表面工程课程设计.docx

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表面工程课程设计

循环流化床锅炉受热面管耐高温磨蚀涂层设计

第一章零件的选择

1.1零件的名称

循环流化床锅炉受热面管

图1零件实物图

1.2零件尺寸

管外径D=40mm；

厚度d1=4mm;

长度L=1.2m;

管最小间距d2=30mm。

零件尺寸图见图2

第二章零件的服役条件、性能及技术要求

2.1流化床锅炉简介

固体粒子经与气体或液体接触而转变为类似流体状态的过程，称为流化过程。

流化过程用于燃料燃烧，即为流化燃烧，其锅炉称为流化床锅炉。

对比与旧式锅炉，其具有以下优点：

（l）燃料适应性广：

循环流化床锅炉既可燃用优质煤，也可燃用各种劣质燃料，如高灰煤、高硫煤，以及油页岩、垃圾等。

（2）燃烧效率高：

在燃烧优质煤时，燃烧效率与煤粉锅炉持平；燃烧劣质煤时，燃烧效率约比煤粉锅炉高5%。

（3）高效脱硫：

煤粉炉典型的脱硫效率一般为50%；而循环流化床锅炉的脱硫效率通常可达90%。

（4）污染物排放低：

煤粉炉氮的氧化物排放量为循环流化床锅炉2~12倍。

（5）燃烧强度高：

约为煤粉炉燃烧强度的10倍。

（6）燃料预处理系统简单：

煤粉炉所用的煤粉粒度以20~50μm居多，而循环流化床锅炉的给煤粒度一般小于8mm，因此，燃料的制备破碎系统大为简化。

2.2零件服役条件

循环流化床锅炉的受热面管的工况条件恶劣,普通大气环境下以及固体物料冲蚀、烟气腐蚀的恶劣环境中高温作业，其燃烧的煤多为低热值劣质煤（煤矸石、泥煤等）、固体物料（包括燃料、脱硫剂石灰石、床料等）。

2.3性能要求

2.3.1零件性能要求

（1）要求零件在静态650℃空气气氛中具有抗高温氧化和耐热腐蚀性能。

（2）要求零件整体耐磨性提高，使零件在固体物料冲蚀、烟气腐蚀的恶劣环境中得到寿命提高。

（3）要求零件有较高的耐火性，较少的受烟灰影响，从而燃料适应性以及燃烧效率。

2.3.2涂层性能要求

为提高受热面管的综合性能，满足其工况要求和使用要求，高温耐磨蚀涂层材料必须具备以下性能：

（1）良好的导热性能，以避免降低锅炉的热效率；

（2）热膨胀系数要与基材的相近，以避免涂层脱落；

（3）耐高温腐蚀，即对高温氧化、硫化、氯化和碱金属盐类的热腐蚀具有较高的腐蚀抗力；

（4）耐高温磨损，即涂层在高温环境下仍要保持高的耐磨性能；

（5）涂层有低的孔隙率、高的致密度；

（6）工艺操作性好，喷涂设备简单，技术操作简便，便于在锅炉现场进行大面积喷涂；

（7）成本低、经济性好，以满足大范围、大面积喷涂及在国内推广使用的要求。

2.4技术要求

循环流化锅炉受热面管涂层整体设计要求为高温条件下耐磨损耐腐蚀。

根据国家标准《DL/T1600-2016循环流化床锅炉燃烧系统技术条件》以及《DL/T964-2005循环流化床锅炉性能试验规程》，涂层厚度应在2mm以上，其涂层结合强度≥40Mpa，其涂层显微硬度≥1200HV。

第三章表面处理技术的选择

本设计从热喷涂技术着手，热喷涂技术在国家标准GB/T18719-2002《热喷涂术语、分类》中定义:

热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。

热喷涂技术在普通材料的表面上，制造一个特殊的工作表面，使其达到:

防腐、耐磨、减摩、抗高温、抗氧化、隔热、绝缘、导电、防微波辐射等一系多种功能，使其达到节约材料，节约能源的目的，我们把特殊的工作表面叫涂层，把制造涂层的工作方法叫热喷涂。

一般认为,热喷涂过程经历4个阶段,即喷涂材料加热熔化阶段、熔滴雾化阶段、雾化颗粒飞行阶段和喷涂层形成阶段。

热喷涂技术是表面过程技术的重要组成部分之一，约占表面工程技术的三分之一。

本次课程设计采用的是热喷涂中电弧喷涂Fe/B——Fe粉芯线材作为表面处理方法，然后以电镀锌以及手工涂装刷涂易斯柏生产的GK23耐热高聚合抗氧化防腐蚀漆处理作为对比，进一步说明采用热喷涂的优势。

3.1电弧喷涂

电弧喷涂是高效率、高质量、低成本的一项工艺，是目前热喷涂技术中最受重视的技术之一。

电弧喷涂是将两根被喷涂的金属丝作为自耗性电极，分别接通电源的正负端,在喷枪喷嘴处，利用两金属丝短接瞬间产生的电弧为热源熔化自身，借助压缩空气雾化熔滴并使之加速，喷射到基体材料表面形成涂层。

利用电弧喷涂在钢铁构件上喷涂锌、铝涂层，可对钢构件进行长效防腐防护。

电弧喷涂作为一种优质的修复技术，在机械零件上喷涂碳钢、铬钢、青铜、巴氏合金等材料，用于修复已磨损或尺寸超差的部位，已在机械维修和机械制造业得以应用。

3.1.1电弧喷涂的优点

电弧喷涂Fe/B——Fe粉芯线材具有如下优点：

（1）效率高、对工件的热影响小。

电弧喷涂将电能直接转化为热能熔化金属，热能利用率可高达60%~70%。

电弧喷涂时不形成火焰，因而在喷涂过程中工件始终处于低温（不超过200℃），避免了工件热变形；

（2）可获得优异的涂层性能。

电弧喷涂得到的涂层可以得到较高的结合强度，大于40Mpa。

使用2根成分不同的金属丝还可以制备出表面合金化涂层，可以获得具有独特综合性能的涂层，该涂层可获得在650oC以上高温条件下耐磨损耐腐蚀的优异性能。

（3）经济性好。

电弧喷涂能源利用率高,而且电能的价格远远低于燃气价格，施工成本低。

3.1.2电弧喷涂的缺点

需要特定的金属丝，因此想要获得性能优异的涂层，对金属丝要求较高。

3.2电镀锌

电镀锌又称冷镀锌，就是利用电解，在制件表面形成均匀、致密、结合良好的金属或合金沉积层的过程。

与其他金属相比，锌是相对便宜而又易镀覆的一种金属，属低值防蚀电镀层，被广泛用于保护钢铁件，特别是防止大气腐蚀，并用于装饰。

其工艺流程为：

化学除油→热水洗→冷水洗→电解除油→热水洗→冷水洗→强腐蚀→水洗→电镀锌铁合金→水洗→出光→钝化→水洗→干燥。

其溶液配方如下表（表1）

表1酸性氯化物镀锌配方

组分及条件

Zn

NH4Cl

载体光亮剂

主光亮剂

PH值

电流密度（A/dm3）

温度/oC

含量

25

150

4%

0.25%

4.5

2.5

20

3.2.1电镀锌优点

（1）抗腐蚀性好，结合细致均匀，不易被腐蚀性气体或液体进入内部。

（2）由于锌层比较纯，无论在酸或碱性环境下都不易被腐蚀。

长时间有效的保护钢体。

（3）经过铬酸钝化后形成各种颜色使用，可根据客户喜爱挑选，镀锌美观大方，具有装饰性。

（4）锌镀层具有良好的延展性，在进行各种折弯，搬运撞击等都不会轻易掉落。

3.2.2电镀锌缺点

（1）必须采用阴极移动。

移动太快，高电流密度区镀层粗糙；太慢，可能产生气流，局部无镀层。

（2）受温度的影响较大。

温度太高，分散能力下降，镀层中铁含量高，耐蚀性降低，钝化膜颜色不均匀，发花；温度太低，高电流密度区烧焦，镀层脆性大，沉积速度慢。

3.3手工涂装

刷涂是一种使用最早和最简单的涂装方法，适用涂料的品种多。

其操作是手工用毛刷蘸上或由供给泵供给涂料，按照一定操作方法，将涂料刷涂在工件表面上，经干燥形成涂层。

3.3.1手工涂装的优点

（1）工具简单，施工简便，易于掌握，灵活性强，适用性强，节省涂料;对于边角、沟槽、及其设备底座等特殊位置和狭窄区域，其他施工方式难以涂装的部位，常采用手工刷涂方法施工。

（2）涂料干燥后形成的涂层适用在长期600oC高温腐蚀环境条件下对钢铁等金属基体的防护；经涂覆2~3次后，涂层厚度可达200μm~300μm，具有了高效抗氧化性能。

3.3.2手工涂装的缺点

（1）手工操作，生产效率低，劳动强度大，难控制涂层平均厚度。

（2）对于干性较快的和流平性较差的涂料，刷涂容易留下刷痕，形成涂层不均匀的现象，影响涂膜的平整度和装饰效果。

3.4三种处理技术的对比与选择

（1）从温度范围来讲，电镀锌涂层分解温度在400oC左右，而电弧喷涂Fe/B——Fe粉芯线材和手工涂装的涂层其分解温度都在600oC以上甚至更高。

（2）从实际操作来讲，电镀锌以及手工涂装两者操作不简便，电镀锌操作时受温度条件制约，手工涂装劳动强度太大，而电弧喷涂设备灵活，易于操作，不受温度等条件制约。

（3）从涂层性能、喷涂设备价格、喷涂材料成本和工艺的现场操作性等各方面综合考虑，电弧喷涂成本低，涂层具有优异的耐高温腐蚀磨损性能，能够有效地延长循环流化床锅炉受热面的使用寿命。

综上所述，本表面工程课程设计选用电弧喷涂Fe/B——Fe粉芯线材做为表面处理技术处理所选择的零件，其所需要的工艺参数见表2。

表2电弧喷涂工艺参数

空载电压

工作电压

工作电流

空气压力

喷涂距离

喷枪移动速度

涂层厚度

36V

35V

270A

0.6MPa

80mm

6cm/s

3mm

第四章零件表面处理的工艺路线

4.1用材选择

4.1.1零件基材选择

根据需要，基材选择Q235B无缝钢管。

其化学成分根据国标GB700-88，如表3。

表3Q235B无缝钢管化学成分

元素成分

含量

C

Si

Mn

S

P

Cr

Ni

Cu

≤0.12%~0.20%

≤0.3%

≤0.3%~0.7%

≤0.045%

≤0.045%

允许残余含量≤0.30%

允许残余含量≤0.30%

允许残余含量≤0.30%

Q235B钢管是以带钢卷板为原材料,经常温挤压成型,以自动双丝双面埋弧焊工艺焊接而成的钢管。

Q235B钢属于普通碳素结构钢，与优质碳素钢的主要区别在于对碳含量及性能范围要求，以及对硫、磷等残余元素的限制较宽，一般在热轧状态下使用。

Q235B钢含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛。

常用Q235B钢轧制成盘条或圆钢、方钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢、窗框钢等型钢，中厚钢板，大量用于建筑及工程结构。

Q235B用于制作钢筋或建造厂房房架、高压输电铁塔、桥梁、车辆、锅炉及其零件管、容器、船舶等，在一般机械制造中用作拉杆、吊钩、螺栓、连杆、心轴、销子及零件和焊接件。

4.1.2电弧喷涂设备

电弧喷涂设备：

CMD-AS1620型电弧喷涂设备（见图3）。

其工艺参数如表4所示

表4CMD-AS1620型电弧喷涂设备工艺参数

名称

参数

功率

输入电压

12KVA

AC380V（三相）

输出电压

DC27-38V

输出电流

0-300A

送丝速度

4-8m/min

空气压力

0.5-0.7MPa

空气流量

1.6-2.0m3/min

丝材直径

Φ1.6-2.0mm

喷涂生产率

25Kg/h（锌）

主机柜尺寸

780×560×500（mm）

送丝机尺寸

445×290×250（mm）

主机柜重量

190Kg

送丝机重量

30Kg

喷枪重量

1Kg

CMD-AS1620型电弧喷涂机可喷涂Φ1.6-2.0（mm）的丝材，可以喷锌、喷铝、喷不锈钢、喷硬铬、喷钼、喷铜、喷镍，喷镍铬合金等。

即适合于做大面积防腐工程、也适合机械零部件恢复尺寸和修复、快速喷制各种模具、耐磨涂层、及制作装饰涂层等。

图3CMD-AS1620型电弧喷涂机

其具有以下优点：

（1）不提高工件温度、不使用贵重底层材料的情况下，可以达到很高的结合强度，一般可以达到20Mpa以上。

其结合强度是火焰喷涂层的2.5~5倍。

（2）生产率高。

以喷锌为例，当电流为200A时，每小时可达25Kg，比线材火焰喷涂提高4~6倍。

（3）设备能源利用率非常高，一般可达57%，节能效果十分突出。

一般线材火焰喷涂的能源利用率只有13%，而且该设备不使用氧、乙炔气，能源费用可降低50%以上。

（4）该设备投资少，收益快，喷涂成本低。

设备投资仅为等离子喷涂设备的四分之一，总喷涂成本仅为线