CFB锅炉水冷壁电弧喷涂工艺及耐磨材料的研究.docx
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CFB锅炉水冷壁电弧喷涂工艺及耐磨材料的研究
沈阳工业大学
硕士学位论文CFB锅炉水冷壁电弧喷涂工艺及耐磨材料的研究姓名：
张小辉
申请学位级别：
硕士专业：
材料加工工程指导教师：
李德元;赵宝珠
20061220
沈阳—[业大学硕士学位论文
摘要
循环流化床锅炉是近年来发展起来的一种高效、低污染的清洁燃烧技术锅炉，以其燃料适应性广、燃烧和脱硫效率高、负荷调节性能好、灰渣易于综合利用等优点，已成为首选的燃烧设备。
然而由于该炉型的水冷壁管工作在高温、固体物料冲蚀、烟气腐蚀的恶劣环境中，极易产生磨损和高温腐蚀，使管壁减薄甚至磨穿。
这不仅严重影响锅炉的安全运行，而且造成巨大的经济损失，已成为目前亟待解决的一个技术难题。
本论文针对循环流化床锅炉所普遍存在的水冷壁磨损问题，在深入了解循环流化床锅炉水冷壁的工况条件、影响因素和防治措施的基础上，详细阐述了循环流化床锅炉工作过程及水冷壁的磨损机理。
通过涂层结合强度试验、常温磨损试验和冲蚀试验，对循环流化床锅炉水冷壁电弧喷涂防磨技术进行了研究，分析了电弧喷涂工艺参数对涂层性能的影响规律，确定了电弧喷涂工艺参数最佳水平组合。
结果表明，影响涂层性能稳定性的工艺参数主要是电弧电流，其次是喷涂距离和雾化空气压力，电弧电压影响较小。
涂层结合强度随着电弧电流变大而增强，但电弧电流过大，涂层的耐磨损性能却有所下降。
电弧电流～定时，喷涂距离过大或过小都不利于涂层性能的稳定，且喷涂距离和雾化空气压力为反向组合时涂层性能稳定性最差。
此外，通过工程应用实例——沈阳皇姑热电厂YG．75／5．29．M5型循环流化床锅炉水冷壁电弧喷涂防磨工程，喷涂后锅炉运行情况表明，根据本论文试验所获得的电弧喷涂最佳工艺参数制备的涂层防磨效果良好，满足现场实际应用要求。
本论文的工作表明，具有最佳参数的电弧喷涂技术是一种有效控制循环流化床锅炉水冷壁磨损的手段。
关键词：
cFB锅炉，水冷壁，电弧喷涂，磨损
cFB锅炉水冷壁电弧喷涂工艺及耐磨材料的研究
ArcSprayingTcchnicsandWearResistantMaterials
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Abstract
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沈阳工业丈学硕士学位论文
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独创性说明
本人郑重声明：
所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
签名：
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关于论文使用授权的说明
本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：
学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
（保密的论文在解密后应遵循此规定）
签名：
玉立=缮导师签名：
堑鱼垒日期：
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1绪论
1．1本课题研究的目的和意义
能源与环境问题是当今社会发展的两大问题。
我国是煤炭生产大国，同时也是煤炭消费大国。
我国消耗的一次能源主要是原煤。
目前我国一次能源消耗中煤炭占75％，而且这种比例将在相当长的一段时期内不会有大的改变。
据分析，到本世纪中叶，我国的能源消耗总量将增长为现在的3倍，而其中煤的比重将不少于50％【l】。
可见，发展高效低污染的清洁燃烧技术，是当前亟待解决的问题。
循环流化床（cifculatingFluidizcdBed，简称cFB）燃烧技术就是近三十年来发展起来的一种高效、低污染的新型清洁煤燃烧技术，采用该燃烧技术的锅炉称为循环流化床锅炉（circlllatingFluidizedBedBoiler，简称cFB锅炉）。
因其具有煤种适应性广，能有效燃烧包括劣质煤和固体垃圾在内的许多低热值燃料；同时与其它类型的锅炉相比，还具有污染物控制成本低、负荷调节性能好、灰渣易于综合利用等优点∞】，钝够有效地缓解目前所面临的能源危机和环境问题，被广泛应用在电力、石油、化工以及垃圾处理等领域。
带来了巨大的经济、社会效益，并将为今后挖掘新能源做出巨大贡献，具有重要的研究和发展价值。
从我国现阶段国情来讲，环保呼声日益升高，一批二三十年前投产的中小机组由于自身设计制造水平的限制存在燃烧效率低、污染物排放超标等问题而面临关停的境地。
这些中小机组的关停将会造成以下三种不良影响：
（1）损失部分发电能力，加剧我国目前电力紧张的局面：
（2）使原来配备的未到使用寿命的汽轮发电机组及其辅助系统闲置甚至处理，造成经济损失；（3）使原生产人员面临失业的危险，给社会再就业系统增加压力。
而大规模应用循环流化床技术对这部分电厂进行改造不但可以解决上述问题，而且还能产生可观的社会效益、经济效益和环境效益，对于现阶段我国的国情具有现实意义。
随着循环流化床锅炉的广泛应用，该锅炉在运行过程中也暴露出一些问题。
主要表现在对辅助设备要求太高、磨损问题、结焦问题等，其中比较突出的是循环流化床锅炉的磨损，尤其是水冷壁管的磨损，影响了机组的正常运行。
如表1．I【4】所示，某420f，h
cFB锅炉水冷壁电弧喷涂工艺及耐磨材料的研究
循环流化床锅炉受热面（主要是水冷壁管）磨损所引发的事故远远高于其它部件所引起的事故。
正是因为循环流化床锅炉可以燃烧劣质燃料，其含灰量高、飞灰粒子大且循环燃烧，使得烟气中飞灰浓度很高且速度大，也就容易引起该炉型的水冷壁管（炉内受热面）的高温磨损问题。
该问题引起的停炉维修造成了巨大的经济损失。
据统计，一台75tm的锅炉，每小修一次需要停炉10～14天，每大修一次需要停炉20～30天。
每停炉一天，将少发电近30万度，若按每度电O．6元计算，将造成直接经济损失18万元／天，而由于
停电给工农业生产带来的间接损失往往比直接损失还要大几十倍。
因此，必须尽快寻找一种有效的耐磨、抗磨措施，以延长循环流化床锅炉水冷壁管的使用寿命，提高电厂的经济效益，维持工农业生产的正常运行。
表1．1某420t／h循环流化床锅炉事故率统计
Tab．1．1Accidemratiostatist．csofa420￡mCFBbo；ler
1．2CFB锅炉简介
1．2．1cFB锅炉的发展CFB燃烧技术是近三十年来发展起来的一种高效、低污染的新型清洁煤燃烧技术，
经过30多年的飞速发展，其应用由小型工业锅炉发展到容量与煤粉炉大体相当的大型
电站锅炉，最大容量已达300MWe。
流态化技术的发展可追溯到上世纪20年代，最初来源于化工生产中的流态化反应器，德国人温克勒（Frizwinl【ler）于1921年12月发明了第一台流化床。
从上个世纪
60年代末开始，燃煤的鼓泡流化床锅炉取得长足发展。
70年代后，在鼓泡流化床基础上发展起来的循环流化床锅炉异军突起，以最经济的方式解决了能源供应和环境保护两大难题，倍受世人关注。
1979年芬兰奥斯龙公司（AjlIs打om，现已被美国福斯特·惠勒公司并购）研制开发出世界首台20t，11循环流化床锅炉投入商业运行。
随后，德国、美
国、日本等国也相继开展了循环流化床锅炉的研究。
1982年德国鲁奇（Lllr西）公司开
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发的世界上首台用于产汽与供热的50恤循环流化床锅炉建成投运。
目前，产品正向大容量、高参数的方向发展，世界上容量为100Mwe～250Mwe的循环流化床电站锅炉已有数百台投入运行，现已运行的最大容量为300MWe，位于美国佛罗里达的JEA电站【5】。
我国对流化床研究开展的较早。
自1964年以来，燃用劣质燃料的鼓泡床技术就有相当的发展。
在循环流化床锅炉的研究开发方面，虽然起步较晚，但发展非常迅速，各锅炉制造厂家与中科院工程热物理所、清华大学、浙江大学、华中科技大学、西安交通大学和西安热工研究院等各科研院校配合，从国内第一台试验型2．8Mwe循环流化床锅炉于1984年建成至今，先后开发出lOt／h、20讹、35讹、65仇、75t，ll、130妇、220讹f6】、
410恤川、“otm【81等中小型锅炉，并已有近3000台各种参数的锅炉投入商业运行。
目前，l024讹和300Mwe亚临界循环流化床锅炉正在安装和调试。
循环流化床锅炉的投入运行，取得了显著的经济效益和社会效益。
三十多年来，循环流化床锅炉发展迅猛，有专家预测，二十一世纪将是循环流化床锅炉的兴盛期翻。
1．2．2cFB锅炉的技术特点CFB锅炉这种特殊的燃烧方式，使其具有许多传统锅炉所没有的特点【2翔：
（1）燃料适应性广：
由于床内存在大量的热物料，其热容量大，不仅可以使常规
煤粉炉燃料稳定燃烧，达到很高的燃烧效率，而且可以适应许多高灰分，高水分、低热值、低灰熔点的煤粉炉燃烧不了的劣质燃料，如高灰煤、高硫煤，以及油页岩、垃圾等。
所以循环流化床燃烧技术近年来还在垃圾焚烧、生物质燃料等方面得到大量应用睁¨l。
（2）燃烧效率高：
由于大量的物料颗粒循环及其本身存在的成团泛混现象，使颗粒在燃烧室内停留时间较长，较大的颗粒也能完全燃烧。
常规工业锅炉与流化床锅炉燃烧效率为85％～90％，循环流化床锅炉采用了物料循环燃烧技术，其锅炉效率可达95％～
99％，能与煤粉炉相媲美。
（3）低运行成本的脱硫方式：
煤粉炉炉内喷钙典型的脱硫效率一般为50％，而在
循环流化床锅炉运行过程中，直接向床内加入石灰石，在适当的C“S比（1．5～2）和石灰石粒度下，可获得80％～90％的脱硫效率f12】。
（4）污染物排放量低：
流化床燃烧是低温燃烧，所以燃烧产生的No）（远远低于煤
粉炉。
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（5）燃烧强度高，传热能力强：
循环流化床锅炉的截面热负荷可达3～6Mw，m3，炉膛容积热负荷为1．5～2MW，m3，是煤粉炉燃烧强度的8～11倍。
循环流化床锅炉内的传热、传质和返混过程十分强烈，炉内气固两相混合物对水冷壁受热面的传热系数为
50～450W／（m2．K），比煤粉炉的传热系数大得多【131。
（6）燃料预处理系统简单：
煤粉炉所用的煤粉粒度以20～50呻居多114l，而循环
流化床锅炉的给煤粒度一般s8姗。
因此，燃料的制备破碎系统大为简化。
（7）负荷调节性能好，调节范围大、速度快：
当负荷变化时，只需调节给煤量、空气量和物料循环量，不必像鼓泡流化床锅炉那样采用分床压火技术。
正是由于床内存在大量的高温循环物料，使低负荷下燃烧仍能保持稳定，所以负荷调节性能好，调节比大，可在100％～20％范围内稳定燃烧【15l。
（8）综合利用效果好：
由于燃烧温度低，灰渣不会软化和黏结，燃料的腐蚀作用比常规锅炉小。
脱硫后的灰渣含有大量的生石灰，具有一定的自硬特性，所以其灰渣可以用作制造水泥的掺混料和其它建筑材料的原料【l“。
1．3磨损理论
零件的失效类型主要有四种：
变形、断裂、腐蚀和磨损，其中磨损是机器中最常见一种类型，也是最大量的一种失效方式。
只要两个相互接触或相对运动的表面都不免会发生摩擦，有磨擦就会有磨损发生。
据不完全统计，能源的l／3到1／2消耗于摩擦与磨损；约80％的机器零件失效是由于磨损引起的。
从一个国家的整个国民经济来看，由摩擦磨损所造成的经济损失之巨大是惊人的：
H．P．Jost1966年向英国政府提出的调查报告认为，因没有利用已有的摩擦学知识，英国每年约损失5．15亿英镑，约占当时英国国民经济总产值的1％；美国1975年估计每年损失为l000亿美元之巨；苏联机械制造业每年约损失100～120亿卢布【17l：
联邦德国在1974年钢铁工业中约有30亿马克花费在维修上，其中由于磨损造成的直接损失占47％，停机修理所造成的损失与磨损直接造成的损失相当，如果再加上后续工序的影响，其经济损失还需加上lO％～20％【13l。
虽然人们很早就意识到磨损的严重性，但对磨损理论的研究却开展得较晚，直到目前磨损的机理还不十分清楚，也没有一条简明的定量定律。
而且由于材料磨损问题的复杂性，很难给磨损下一个确切的定义。
目前，国内研究者普遍认为“磨损是由于机械作
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用，间或伴有化学或（和）电的作用，物体作用材料表面在相对运动中不断损耗的现象”
【19捌。
磨损过程的复杂性也使人们对材料磨损的分类观点很不一致，最常见的磨损分类方法是按机理来分类，一般可分为：
粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、微动磨损、冲击磨损。
前四种的磨损机理是各不相同的，但后三种磨损机理常与前四种有类似之处或为前四种机理中几种机理的复合。
如冲蚀磨损有时也称作磨蚀，它不是一种独立的磨损机制，一般认为是磨粒磨损与形变两种机制共同作用的结果；冲蚀磨损与冲击磨损的不同之处在于：
前者是小的固体颗粒对表面冲击所造成的损伤，而后者是两个固体表面相对冲击时发生的：
微动磨损常包含粘着、磨料、腐蚀及疲劳等四种或其中的三种综合而成【17捌。
应该指出，在实际工况下材料的磨损往往不只是一种机理在起作用，而是几种机理同时存在，这是研究人员和工程技术人员必须引起注意的问题。
CFB锅炉磨损问题所涉及的磨损方式主要是在腐蚀环境下的磨料磨损和冲蚀磨损，因此，有必要对以下三种磨损类型做比较详细的探究。
1．3．1磨料磨损
欧洲经济发展与合作组织（OECD）编写的摩擦学术语词汇中，对磨料（磨粒）磨损所下的定义是：
“由于硬颗粒或硬微突体的作用而造成物料转移所致的磨损”。
磨料磨损的分类是比较繁多的。
美国矿业系统早年根据艾弗莱（Avery）提出的矿山机械受力特点将磨料磨损分为凿削式磨料磨损、高应力研磨式磨料磨损及低应力划伤式磨料磨损等三种。
研究者对磨料磨损的机理也还有～些争论【20，231，但磨料磨损的机理主要包括以下几种理论：
（1）微观切削磨损机理：
磨粒作用在零件材料表面上的力，可分为法向力和切向力。
法向力使磨粒压入表面，在表面上形成压痕：
切向力使磨粒向前推进，当磨粒的形状与位向适当时，磨粒就像刀具一样，对表面进行切削，而形成切屑。
（2）多次塑变（犁皱或微观压入）导致断裂的磨损机理：
犁沟或犁皱后堆积在两旁和前缘的材料以及沟槽中的材料，当受到随后的磨料作用时，可能把堆积起的材料重新压平，也可能使已变形的沟底材料遭受到再一次的犁皱变形，如此反复塑变，导致材料的加工硬化或其它强化作用，终于剥落而成为磨屑。
cFB锅炉水冷壁电弧喷涂-J二艺及耐磨材料的研究
（3）微观断裂（剥落）磨损机理：
对脆性材料，断裂机理可能占支配的地位。
当断裂发生时，压痕四周外围的材料都要被磨损剥落，因此，磨损量通常较大。
（4）疲劳磨损机理：
由于表层微观组织受周期载荷作用而产生的，标准的疲劳过程常有潜伏期．在此期河材料外部发生硬化但不出现任何微观破坏，当进一步发展时，在材料表层出现硬化的滑移塑变层和裂纹。
1．3．2冲蚀磨损
（1）冲蚀磨损理论冲蚀磨损主要是指流体或固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造
成的磨损【18洲。
根据颗粒及其携带的介质的不同，冲蚀磨损又可分为气固冲蚀磨损、流体冲蚀磨损、液滴冲蚀和气蚀等。
在自然界和工矿生产中，存在着大量的冲蚀磨损现象。
对锅炉管道的失效分析表明，在所有发生事故的管道中，约有1／3是由于冲蚀磨损造成的。
对于冲蚀磨损的研究，早在40年代就开始了，然而关于冲蚀磨损理论的研究，则是近二十几年才发展起来的。
许多研究者提出了冲蚀磨损的理论和模型，其中影响较大的有微切削磨损模型理论、挤压锻造成片磨损模型理论、变形磨损模型理论、磨损脱层模型理论等。
1）微切削模型理论是I．Finllie最早研究塑性变形引起冲蚀时提出的理论，是研究较小冲击角下冲蚀磨损的第一个较完整地定量表达冲蚀率和冲击角关系的理论。
该理论告诉我们，在颗粒冲击金属表面造成冲蚀的过程中，冲击角是一个十分重要的参数，冲蚀磨损的体积随冲击角的变化呈现两种规律：
当冲击角小于某一临界值时，冲蚀体积随冲击角的增加而明显增大，但是，当冲击角大于临界值后，冲蚀体积随冲蚀角的增加而逐渐降低。
该理论在解释较小冲击角下塑性金属材料受颗粒冲蚀时是较成功的，但是用它来解释较大冲击角下金属材料的磨损时却还存在不少缺点。
2）挤压锻造成片磨损模型理论是A．V．Levy等人研究塑性材料高冲击角冲蚀时提出的理论。
冲击粒子对靶材施加挤压力，使靶材表面出现凹坑及凸起的唇片，随后的粒子再对唇片进行锻打，靶材在经历严重变形后呈片屑从表面流失。
材料的冲蚀率决定于畸变层性质。
该模型可以很好地解释微切削理论所无法解释的现象：
①冲蚀切削造成表面加工硬化；②硬度低而塑性好的材料冲蚀抗力更强。
6
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3）变形磨损模型理论是J．G．Abiner对冲蚀磨损中颗粒冲入和被挤出两个阶段的能力分析时提出的理论，该理论的主要出发点是冲蚀过程中的能量平衡。
该理论把颗粒冲
击磨损的方式分为两种，即切削磨损和变形磨损，理想的塑性材料主要表现为切削磨损，理想的脆性材料主要表现为变形磨损。
前者磨损量将随冲击角增大而减小，后者随冲击角增大而增大。
一般金属材料则是这两种磨损的综合和叠加。
4）磨损脱层模型理论是N．P．Sllll就金属滑动磨损中的微裂纹形核研究时提出的理论。
该理论对亚表面的破坏力学有了较完整的描述。
脆性材料的磨损过程是先在冲蚀坑附近产生一定的弹塑性变形。
然后引起表面裂纹的形核及扩展。
表面裂纹分为径向、横向和锥状三种，其中径向裂纹的扩展长度与靶材的性质和冲蚀压力有关。
（2）冲蚀磨损的影响因素冲蚀磨损的影响因素大致可分为以下几个方面：
1）磨粒的影响
①磨粒硬度：
一般认为冲蚀磨损量是磨粒硬度的函数。
用尺寸为125～150叫l冲蚀速度为130IIl／s的磨粒，冲蚀11％Cr钢靶材得到冲蚀磨损量与磨粒硬度之间的关系式：
￡=K．H23（1．1）
②磨粒形状：
尖角形的磨粒比圆球形磨粒在同样条件下产生更大的冲蚀磨损。
③磨粒尺寸：
冲蚀磨损受颗粒尺寸的影响很大，I．FinIlie和G．L．sheldon发现，对玻璃和高硬度的工具钢，当用较大的颗粒120～500目sic进行冲击时，显
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