TWI749097B - 廢棄物焚化爐之鍋爐水管及其製造方法 - Google Patents

廢棄物焚化爐之鍋爐水管及其製造方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI749097B
TWI749097B TW106138430A TW106138430A TWI749097B TW I749097 B TWI749097 B TW I749097B TW 106138430 A TW106138430 A TW 106138430A TW 106138430 A TW106138430 A TW 106138430A TW I749097 B TWI749097 B TW I749097B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
water pipe
spray
nickel
boiler water
spraying
Prior art date
Application number
TW106138430A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201829807A (zh
Inventor
北井豪太
野口学
岡部由知
永田秀樹
石井章文
上野有史
Original Assignee
日商荏原環境工程股份有限公司
日商東華隆股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日商荏原環境工程股份有限公司, 日商東華隆股份有限公司 filed Critical 日商荏原環境工程股份有限公司
Publication of TW201829807A publication Critical patent/TW201829807A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI749097B publication Critical patent/TWI749097B/zh

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/16—Metallic particles coated with a non-metal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/129—Flame spraying
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/02—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
    • F22B1/18—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B37/00—Component parts or details of steam boilers
    • F22B37/02—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
    • F22B37/10—Water tubes; Accessories therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

本發明係關於延長一般廢棄物焚化爐鍋爐等之鍋爐水管(導熱管)的使用壽命。
廢棄物焚化爐之鍋爐水管的基材的表面被熔射皮膜所被覆。熔射皮膜具有以扁平狀之金屬粒子堆積所構成且Ni(鎳)經濃化而填充該金屬粒子之間隙的組織。

Description

廢棄物焚化爐之鍋爐水管及其製造方法
本發明係關於延長一般廢棄物焚化爐鍋爐等之鍋爐水管(導熱管)的使用壽命。藉由熔射經改良的熔射用粉末，將具有耐高溫腐蝕性的熔射皮膜被覆於基材表面，特別是藉由高速火焰熔射(HVOF熔射)，在廢棄物焚化爐鍋爐的導熱管及水壁管表面形成耐腐蝕性優良的熔射皮膜。
為了降低鍋爐水管(導熱管)的腐蝕薄化的量以延長使用壽命，具有使用耐腐蝕性材料作為水管母材、水管母材的表面改質(形成耐腐蝕性熔射皮膜)、封孔處理、堆焊等對應方法。無論何種對應皆有利有弊，但作為在鍋爐使用中的對應，從可在現場施工的工法來看，於水管母材上形成耐腐蝕性材料的熔射皮膜係為有效。然而，所形成之熔射皮膜中內含有氣孔，可能因為該氣孔連續而導致腐蝕性物質侵入母材界面，使母材被腐蝕，更可能因為皮膜剝離而導致母材露出、暴露於腐蝕性排氣中。
水管母材
以往，廢棄物焚化爐鍋爐之火爐內、或來自火爐之燃燒氣體所流經之流路內所使用的水管母材中，因為高溫腐蝕及燃燒氣體中所含之燃燒灰(飛灰)導致產生磨耗薄化，因而使用耐腐蝕性及耐磨耗性優良的沃斯田(austenite)系材料。然而，因為暴露於低空氣比運轉所造成之高溫還原火焰、以及作為附著灰的CaSO4、NaCl、KCl及垢中的Na、K、Pb等金屬氯化 物及硫酸氯化物，而涉及到熔鹽(molten salt)腐蝕等。因此採取了「以耐腐蝕性且耐磨耗性高的材料作為水管(蒸發管)母材」、「對蒸發管(水管)更換後的部位實施防火材施工」、「對蒸發管(水管)表面進行熔射」等的對策。關於過熱器管，則採取在表面設置用以保護磨耗薄化之該部位的保護材料，或是使用管壁較厚或耐腐蝕性高的材料等對策。然而，致力於選擇水管材料等的母材，具有初始成本提高的傾向，且防火材塗佈中，亦會增加初始成本，且為了確保導熱面積導致鍋爐整體容量增大等初始成本增加的疑慮，而期望選擇、設計極輕的材料。
熔射材料
以往，作為熔射至蒸發管(水管)表面的粉末，係使用耐腐蝕性及耐磨耗性優良的Ni基自溶合金、Fe基矽鐵(ferrosilicon)系材料、碳化鉻、碳化鎢等的金屬陶瓷系的造粒燒結粉末。
熔射皮膜形成之現狀，包含本案發明人在內，亦正在摸索如何抑制氣孔率以謀求緻密化。為了謀求熔射皮膜的緻密化，其現狀是歸屬於熔射法及封孔處理等的方法，其實際的狀況，例如，在鍋爐之中，於廢棄物處理設備的腐蝕性排氣這種嚴苛的狀況下，尚未開發研究出具有優越性及特異性的熔射材料來作為鍋爐水管。
熔射法
熔射具有各種方式，而熔射則是以所使用之材料及熱源的種類等進行分類。以燃燒氣體作為熱源者，具有氣體線材熔射、高速火焰熔射、爆發熔射等。以電能作為熱源者，具有電弧熔射、電漿熔射、RF電漿熔射、電磁加速電漿熔射、線爆熔射、電熱爆發粉體熔射等。又具有以雷 射作為熱源的雷射熔射等。此等熔射方法之中，係以熔射材料及施工條件等選擇最佳的熔射方法。
廢棄物焚化爐鍋爐中，一般係選定氣體線材熔射或高速火焰熔射或電弧熔射，但以往使用熔射材料的施工實績之中，以氣體線材熔射或電弧熔射製成的熔射皮膜，其耐用年限雖與其使用的環境亦有關，但係在2~3年左右。又，以往的高速火焰熔射中，雖企圖提升粒子速度、謀求皮膜的緻密化，但施工實績中，熔射皮膜的耐用年限為3~5年左右，考慮設施之使用年限的情況下，皮膜的耐腐蝕性並不充分。
熔融處理(Fusing處理)
作為以自溶合金所進行的封孔處理，具有在熔射皮膜的施工後使皮膜暫時熔融而使氣孔消失，藉此提高皮膜的耐腐蝕性這樣的方法。然而，為了進行熔融處理而使用電爐(參照專利文獻1)或高頻感應加熱(參照專利文獻2)等，因此必須在工廠施工，而無法於現場進行修補施工，故若欲延長運轉中之設施的使用壽命，並無法選定熔融處理。
作為以Al熔射所進行之封孔處理，具有在一般以火焰熔射等所形成之皮膜上熔射熔融Al以阻塞氣孔這樣的方法。然而，已確認耐腐蝕性不佳的Al層在2年左右即會消失，而失去封孔機構。又，必須分兩次熔射底層的Ni基合金與封孔材，其手續繁雜。在延長運轉中施設之使用壽命的對策中，因為手續繁雜導致工期長、相較於材料費等因人工數增加而無法避免高成本，又必須在有限的設施停止期間進行修補施工等，而難以選定這樣的熔射(參照非專利文獻1)。
作為其他封孔熔射，具有為了封住氣孔而使其與玻璃質材料複合化的 技術。然而，在鍋爐的實機中，不僅是停止起動，更因為用以去除附著灰的吹灰(soot blow)等的影響、甚至是運轉溫度變動等各種因素，導致熔射皮膜中產生熱應力。因此，在使熱膨脹係數不同的材質複合化的情況中，很可能在運轉中發生破裂或剝離，而無法期待充分的耐久性，因而難以選定這種熔射(參照專利文獻3)。
堆焊
堆焊因為無貫通氣孔、耐腐蝕性優良且因為可得到厚度，因而有希望作為延長使用壽命的手法。然而，因為熔接而在施工時需要輸入過大的熱能，可能對於母材產生熱影響，或可能導致母材變形等。又，雖可在現場進行補修，但僅限於局部的補修，大範圍的施工非常耗時，故人工數增大而無法避免高成本，又，對於在有限的設施停止期間中進行補修施工等而言，無法選定這種熔接。
先前技術文獻
專利文獻
專利文獻1：日本特開平8-13119號公報
專利文獻2：日本特開平10-46315號公報
專利文獻3：日本特開2001-192802號公報
非專利文獻
非專利文獻1：川原雄三，「廢棄物發電鍋爐中的高溫腐蝕塗佈的應用與耐久性評價之現狀」，熔射，Vol.38，No.2，P.73(2001)
若使用耐腐蝕材料作為水管母材，則成本明顯提高，此對策亦難以對應運轉後的設施(將該部分全部進行拔管補修並不實際)。另一方面，即使就蒸發管(水管)更換後的部位進行澆注(castable)施工、或以往用於蒸發管(水管)表面之熔射等的對策，亦難以與成本相符地延長使用壽命。
通常的熔射製程中，僅提升粒子速度難以完全去除氣孔。又，使用Ni-Cr系粉末材料的情況下，成膜的皮膜組織的晶界，因為熔射時的熱影響，Cr的組成比率變高，在垃圾焚化爐內鍋爐環境中皮膜的耐腐蝕性低，因而導致晶界的侵蝕，而對於皮膜的壽命有不良的影響。
自溶合金化雖為無氣孔而為有希望的手法，但因為無法在現場施工，故無法使用於補修等。
Al封孔處理等的複合熔射，因為製程複雜導致成本提升。與玻璃質等的複合化，皮膜本身的可靠度不佳，不適合用於熱應力高的部位。堆焊相較於熔射雖具有較多優點，但亦具有施工性的問題及補修成本高的情況。
本發明係鑒於上述問題而完成者，其目的在於提供一種LCC(生命週期成本)優異且可現場進行補修的熔射皮膜，其最大限度地抑制了成本上升及製程複雜化，而可延長鍋爐水管的使用壽命，並且可在現場施工及現場補修。
亦即，本發明之目的在於，提供一種廢棄物焚化爐之鍋爐水管及其製造方法，而該廢棄物焚化爐之鍋爐水管係以降低腐蝕薄化量並且可延長使用壽命的熔射皮膜所被覆者。
為了達成上述目的，本發明之一態樣，係基材表面被熔射皮膜所被覆的廢棄物焚化爐之鍋爐水管，其特徵為：該熔射皮膜具有以扁平狀的金屬粒子堆疊而成且Ni(鎳)經濃化而填充該金屬粒子之間隙的組織。
本發明之較佳態樣，其特徵為該金屬粒子係以Ni(鎳)為主成分，且包含Cr(鉻)、B(硼)、Si(矽)、Mo(鉬)及Cu(銅)的Ni(鎳)基合金。
本發明之較佳態樣，其特徵為該熔射皮膜的氣孔率小於1%。
本發明之較佳態樣，其特徵為該熔射皮膜的厚度為100μm以上、且1000μm以下。
本發明之另一態樣，係以熔射對基材表面實施被覆工程的廢棄物焚化爐之鍋爐水管的製造方法，其特徵為：該熔射中，係以對各金屬粒子的表面進行Ni(鎳)被覆處理而成的熔射粉末作為材料，該經Ni(鎳)被覆處理的金屬粒子的熔點高於被覆該金屬粒子之Ni(鎳)被覆膜的熔點。
本發明之較佳態樣，其特徵為：該Ni(鎳)被覆處理係無電解Ni(鎳)-P(磷)鍍覆處理。
本發明之較佳態樣，其特徵為：以該Ni(鎳)被覆處理所形成之Ni(鎳)被覆膜，包含5~10質量%的P(磷)。
本發明之較佳態樣，其特徵為：該金屬粒子係以Ni(鎳)為主成分，且包含Cr(鉻)、B(硼)、Si(矽)、Mo(鉬)及Cu(銅)的Ni(鎳)基合金。
本發明之較佳態樣，其特徵為：該熔射為高速火焰熔射法。
本發明之較佳態樣，其特徵為：該熔射後不進行熔融處理。
本發明係熔射皮膜被覆表面的廢棄物焚化爐之鍋爐水管，而該熔射皮膜係使高耐蝕材料在粒子間濃化且提高緻密性者，其係以耐蝕性 高且熔點低於作為母材之熔射粉末材料的金屬，進行被覆處理的熔射粉末材料所製造。一般的熔射皮膜的情況中，腐蝕性物質從外部透過多氣孔的粒子間的晶界，侵入皮膜內部，而進行皮膜的腐蝕。本發明中，因為使高耐蝕材料在粒子間濃化，而阻礙腐蝕的進行，進而提高耐蝕性。再者，使用一般粉末材料以高速火焰熔射形成熔射皮膜的情況，熔射皮膜的氣孔率為6%左右。本發明中，藉由使低熔點的表面Ni被覆層熔融，減少粒子間的氣孔率。測定的結果，氣孔率小於1%。藉由此等效果，提高熔射皮膜整體之耐腐蝕性的同時，特佳係可防止皮膜內部沿著粒子間的晶界被侵蝕，可達成相較於以往的熔射皮膜及鍋爐水管，將使用壽命延長約2倍以上的效果。
為了可在現場施工及補修，一方面採用過去即在現場施工具有實績的熔射方法，一方面藉由改善熔射原料而降低氣孔率，以提高熔射皮膜的耐腐蝕性。根據本發明，可防止皮膜內部沿著以往作為熔射材料的Ni-Cr系粉末的粒子的晶界被侵蝕，故可對熔射材料粉末實施耐腐蝕性高的金屬鍍覆處理，而達到熔射皮膜緻密化的目的，特別可提高晶界的耐腐蝕性，而將使用壽命延長為過去的2倍以上。
根據本發明，使鍋爐的水管形成熔射皮膜，藉此提高鍋爐的水管母材的耐腐蝕性，而可謀求因延長使用壽命，而避免補修或更新等的經濟效果。又，藉由對熔射粉末原料實施Ni被覆處理，相較於在熔射皮膜施工後實施塗佈加工，粒子間的晶界部的塗佈性能提高，甚至是到熔射皮膜內部，皆可更加提高晶界部的耐蝕性。
再者，藉由以熔點低於以往熔射粉末原料的金屬實施鍍覆處理，粉末表面變得容易熔融。以高速將該熔融粒子噴附於水管表面以使其積層，藉此可比以往的皮膜組織更為緻密化，且氣孔率變小。又，成膜的皮膜組織的晶界，藉由鍍覆處理，在垃圾焚化爐內鍋爐環境中耐腐蝕性優異的Ni的組成比率提高，因此相較於以往的皮膜組織，具備防止皮膜內部沿著晶界被侵蝕的效果。藉由此等的改善，可形成氣孔率降低的高緻密性熔射皮膜，該氣孔率降低係用以提升抑制晶界侵蝕的效果，其係作為熔射粉末材料的重要課題。
藉由將熔射粉末材料與高速火焰熔射方法組合，可使熔射粉末原料形成更加緻密的熔射皮膜。以往的熔射皮膜的氣孔率約6%左右，本發明之熔射皮膜的氣孔率可降低至小於1%。氣孔率降低，表示熔射皮膜的緻密性提升。又，高速火焰熔射皮膜，對於水管母材的融黏性亦為優異，其形成盡可能減少晶界(grain boundary)及晶界面的熔射皮膜，作為提高緻密性而對於耐腐蝕性有所貢獻的熔射皮膜，具有使用壽命比以往的熔射皮膜更長2倍以上之優異性能的熔射皮膜。
將具有特異性的熔射粉末材料與高速火焰熔射組合，且不依靠以往的熔融處理方法，即使極力簡化施工過程，亦可形成緻密性提升的耐腐蝕性熔射皮膜。又，本製程當然可在工廠實施，亦可在不需要以往施工期間及成本等特性的情況下，實際用於運轉中的設施。
1‧‧‧電爐
2‧‧‧陶瓷板
3‧‧‧坩堝
4‧‧‧溶解鹽
5‧‧‧試片
10‧‧‧燃燒室
11‧‧‧燃料注入口
12‧‧‧氧注入口
13‧‧‧火星塞
14‧‧‧材料投入口
15‧‧‧本體
16‧‧‧冷卻水注入口
17‧‧‧冷卻水排出口
第一圖係顯示用以進行高速火焰熔射之熔射裝置的示意圖。
第二A圖係顯示測定以往材料及新型材料之氣孔率的結果的圖。
第二B圖係第二A圖的示意圖。
第三圖係顯示在實際氣體暴露試驗中進行施工的熔射水管面板的圖。
第四圖係顯示在實際氣體暴露試驗中的熔射皮膜測定結果的圖。
第五圖係顯示用以進行高溫腐蝕試驗之試驗裝置的圖。
第六圖係顯示高溫腐蝕試驗的熔射皮膜薄化量的結果的圖表。
第七A圖係顯示試片A的高溫腐蝕試驗的剖面觀察結果的圖。
第七B圖係顯示第七A圖的示意圖。
第八A圖係顯示試片B之高溫腐蝕試驗的剖面觀察結果的圖。
第八B圖係第八A圖的示意圖。
第九A圖係顯示試片C的高溫腐蝕試驗的剖面觀察結果的圖。
第九B圖係第九A圖的示意圖。
第十A圖係顯示以往材料之Ni濃度測定結果的圖。
第十B圖係第十A圖的主要部分的放大示意圖。
第十一A圖係顯示新型材料之Ni濃度測定結果的圖。
第十一B圖係第十一A圖之主要部分的放大示意圖。
第十二A圖係顯示以往材料的EPMA分析結果的圖。
第十二B圖係顯示第十二A圖的其他成分之影像(K、Na、Pb、Cl)的示意圖。
第十三A圖係顯示新型材料之EPMA分析結果的圖。
第十三B圖係顯示第十三A圖的其他成分之影像(K、Na、Pb、Cl)的示意圖。
作為用以實施本發明的最佳形態，最佳係以無電解Ni-P鍍覆對以往的熔射粉末材料實施鍍覆處理，進一步以高速火焰熔射所進行的施工，來形成200μm以上之均勻的皮膜為最佳的實施形態。
本實施形態之發明，係母材(基材)的表面被熔射皮膜所被覆的廢棄物焚化爐之鍋爐水管。熔射皮膜具有以扁平狀的金屬粒子堆疊而成且將Ni(鎳)經濃化而填充該金屬粒子之間隙的組織。Ni經濃化的組織，係指Ni的濃度高於構成熔射皮膜周圍之金屬粒子的組織，較佳為Ni的濃度比金屬粒子高出10質量%以上的組織。又，較佳為包含80質量%以上之Ni的組織。
再者，本實施形態之發明係對於母材(基材)表面實施以熔射進行之被覆工程的廢棄物焚化爐之鍋爐水管的製造方法。熔射係以對金屬粒子的各表面進行Ni被覆處理而成的熔射粉末作為材料。該進行Ni(鎳)被覆處理的金屬粒子的熔點，係高於被覆該金屬粒子的Ni(鎳)被覆膜的熔點。
根據本實施形態，藉由對於鍋爐水管形成熔射皮膜，可提高鍋爐水管之母材的耐腐蝕性，而可謀求延長使用壽命以避免補修或更新等的經濟效果。又，藉由對熔射粉末原料實施Ni被覆處理(更具體而言係無電解Ni-P鍍覆處理)，相較於在熔射皮膜施工後進行塗佈加工，粒子間的晶界部的塗佈性能高，且甚至到熔射皮膜內部之處，亦更加提高了晶界部的耐蝕性。
以Ni被覆處理所形成之Ni被覆膜，包含5~10質量%的P(磷)，欲進行Ni被覆處理的金屬粒子的熔點，係高於被覆其的Ni被覆膜之熔點。例如，金屬粒子係以Ni為主成分並包含Cr(鉻)的Ni基合金，更佳為更包含B(硼)、Si(矽)、Mo(鉬)及Cu(銅)的Ni基合金。Ni基合金，較佳為包含5 質量%以上且15質量%以下的Cr，並包含30質量%以上且75質量%以下的Ni。
藉由對以往的熔射粉末原料實施熔點低於該原料的金屬鍍覆處理，使粉末表面容易熔融。藉由將該熔融粒子高速噴附於水管表面以使其積層，可使皮膜比以往的皮膜組織更緻密，而縮小氣孔率。又，成膜之皮膜組織的晶界，因為鍍覆處理，在垃圾焚化爐內的鍋爐環境中，耐腐蝕性優異的Ni的組成比率提高，故相較於以往的皮膜組織，具有防止皮膜內部沿著晶界被侵蝕的效果。藉由此等的改善，可形成氣孔率減少的高緻密性熔射皮膜，該氣孔率的減少，可提升抑制晶界被侵蝕的效果，其係作為熔射粉末材料之重要課題。
為了將熔射粉末材料高速噴附於母材表面以形成熔射皮膜，本實施形態中，藉由高速火焰(HVOF)熔射，以經實施Ni被覆處理的熔射粉末材料進行熔射，而形成皮膜。熔射皮膜越厚，該皮膜本身抗腐蝕薄化的壽命越長，但若過厚則裂開的風險上升，故其上限為1000μm。另一方面，若太薄則環境遮蔽功能降低，且抗腐蝕薄化的壽命變短，故較佳為100μm以上，更佳為200μm以上且1000μm以下。高速火焰熔射，係藉由提高熔射裝置內的燃燒室之壓力，產生相當於爆發燃燒焰的高速火焰，對於此燃燒焰噴射流的中心供給粉末材料，使其成為熔融或半熔融狀態，再以高速連續噴射粉末材料的熔射方法。
第一圖係顯示用以進行高速火焰熔射之熔射裝置的示意圖。如第一圖所示，燃料(例如，煤油)及氧係透過燃料注入口11及氧注入口12分別供給至熔射裝置的本體15內的燃燒室10。以火星塞13將燃料及氧所構成的混合物點燃，結果，所產生之燃燒氣體，在本體15的內部成為高速 氣體。經實施Ni被覆處理的粉末材料，從材料投入口14被供給至本體15內，而被加熱及加速。如此，高速的飛行粒子，即粉末材料，被噴附於母材表面，而在母材上形成熔射皮膜。因為從冷卻水注入口16注入冷卻水，並從冷卻水排出口17將其排出，故本體15的內部被冷卻。
本實施形態中，在熔射後不進行熔融處理。因此，無需使用電爐或高頻感應加熱，而可輕易地在現場進行補修施工。
藉由將本實施形態之熔射粉末材料與高速火焰熔射方法組合，可使熔射粉末原料形成更加緻密的熔射皮膜。第二圖顯示測定以往材料及新型材料之氣孔率的結果。第二A圖係顯示測定以往材料及新型材料之氣孔率的結果的圖，第二B圖係第二A圖的示意圖。第二B圖的上圖所示之黑點表示形成於熔射皮膜之氣孔。以往的熔射皮膜的氣孔率約6%左右，本實施形態之熔射皮膜的氣孔率則可降低至小於1%。將以光學顯微鏡觀察所得之影像進行二值化處理，並量測黑色區域在整體中所佔比例之面積，藉此可算出氣孔率。氣孔率降低係表示熔射皮膜的緻密性提升。又，高速火焰熔射皮膜，對於水管母材的融黏性亦優良，其形成盡可能減少晶界及晶界面的熔射皮膜，而作為因提高緻密性而對於耐腐蝕性有所貢獻的熔射皮膜，其係具有使用壽命比以往的熔射皮膜更長2倍以上之優異性能的熔射皮膜。
根據本實施形態，將具有特異性的熔射粉末材料與高速火焰熔射組合，且不依靠以往的熔融處理方法，可形成將施工過程極簡化且提高緻密性的具耐腐蝕性的熔射皮膜。又，本製程當然可在工廠施工，亦可在不需要以往施工期間及成本等特性的情況下，實際用於運轉中的設施。
[實施例1]現場暴露試驗
第三圖係顯示在實際氣體暴露試驗中進行施工的熔射水管面板的圖。第四圖係顯示實際氣體暴露試驗中的熔射皮膜測定結果的圖。第三圖的(1)與(2)所示之處，係作為比較例之以往材料所形成的熔射皮膜，第三圖的(3)與(4)所示之處，係本實施形態之新型材料所形成的熔射皮膜。作為以往材料，係使用Ni基合金(Ni-15Cr-4B-4Si-3Mo-3Cu)粉末。作為新型材料，係使用對於Ni基合金(Ni-15Cr-4B-4Si-3Mo-3Cu)進行Ni-P無電解鍍覆處理而成的粉末。作為熔射法，則是採用高速火焰熔射法。
在實際的鍋爐火爐內的水管上設置第三圖所示之熔射水管面板，對於(1)~(4)的熔射皮膜進行實際氣體暴露試驗並觀察5年之間的過程。如第四圖所示，從實際氣體暴露試驗中的熔射皮膜測定結果來看，新型材料的熔射皮膜，相較於以往材料，確保了2倍以上的殘留皮膜，可確認其耐腐蝕性、耐久性優異。
亦即，試驗開始時的新型材料之熔射皮膜的膜厚約400μm，從試驗開始後經過5年的時間點，新型材料的熔射皮膜的膜厚約310~340μm。相對於此，試驗開始時的以往材料之熔射皮膜的膜厚約420μm，從試驗開始後經過5年的時間點，以往材料的熔射皮膜的膜厚約150μm。如此，從第四圖可知，新型材料的熔射皮膜，相對於以往材料的熔射皮膜，具有優良的耐腐蝕性、耐久性。
[實施例2]高溫腐蝕試驗
依照JIS規格「JISZ2293」中的金屬材料的鹽浸漬，以及鹽没入高溫腐蝕試驗方法，在管狀爐中進行高溫腐蝕試驗。表1係顯示高溫腐蝕試驗之試 驗條件的表。
Figure 106138430-A0202-12-0014-1
根據表1所示之高溫腐蝕試驗條件，以使用第五圖所示之試驗裝置的高溫腐蝕試驗方法實施試驗。第五圖的試驗裝置的詳細如後所述。分別將以往材料及新型材料熔射於作為母材的S25C(碳鋼)的試片(20mm×20mm×10mm(厚度))，並以此作為試驗材料。對於S25C母材亦實施同樣的試驗，以作為比較對象。試驗溫度分別為300℃、345℃、400℃。該等的試驗溫度下，分別實施高溫腐蝕試驗300小時。此外，關於灰，係先使合成灰於高溫溶解後，再將其粉碎混合，以作為試驗灰。灰的熔點為350℃左右。
第五圖係顯示用以進行高溫腐蝕試驗的試驗裝置的圖。如第五圖所示，在電爐1內配置陶瓷板2，該陶瓷板2上配置坩堝3。以溶解鹽4填滿坩堝3，再使試片5沒入該溶解鹽4中。使氛圍氣體往第五圖的箭號方向流動。第五圖中的符號T，表示用以測定爐內氛圍溫度的熱電對，電爐1內的溫度係以此熱電對T所測定。符號TTP表示用以測定試片溫度的熱電對，試片5的溫度係以此熱電對TTP所測定。電爐1的中央部分設有用以控制電爐的熱電對TC。以電爐1的溫度差從電爐1之中心開始100mm的範圍內在±3℃以 內的方式，控制電爐1的溫度。試片5沒入其中的坩堝3，配置於從電爐1之中心開始100mm的範圍內。
高溫腐蝕試驗的試驗結果顯示於表2。如表2所示，300℃、345℃的條件中，任一材料皆無明顯變化。在400℃的條件中，以目視可確認顯著之差異，新型材料的腐蝕狀況最輕微。因此可確認，相較於以往材料的耐腐蝕性，新型材料的耐腐蝕性大幅提高。
Figure 106138430-A0202-12-0015-2
如表2所示，試片A明顯被腐蝕，因腐蝕導致母材露出。同樣地，試片C亦明顯被腐蝕。相對於此，試片B的腐蝕程度輕微，僅熔射皮膜的最表層被腐蝕。
第六圖係表示高溫腐蝕試驗之熔射皮膜薄化量的結果的圖表。第七A圖及第八A圖分別係顯示試片A及B的高溫腐蝕試驗的剖面觀察結果的圖。第七B圖係第七A圖的示意圖，第八B圖係第八A圖的示意圖。如第七圖(第七A圖及第七B圖)及第八圖(第八A圖及第八B圖)所示，可得知水管表面溫度為400℃的條件下的試片A(以往材料)，明顯地腐蝕至母材，試片B(新型材料)則僅腐蝕至熔射皮膜最表層即停止。第九A圖係顯示試片C之高溫腐蝕試驗的剖面觀察結果的圖，第九B圖係第九A圖的示意圖。如第九圖(第九A圖及第九B圖)所示，可得知水管表面溫度為400℃之條件下的試片 C(母材)明顯被腐蝕。
表3係表示熔射粉末材料的熔點的表。如表3所示，對於以往材料實施無電解Ni-P鍍覆處理的熔射粉末材料中，P(磷)的濃度較佳為5~10%，P的濃度再佳為8%。未實施無電解Ni-P鍍覆處理的以往材料之熔點為980℃以上，P的濃度為8%時，熔射粉末材料的熔點為890℃，P的濃度為10%時，熔射粉末材料的熔點為850℃，P的濃度為5%時，熔射粉末材料的熔點為950℃。若P(磷)的濃度過低，則熔點上升，導致熔射粉末材料的表面難以熔解，對於皮膜的緻密化有不良的影響。另一方面，P(磷)的濃度若太高則熔點下降，導致熔射粉末材料的表面過度熔化而發生噴液現象，皮膜容易產生缺陷。此處，噴液現象係指，過度熔融的熔射粉末材料堆積於熔射裝置(參照第一圖)的內壁，該堆積物從噴嘴脫落而混入皮膜的現象。
Figure 106138430-A0202-12-0016-3
第十圖係顯示以往材料的Ni濃度測定結果，第十一圖係顯示新型材料之Ni濃度的測定結果。第十A圖係顯示以往材料之Ni濃度測定結果的圖，第十B圖係第十A圖之主要部分的放大示意圖。第十一A圖係顯示新型材料之Ni濃度測定結果的圖，第十一B圖係第十一A圖之主要部分的擴大示意圖。第十B圖及第十一B圖中，以曲線描繪的白色區域表示金屬粒子(熔 射粒子)，晶界則存在於金屬粒子(熔射粒子)之間。從第十A圖可知，Ni濃度在晶粒內及晶界皆為60質量%左右。如第十B圖所示，晶界中，Ni(鎳)未濃化，而未形成晶界中的Ni的組織填充金屬粒子之間隙的態樣。另一方面，從第十一圖(第十一A圖及第十一B圖)可知，新型材料中晶粒內的Ni濃度為60質量%左右，晶界的Ni濃度在80質量%以上，Ni(鎳)經濃化的組織形成填入扁平狀金屬粒子之間隙的態樣。Ni經濃化的組織，係指Ni的濃度高於構成熔射皮膜的周圍的金屬粒子的組織，可得知較佳為Ni的濃度比金屬粒子高出10質量%以上的組織。又，亦可得知較佳為包含80質量%以上之Ni的組織。如此，根據新型材料，可得到具有Ni沿著構成皮膜之粒子間的晶界濃化之組織的緻密皮膜。
第十二圖及第十三圖係顯示測定溫度為400℃時的高溫腐蝕試驗後的皮膜組織的EPMA分析結果的圖。更具體而言，第十二A圖係顯示以往材料的EPMA分析結果的圖，第十二B圖係顯示第十二A圖之其他成分的影像(K、Na、Pb、Cl)的示意圖。第十三A圖係顯示新型材料之EPMA分析結果的圖，第十三B圖係顯示第十三A圖之其他成分之影像(K、Na、Pb、Cl)的示意圖。EPMA(Electron Probe Micro Analyzer)，係對於物質的表面照射電子束，量測從物質產生的特性X射線，以分析此物質之構成元素的裝置。藉由使用EPMA，可確認形成於母材表面之熔射皮膜的構成元素，再者，可分析熔射皮膜的構成元素的比率(濃度)。
第十二B圖及第十三B圖中，黑色區域表示其他成分的影像(K、Na、Pb、Cl)的各熔射皮膜的構成元素，與黑色區域鄰接的下側的區域則表示皮膜內部。第十二圖(第十二A圖及第十二B圖)與第十三圖(第十三A 圖及第十三B圖)中，若互相比較其他成分的影像(K、Na、Pb、Cl)，可得知使用以往材料的熔射皮膜中，腐蝕成分滲透至皮膜內部，另一方面，使用新型材料的熔射皮膜中，腐蝕成分未滲透至皮膜內部。如此，在模擬廢棄物焚化爐內的高溫腐蝕環境下，使用新型材料的熔射皮膜的耐腐蝕性，係大幅優於使用以往材料的熔射皮膜。
至此雖說明本發明之較佳實施形態，但本發明不限於上述的實施形態，在其技術思想範圍內可以各種不同的形態實施，此無須贅述。
產業上的利用可能性
本發明係關於延長一般廢棄物焚化爐鍋爐等之鍋爐水管(導熱管)的使用壽命。

Claims (10)

  1. 一種廢棄物焚化爐之鍋爐水管，其係基材表面被熔射皮膜所被覆之廢棄物焚化爐之鍋爐水管，其特徵為：該熔射皮膜具有以扁平狀的金屬粒子堆積所構成且Ni(鎳)經濃化而填充該金屬粒子之間隙的組織。
  2. 如申請專利範圍第1項之廢棄物焚化爐之鍋爐水管，其中該金屬粒子係以Ni(鎳)為主成分且包含Cr(鉻)、B(硼)、Si(矽)、Mo(鉬)及Cu(銅)的Ni(鎳)基合金。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之廢棄物焚化爐之鍋爐水管，其中該熔射皮膜的氣孔率小於1%。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之廢棄物焚化爐之鍋爐水管，其中該熔射皮膜的厚度為100μm以上、且1000μm以下。
  5. 一種廢棄物焚化爐之鍋爐水管的製造方法，其係以熔射對基材表面實施被覆工程的廢棄物焚化爐之鍋爐水管的製造方法，其特徵為：該熔射，係以對各金屬粒子之表面實施Ni(鎳)被覆處理而成的熔射粉末作為材料，該經Ni(鎳)被覆處理的金屬粒子的熔點高於被覆該金屬粒子的Ni(鎳)被覆膜的熔點。
  6. 如申請專利範圍第5項之廢棄物焚化爐之鍋爐水管的製造方法，其中該Ni(鎳)被覆處理為無電解Ni(鎳)-P(磷)鍍覆處理。
  7. 如申請專利範圍第6項之廢棄物焚化爐之鍋爐水管的製造方法，其中以該Ni(鎳)被覆處理所形成之Ni(鎳)被覆膜包含5~10質量%的P(磷)。
  8. 如申請專利範圍第6或7項之廢棄物焚化爐之鍋爐水管的製造方法， 其中該金屬粒子係以Ni(鎳)為主成分且包含Cr(鉻)、B(硼)、Si(矽)、Mo(鉬)及Cu(銅)的Ni(鎳)基合金。
  9. 如申請專利範圍第6或7項之廢棄物焚化爐之鍋爐水管的製造方法，其中該熔射為高速火焰熔射法。
  10. 如申請專利範圍第6或7項之廢棄物焚化爐之鍋爐水管的製造方法，其中，該製造方法係在該熔射後不進行熔融處理。
TW106138430A 2016-11-10 2017-11-07 廢棄物焚化爐之鍋爐水管及其製造方法 TWI749097B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016-219773 2016-11-10
JP2016219773A JP6802042B2 (ja) 2016-11-10 2016-11-10 廃棄物焼却炉のボイラ水管及びその製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201829807A TW201829807A (zh) 2018-08-16
TWI749097B true TWI749097B (zh) 2021-12-11

Family

ID=62110262

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW106138430A TWI749097B (zh) 2016-11-10 2017-11-07 廢棄物焚化爐之鍋爐水管及其製造方法

Country Status (4)

Country Link
JP (1) JP6802042B2 (zh)
CN (1) CN110062815B (zh)
TW (1) TWI749097B (zh)
WO (1) WO2018088251A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7044328B2 (ja) * 2018-06-01 2022-03-30 株式会社荏原製作所 Ｎｉ－Ｆｅ基合金粉末、及び当該Ｎｉ－Ｆｅ基合金粉末を用いる合金皮膜の製造方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008115443A (ja) * 2006-11-07 2008-05-22 Sumitomo Metal Mining Co Ltd 溶射用Ｎｉ基自溶合金粉末およびその製造方法と、該粉末を用いて得られる自溶合金溶射皮膜
CN103160827A (zh) * 2013-04-11 2013-06-19 中国船舶重工集团公司第七�三研究所 一种余热锅炉受热面高温复合耐磨涂层及其制作方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5956572A (ja) * 1982-09-27 1984-04-02 Mitsubishi Heavy Ind Ltd モリブデンによる表面処理方法
JPS5956572U (ja) * 1982-10-06 1984-04-13 日本電気株式会社 電流検出装置
JP2993773B2 (ja) * 1991-07-08 1999-12-27 川崎製鉄株式会社 電気めっきライン用コンダクタロ−ル及びその製造方法
JP5623702B2 (ja) * 2008-02-18 2014-11-12 東北発電工業株式会社 溶射用ワイヤ
CN101914766B (zh) * 2010-07-19 2011-11-09 华北电力大学 一种用于在锅炉管外表面制备耐高温氯腐蚀熔覆层的双粉芯丝

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008115443A (ja) * 2006-11-07 2008-05-22 Sumitomo Metal Mining Co Ltd 溶射用Ｎｉ基自溶合金粉末およびその製造方法と、該粉末を用いて得られる自溶合金溶射皮膜
CN103160827A (zh) * 2013-04-11 2013-06-19 中国船舶重工集团公司第七�三研究所 一种余热锅炉受热面高温复合耐磨涂层及其制作方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110062815B (zh) 2022-06-28
JP6802042B2 (ja) 2020-12-16
JP2018076564A (ja) 2018-05-17
WO2018088251A1 (ja) 2018-05-17
CN110062815A (zh) 2019-07-26
TW201829807A (zh) 2018-08-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20080011813A1 (en) Repair process for coated articles
US20100237134A1 (en) Repair process for coated articles
EP1881154B1 (en) Repair process for coated articles
CN106893965B (zh) Yag/8ysz双陶瓷层结构耐热涂层及等离子制备方法
Sidhu et al. Characterizations and hot corrosion resistance of Cr 3 C 2-NiCr coating on Ni-base superalloys in an aggressive environment
Ozgurluk Investigation of oxidation and hot corrosion behavior of molybdenum coatings produced by high-velocity oxy-fuel coating method
KR101681195B1 (ko) 자가치유능을 갖는 열차폐 코팅 시스템
US6503442B1 (en) Metal-zirconia composite coating with resistance to molten metals and high temperature corrosive gases
Dong et al. Enhancing the hot-corrosion resistance of atmospheric plasma sprayed Ni-based coatings by adding a deoxidizer
Tian et al. Mechanical performance of plasma-sprayed bulk-like NiCrMo coating with a novel shell-core-structured NiCr-Mo particle
TWI749097B (zh) 廢棄物焚化爐之鍋爐水管及其製造方法
RU2675005C1 (ru) Теплозащитное покрытие
US20110165334A1 (en) Coating material for metallic base material surface
Rakhadilov et al. Influence of Spraying Parameters on the Structure and Tribological Properties of Cr3C2‐NiCr Detonation Coatings
CN105765099B (zh) 用于热屏障的微开裂和耐腐蚀性的整体烧结方法
Singh Fabrication of High-Pressure Cold-Sprayed Coating on Ni-Based Superalloy for High-Temperature Corrosive Conditions
KR20210093176A (ko) 파이프 및 그 제조방법
JP4475998B2 (ja) 耐食性積層構造皮膜の形成方法および耐食性積層構造皮膜
Singh et al. Performance Analysis of Computer Controlled Thermal Spraying on Hot Corrosion Control of Boiler Tube Steels
Li et al. A Novel Bond Coat with Excellent Adhesive Strength Deposited by Plasma-Spraying of Mo-Clad Core-Shell-Structured Metal Powders
US10859267B2 (en) Oxidation resistant thermal barrier coating system for combustor panels
US20100288977A1 (en) Corrosion protection under influence of corrosive species
JP2015183194A (ja) 耐食性被膜の製造方法
Khantisopon et al. High Temperature Corrosion Resistant and Anti-slagging Coatings for Boilers: A Review
Mysore Sadashiva et al. Effect of thermal spray coating cermets on superalloy to combat hot corrosion