CN115261769A - 一种锅炉水冷壁管防护用复合涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锅炉水冷壁管防护用复合涂层及其制备方法，涉及表面防护技术领域，包括铁基非晶合金涂层和纳米陶瓷涂层，其制备方法为采用现有粉芯丝轧制技术轧制铁基非晶粉芯丝，在其内部填充铁基非晶粉芯后作为母材，对壁管表面经过喷砂除锈后露出的新鲜金属基材表面进行超音速电弧喷涂，形成热喷涂铁基非晶涂层表面；再以含有SiO2纳米粒子的硅溶胶为原料，在高压空气的作用下，将硅溶胶喷涂在铁基非晶涂层表面，基材表面形成非晶合金/纳米晶陶瓷双层复合涂层。本发明的制备方法简单，成本低廉，自动化程度高，适合在线作业，满足大规模生产与维护的需求。

Description

一种锅炉水冷壁管防护用复合涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及表面防护技术领域，特别涉及一种锅炉水冷壁管防护用复合涂层及其制备方法。
背景技术
焚烧是农村生物质材料和城市生活垃圾处理的主要方法之一，在高温条件下，生物质材料和城市生活垃圾中的可燃物质与空气中的氧发生剧烈化学反应，放出热量，转化为高温燃烧气体和性质稳定的固态炉渣，完成生物质或生活垃圾的减容、灭菌过程，实现无害化处理。高温烟气通过余热锅炉产生的蒸汽可用于发电、供热，实现生物质或垃圾的化学能向热能、电能的转换。但是生物质或生活垃圾焚烧锅炉与传统的燃煤、燃油锅炉相比较，其金属受热面因腐蚀导致事故频率要高得多，占其汽水系统事故频发率第一位。腐蚀的结果会造成锅炉水冷壁管泄漏损坏，造成严重漏风，引起燃烧，致使工况恶化。严重时不得不经常更换受热面管材，既增加了维修工作量和材料损耗，又影响了锅炉的正常运行，从而影响锅炉安全工作。
出于发电效益要求，目前生物质或生活垃圾焚烧锅炉工质已从低参数饱和蒸汽向中温中压过热蒸汽参数过渡。生物质/垃圾锅炉既要满足发电工质参数要求，又要避免工质过热段金属受热面超温，产生高温腐蚀现象，认真探讨生物质或生活垃圾锅炉腐蚀成因并研究其防范对策，对生物质或生活垃圾焚烧锅炉和整个电厂的安全运行具有重要意义。因此，锅炉水冷壁管的高温防腐就成了亟待解决的技术难题。
发明内容
针对以上缺陷，本发明的目的是提供一种锅炉水冷壁管防护用复合涂层及其制备方法，克服现有技术中单一涂层的缺陷，通过在特制的非晶合金底层上涂覆纳米晶陶瓷表层制备的复合涂层，大幅度提高烟气余热回收系统的服役寿命，降低电厂腐蚀部件的维修费用和原材料的消耗，达到节能降耗的效果。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种锅炉水冷壁管防护用复合涂层，包括铁基非晶合金涂层和纳米陶瓷涂层。
一种上述锅炉水冷壁管防护用复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、采用现有粉芯丝轧制技术轧制铁基非晶粉芯丝，外径为1.6~2mm，其外层为中空环状的不锈钢层，表面为不锈钢皮，内部填充一定比例的铁基非晶粉芯；
步骤2、对壁管表面进行喷砂除锈，在露出的新鲜金属基材表面用高压气吹扫壁管外表面，去除表面的浮灰；
步骤3、以步骤1的铁基非晶粉芯丝为母材，对步骤2处理过的金属基材进行超音速电弧喷涂，喷涂6～10遍，形成热喷涂铁基非晶涂层表面；
步骤4、以含有一定比例SiO2纳米粒子的硅溶胶为原料，在高压空气的作用下，将硅溶胶喷涂在铁基非晶涂层表面，形成纳米晶陶瓷涂层；喷涂完毕后，管壁表面形成非晶合金/纳米陶瓷双层复合涂层。
优选地，所述步骤1中，铁基非晶粉芯丝外径为1.6~2mm，铁基非晶粉芯中各组分以及原子比为：Fe:40～60，Cr:22～30，B:2～6，Si:1～2，Mo:14～20，C:1～5，Nb:1～2，Y:0.1～1.0，更优选为Fe:45～55，Cr:24～28，B:3～5，Si:1.5，Mo:16～18，C:2～4，Nb:1.5，Y:0.5；铁基非晶粉芯所占重量比为30~40%。
优选地，所述步骤1中，喷砂除锈过程中砂料为白刚玉或石英砂。
优选地，所述步骤3中，超音速电弧喷涂采用高速电弧喷枪进行喷涂，喷涂距离为300mm，喷枪移动速度为5～8cm/s，涂层厚度为0.2～0.6mm。
优选地，所述步骤4中，硅溶胶中SiO2纳米粒子的重量百分比为10～35%，更优选为20～25%；纳米陶瓷涂层厚度为20~100μm。
采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：
1、本发明采用非晶合金金属融合纳米晶陶瓷粒子的底层与纳米晶陶瓷表层组成的复合双层工艺，喷涂过程中，因为热喷涂层会使底层表面存在微孔，纳米晶颗粒可以通过毛细效应渗透到铁基非晶涂层中形成非晶合金复合涂层，然后在表层延展再形成纳米晶陶瓷的表面涂层；这样，底层新形成的非晶合金复合涂层就同时具有了非晶涂层和纳米晶陶瓷表层的优良特性，而表层的纳米晶陶瓷涂层依然具有其特有的抗腐蚀特性，最终将非晶合金金属和纳米晶陶瓷的优势叠加并得到增强，最大限度的提高了涂层质量，增强涂层整体防高温腐蚀性能，有效延长涂层使用期限。
2、本发明用于生物质和垃圾焚烧锅炉水冷壁管防护的非晶合金底层/纳米晶陶瓷表层双层复合涂层，涂覆后能大幅度提高烟气余热回收系统的服役寿命，有效减轻锅炉水冷壁管的高温腐蚀问题，降低设备维修费用和对原材料的消耗。
3、本发明克服现有技术中单一涂层的缺陷，在特制的非晶合金底层上涂覆纳米晶陶瓷表层制备的复合涂层，工艺成本低廉，自动化程度高，适合在线作业，满足大规模生产与维护的需求。
附图说明
图1是本发明一种锅炉水冷壁管防护用复合涂层截面的扫描电镜图；
图2是本发明一种锅炉水冷壁管防护用复合涂层截面的X射线衍射图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明提供的一种锅炉水冷壁管防护用复合涂层及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。在本发明中，如无特殊说明，所有制备原料均为本领域技术人员熟知的市售产品。
实施例1
步骤1、采用现有粉芯丝轧制技术轧制铁基非晶粉芯丝，其外层为中空环状的不锈钢层，外径为1.6mm，表面为不锈钢皮，内部填充占总重量30%的铁基非晶粉芯，铁基非晶粉芯中组分及其所占的原子比为：Fe:40，Cr:30，B:2，Si:1，Mo:20，C:5，Nb:1，Y:0.1；
步骤2、对壁管表面进行喷砂除锈，在露出的新鲜金属基材表面用高压气吹扫钢管外表面，去除表面的浮灰；
步骤3、以步骤1的铁基非晶粉芯丝为母材，对步骤2处理过的金属基材进行超音速电弧喷涂，喷涂厚度为0.2mm，形成热喷涂铁基非晶涂层表面；
步骤4、以含有SiO2纳米粒子重量百分比为10%的硅溶胶为原料，在高压空气的作用下，将硅溶胶喷涂在铁基非晶涂层表面，喷涂厚度为20μm，形成纳米晶陶瓷涂层；喷涂完毕后，管壁表面形成非晶合金/纳米晶陶瓷双层复合涂层。
实施例2
步骤1、采用现有粉芯丝轧制技术轧制铁基非晶粉芯丝，其外层为中空环状的不锈钢层，外径为2.0mm，表面为不锈钢皮，内部填充占总重量40%的铁基非晶粉芯，铁基非晶粉芯中组分及其所占的原子比为：Fe:60，Cr:22，B:6，Si:2，Mo:14，C:1，Nb:2，Y:1.0；
步骤2、对壁管表面进行喷砂除锈，在露出的新鲜金属基材表面用高压气吹扫钢管外表面，去除表面的浮灰；
步骤3、以步骤1的铁基非晶粉芯丝为母材，对步骤2处理过的金属基材进行超音速电弧喷涂，喷涂厚度为0.5mm，形成热喷涂铁基非晶涂层表面；
步骤4、以含有SiO2纳米粒子重量百分比为35%的硅溶胶为原料，在高压空气的作用下，将硅溶胶喷涂在铁基非晶涂层表面，喷涂厚度为100μm，形成纳米晶陶瓷涂层；喷涂完毕后，管壁表面形成非晶合金/纳米晶陶瓷双层复合涂层。
实施例3
步骤1、采用现有粉芯丝轧制技术轧制铁基非晶粉芯丝，其外层为中空环状的不锈钢层，外径为1.8mm，表面为不锈钢皮，内部填充占总重量35%的铁基非晶粉芯，铁基非晶粉芯中组分及其所占的原子比为：Fe:50，Cr:26，B:4，Si:1.5，Mo:17，C:3，Nb:1.5，Y:0.5；
步骤2、对壁管表面进行喷砂除锈，在露出的新鲜金属基材表面用高压气吹扫钢管外表面，去除表面的浮灰；
步骤3、以步骤1的铁基非晶粉芯丝为母材，对步骤2处理过的金属基材进行超音速电弧喷涂，喷涂厚度为0.35mm，形成热喷涂铁基非晶涂层表面；
步骤4、以含有SiO2纳米粒子重量百分比为23%的硅溶胶为原料，在高压空气的作用下，将硅溶胶喷涂在铁基非晶涂层表面，喷涂厚度为60μm，形成纳米晶陶瓷涂层；喷涂完毕后，管壁表面形成非晶合金/纳米晶陶瓷双层复合涂层。
对比例1
步骤1、采用现有粉芯丝轧制技术轧制铁基非晶粉芯丝，其外层为中空环状的不锈钢层，外径为1.8mm，表面为不锈钢皮，内部填充占总重量35%的铁基非晶粉芯，铁基非晶粉芯中组分及其所占的原子比为：Fe:50，Cr:26，B:4，Si:1.5，Mo:17，C:3，Nb:1.5，Y:0.5；
步骤2、对壁管表面进行喷砂除锈，在露出的新鲜金属基材表面用高压气吹扫钢管外表面，去除表面的浮灰；
步骤3、以步骤1的铁基非晶粉芯丝为母材，对步骤2处理过的金属基材进行超音速电弧喷涂，喷涂厚度为0.35mm，形成热喷涂铁基非晶涂层表面。
对比例2
步骤1、对壁管表面进行喷砂除锈，在露出的新鲜金属基材表面用高压气吹扫钢管外表面，去除表面的浮灰；
步骤2、以含有SiO2纳米粒子重量百分比为的硅溶胶为原料，在高压空气的作用下，将硅溶胶喷涂在金属基材表面，喷涂厚度为60μm，形成纳米晶陶瓷涂层；喷涂完毕后，管壁表面形成纳米晶陶瓷涂层。
将实施例1~3与对比例1~2的产品进行质量检测，检测结果如下表所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
从表1可以看出，本发明实施例1~3制备的非晶合金底层/纳米晶陶瓷表层双层复合涂层综合了非晶材料耐腐蚀和陶瓷材料耐摩擦的优势，具有较好的耐摩擦和抗腐蚀的综合作用，对比例1~2由于陶瓷或非晶材料的缺失，导致硬度和耐磨性能与本发明相比具有明显的差距。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所做出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种锅炉水冷壁管防护用复合涂层，其特征在于，所述复合涂层包括铁基非晶合金涂层和纳米陶瓷涂层。
2.一种如权利要求1所述的锅炉水冷壁管防护用复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、采用现有粉芯丝轧制技术轧制铁基非晶粉芯丝，外径为1.6~2mm，其外层为中空环状的不锈钢层，表面为不锈钢皮，内部填充一定比例的铁基非晶粉芯；
步骤2、对壁管表面进行喷砂除锈，在露出的新鲜金属基材表面用高压气吹扫钢管外表面，去除表面的浮灰；
步骤3、以步骤1的铁基非晶粉芯丝为母材，对步骤2处理过的金属基材进行超音速电弧喷涂，喷涂6～10遍，形成热喷涂铁基非晶涂层表面；
步骤4、以含有一定比例SiO2纳米粒子的硅溶胶为原料，在高压空气的作用下，将硅溶胶喷涂在铁基非晶涂层表面，形成纳米晶陶瓷涂层；喷涂完毕后，管壁表面形成非晶合金/纳米晶陶瓷双层复合涂层。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，铁基非晶粉芯中各组分以及原子比为：Fe:40～60，Cr:22～30，B:2～6，Si:1～2，Mo:14～20，C:1～5，Nb:1～2，Y:0.1～1.0，铁基非晶粉芯所占重量比为30-40%。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，喷砂除锈过程中砂料为白刚玉或石英砂。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，超音速电弧喷涂采用高速电弧喷枪进行喷涂，喷涂距离为300mm，喷枪移动速度为5～8cm/s，涂层厚度为0.2～0.6mm。
6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，硅溶胶中SiO2纳米粒子的重量比为10～35%，硅溶胶纳米陶瓷涂层厚度为20~100μm。
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