(2)等离子堆焊后，燃烧段进行退火处理，530～680℃下保温2～3h，用手砂轮去除堆焊后表面不平整的地方，并用着色探伤仪检测堆焊层有无裂纹存在；

(3)在堆焊层表面涂墨增强激光的吸收，采用气体或半导体激光器进行激光熔覆，激光熔覆工艺参数与堆焊相同，送粉速度为15～35g/min，全程惰性气体保护；

(4)激光熔覆完后进行缓冷和退火处理，530～680℃下保温2～3h，待冷却后用铁刷去除表面氧化皮，观察双层防护层表面质量。