在鍋爐管外表面形成熔覆層的雙粉芯絲及其製備方法

2023-11-11 08:02:32

專利名稱：在鍋爐管外表面形成熔覆層的雙粉芯絲及其製備方法
技術領域：
本發明屬於表面工程技術領域，特別是提供了一種在鍋爐管外表面形成金屬陶瓷 熔覆層的雙粉芯絲及其製備方法。
背景技術：
在燃煤火力發電廠中，鍋爐四管(即水冷壁管、過熱器管、再熱器管、省煤器管)的 磨損與腐蝕是長期困擾發電行業安全經濟運行的重要問題。據統計，由於鍋爐四管爆裂 引起的非計劃停運事故佔火電廠全部非計劃停運事故的60%左右。
在各種燃煤鍋爐中，循環流化床鍋爐水冷壁管的磨損問題尤為突出。循環流化床 鍋爐爐內受熱面包括膜式水冷壁、雙面水冷壁以及全分隔牆水冷壁等，其磨損是目前 鍋爐運行中普遍存在的問題。當流化床鍋爐燃用劣質煤(煤矸石摻燒比例大、灰分高) .時，水冷壁管的磨損問題更加突出，鍋爐頻繁爆管，給電廠帶來了巨大的經濟損失。 循環流化床鍋爐水冷壁管的磨損主要集中在爐膛下部衛燃帶與水冷壁管過渡區域、爐 膛四周角落等區域和不規則區域。爐膛下部衛燃帶與水冷壁管過渡區域管壁的磨損原
因為(1)沿爐膛內壁面下流的固體物料在交界區域產生流動方向的改變，因而對水
冷壁管產生衝刷磨損；在過渡區域內由於沿壁面下流的固體物料與爐內向上運動
的固體物料運動方向相反，在局部產生渦旋流，對水冷壁管產生磨損。爐膛四周角落
區域管壁的磨損原因為角落區域內壁面向下流動的固體物料密度比較高，同時流動 狀態也受到破壞。不規則區域管壁(如溫度計、差壓計等處穿牆管等)磨損的主要原 因為不規則管壁對局部流動特性造成較大的擾動。 現有燃煤鍋爐水冷壁管防磨的主要技術包括
(1) 採用熱噴塗技術(主要為電弧噴塗技術)在管壁受熱面噴塗耐磨塗層
(2) 採用主動多階式防磨梁防磨技術，該技術從主動降低貼壁流的灰濃度與速度 .著手，控制導致磨損產生的因素；
(3) 增加防磨帶的高度、降低流化速度。 上述技術雖然部分解決了水冷壁管的磨損問題，但仍具有一定的局限性。 釆用熱噴塗技術製備耐磨塗層的周限性包括(1)為避免塗層褶皺翹起，塗層厚度
一般為300-500um;塗層與基體為機械結合，結合強度僅20-4簡Pa，塗層在顆粒衝刷 及熱應力作用下易疲勞失效而剝落，上述原因導致塗層防磨周期較短；(2)對於局部 磨損嚴重區域，塗層的防磨效果不明顯；(3)電弧噴塗技術常採用由合金外皮包裹含 陶瓷粉末的粉芯絲，粉芯絲的含粉量一般《40wtJ，這就使得塗層中陶瓷相含量受到 限制，從而使塗層硬度和耐磨性等指標難以達到最佳值。
加裝防磨梁防磨技術雖然可減輕水冷壁管的磨損速率，但可能會引起爐膛排煙溫 度升高等問題。而採用增加防磨帶高度的方法時，會導致磨損的區域向上轉移甚至擴 大，而且澆注料上移過多後減少了水冷壁蒸發受熱面積，給水冷壁布置帶來困難。
綜上，現有的鍋爐管防磨技術仍存在局限性，還不能滿足鍋爐管長壽命可靠工作的要求。

發明內容
本發明的目的在於提供一種在鍋爐管外表面形成金屬陶瓷熔覆層的雙粉芯絲及其 製備方法。利用等離子弧、氬弧熔覆法，在鍋爐管外表面同時熔覆粉芯絲A和粉芯絲B， '可形成厚度大於500wm的高耐磨損金屬陶瓷熔覆層，熔覆層與基體達到冶金結合。本 發明突破了現有熱噴塗技術製備的塗層所存在的塗層與基體結合強度低(機械結合)、 塗層厚度一般小於500 u m等局限性。
本發明所述的雙粉芯絲由粉芯絲A、粉芯絲B組成，利用等離子弧、氬弧熔覆法， 在鍋爐管外表面同時熔覆具有不同送絲速度的粉芯絲A和粉芯絲B，在基體表面形成由 TiCx(x在0.8-1範圍)、CrB、 CrB2陶瓷相增強的高耐磨損金屬陶瓷熔覆層，熔覆層與 基體達到冶金結合；其中，粉芯絲A用於形成TiC,陶瓷相，粉芯絲B用於形成CrB、 OB2陶瓷相和粘結相；由於實施熔覆工藝時可獨立調節粉芯絲A、粉芯絲B的送絲速度， 從而使熔覆層中陶瓷相體積分數可控，熔覆層中陶瓷相體積分數可達60-85%，熔覆層 的硬度可達900-1400HV，熔覆層厚度可達600-1500 u m，熔覆層的最高工作溫度達1000 。C。
粉芯絲A所用粉末材料的質量百分數為Mo粉(粒度200-400目、純度》99.Wo): '8-10wtJ,石墨C粉(粒度200-400目、純度》99.9%):餘量；添加Mo的目的是改善 熔覆層中陶瓷相與粘結相的潤溼性。
粉芯絲B所用粉末材料的質量百分數為Ni粉(粒度200-400目、純度》99.990: 10-15wt. %, Cr粉(粒度200-400目、純度>99. 9%) : 10-15wt. °/。， CrB2粉(粒度200-400 目、純度>99.9%)餘量。
本發明所述熔覆層的製備方法是，利用等離子弧、氬弧同時熔覆可具有不同送絲 速度的粉芯絲A、粉芯絲B，從而形成金屬陶瓷熔覆層。製備粉芯絲A、粉芯絲B的具 體步驟包括
1、 粉芯絲A、粉芯絲B所用粉末材料的配比
粉芯絲A、粉芯絲B所用粉末材料分別由下列各種粉芯原料混合而成，分別如下
(1) 粉芯絲A所用的粉末材料 粉芯絲A所用粉末材料的質量百分數為Mo粉8-10wtJ，石墨C粉:餘量，稱作
粉芯原料1;
(2) 粉芯絲B所用的粉末材料
粉芯絲B所用粉末材料的質量百分數為Ni粉10-15wt.%，Cr粉10-15wt.%， CrB2粉餘量，稱作粉芯原料2;
2、 粉芯絲的製備工藝
(1) 按步驟1所述的各種粉末比例，分別稱取粉芯原料1、粉芯原料2所需的各 種粉末；
(2) 將粉芯原料1、粉芯原料2分別放入乾燥箱中乾燥，乾燥箱溫度為100-120 °C，乾燥時間為3-6小時；
(3) 利用行星式球磨機分別混合粉芯原料1、粉芯原料2，形成組分均勻的混合
粉末；
(4) 採用純Ti帶包裹球磨混合後的粉芯原料l，形成粗絲材A，粉芯原料l在粉芯絲A中所佔的質量百分數為18-25wt. %;
(5) 採用純Ni帶或不鏽鋼帶包裹球磨混合後的粉芯原料2，形成粗絲材B,粉芯 原料2在粉芯絲B中所佔的質量百分數為30-40wt. %;
(6) 利用製備粉芯絲的機械裝置，採用拔拉或軋絲等方法將封閉後的粗絲材A、 粗絲材B逐級減徑，形成成品絲材粉芯絲A、粉芯絲B，成品粉芯絲A、粉芯絲B的直
.徑為2-3mm;
(7) 將成品絲材粉芯絲A、粉芯絲B分別繞制在繞線軸上，形成盤狀纏繞的粉芯絲。


圖1為製備金屬陶瓷熔覆層複合鍋爐管設備原理圖，旋轉接頭1，由支座固定的軸 承2， V型支座3，鍋爐管4， V型支座5，可調節懸臂6， V型支座7，等離子弧焊槍8， 三爪卡盤9，傳動鏈條IO，旋轉接頭ll，熔覆工作檯12，驅動鍋爐管作旋轉運動的電 動機13，絲槓14，由絲槓驅動作直線運動的底座15，擺動器16，驅動絲槓轉動的電 動機17;
圖2為等離子弧焊槍與粉芯絲的相對位置示意圖，粉芯絲導引器18，等離子弧焊 槍19，粉芯絲A20,粉芯絲B21，鍋爐管22;
圖3為按照本發明所製備的具有金屬陶瓷熔覆層的複合鍋爐管斷面照片，金屬陶 .瓷熔覆層23。
具體實施例方式
實施例-
1、 粉芯絲A、粉芯絲B所用粉末材料配比
粉芯絲A、粉芯絲B所用粉末分別由下列各種粉芯原料混合而成，分別如下
(1) 粉芯絲A所用的粉芯原料1
粉芯絲A所用粉芯原料1的質量百分數為Mo粉(粒度-300目、純度99. 9%): 9wtJ，石墨C粉(粒度-300目、純度99.9%):餘量；
(2) 粉芯絲B所用的粉芯原料2
粉芯絲B所用粉芯原料2的質量百分數為Ni粉(粒度-300目、純度99. 95%): 13wt. %, Cr粉(粒度-200目、純度99. 9%) : 12wt. %， CrB2粉(粒度-200目、純度99. 9%) 餘量；
2、 粉芯絲的製備工藝
(1) 按步驟l所述比例，分別稱取粉芯原料l、粉芯原料2所需的各種粉末；
(2) 將粉芯原料1、粉芯原料2分別放入乾燥箱中乾燥，乾燥箱溫度為IO(TC， 乾燥時間為5小時；
(3) 利用行星式球磨機分別混合粉芯原料1、粉芯原料2，形成組分均勻的混合 粉末，混料時間為4小時；
(4) 採用純Ti帶包裹球磨混合後的粉芯原料l,形成粗絲材A，粉芯原料l在粉 芯絲A中所佔的質量百分數為21wt.%;
(5) 採用0Crl柳i9Ti不鏽鋼帶包裹球磨混合後的粉芯原料2,形成粗絲材B,粉 芯原料2在粉芯絲B中所佔的質量百分數為35wt. %;
(6) 利用製備粉芯絲的機械裝置，採用拔拉或軋絲等方法將封閉後的粗絲材A、粗絲材B逐級減徑，形成成品絲材粉芯絲A、粉芯絲B，成品粉芯絲A、粉芯絲B的直 徑為2mm;
(7)將成品絲材粉芯絲A、粉芯絲B分別繞制在繞線軸上，形成盤狀纏繞的粉芯 絲，每盤重量為12kg。
3、製備具有金屬陶瓷熔覆層的複合鍋爐管
製備具有金屬陶瓷熔覆層複合鍋爐管的設備主要由等離子弧焊機及焊槍、控制等 離子弧焊槍作直線運動的絲槓裝置、控制鍋爐管做勻速旋轉運動的電動機及傳動裝置、 管內水冷裝置和熔覆工作檯等部分組成，其原理如圖1所示。實施熔覆工藝的步驟如 下
(1) 選用最大電流為300A的鎢極直流等離子弧焊機及等離子弧焊槍，將等離子 弧焊槍固定在擺動器的懸臂上，擺動器底座固定在由絲槓驅動作直線運動的底座上；
(2) 選用送絲直徑為2mm的送絲機2臺(即送絲機l、送絲機2)，送絲機送絲速 度的可調節範圍為2-10mra/s,將步驟2所述繞成盤狀的粉芯絲A、粉芯絲B分別裝配在 送絲機l、送絲機2上；
(3) 將送絲機l、送絲機2的送絲導向管的頭部分別固定在導引器上，與導引器 相連的懸臂固定在由絲槓驅動作直線運動的底座上，通過導引器使粉芯絲A和粉芯絲B 的頭部處於鍋爐管橫截面最高點處；
(4) 將外徑為60mm、壁厚為6腿、長度為5m的鍋爐管外表面進行除油、表面噴 砂處理，然後將鍋爐管裝配在熔覆工作檯上；其中，鍋爐管的一端固定在可作旋轉運 動的三爪卡盤上，另一端固定在由支座固定的滾動軸承上；
(5) 鍋爐管兩端分別通過法蘭連接公稱直徑為45mm的兩個旋轉接頭，兩個旋轉 接頭中， 一個作為鍋爐管內壁冷卻水的入口端，另一個作為鍋爐管內壁冷卻水的出口 端，鍋爐管內壁冷卻水的入口端旋轉接頭與循環水泵出水的水管相連，循環水泵的進 水管與循環冷卻水箱的出水口相連，鍋爐管內壁冷卻水的出口端旋轉接頭與回水管的 一端相連，該回水管的另一端與循環冷卻水箱的進水口相連；
(6) 啟動鍋爐管內壁水冷卻所用的循環水泵，啟動使鍋爐管作旋轉運動的電動機， 使鍋爐管的轉動速度為1. 65圈/min;
(7) 調節等離子弧焊槍位置，使等離子弧焊槍靠近三爪卡盤端部，並使等離子弧 焊槍槍口處於鍋爐管橫截面最高點處，然後調節等離子弧焊槍，使等離子弧焊槍口與 鍋爐管橫截面最高點處距離為9mm;調節等離子弧焊槍沿鍋爐管軸線方向移動，使等離 子弧焊槍槍口處於粉芯絲A、粉芯絲B頭部的上方，如圖2所示；
(8) 啟動擺動器，擺動器的頻率為80次/min;啟動送絲機A、送絲機B，使粉芯 絲A的速度為6mm/s、粉芯絲B的速度為4mm/s;同時啟動使絲槓轉動的電動機，使由 絲槓驅動作直線運動的底座的速度為9mm/min;然後啟動等離子弧焊機引弧開關，並使 電流達到160A，非轉移弧所需離子氣的流速為0. 12L/min,保護氣體的流速為4L/min; 等離子弧作用於緊貼於鍋爐管橫截面最高點的粉芯絲A、粉芯絲B上，快速熔化粉芯絲 A、粉芯絲B，形成烙池並在鍋爐管外表面快速凝固，從而形成連續螺旋搭接的金屬陶 瓷熔覆層，熔覆層平均厚度為950uni。
權利要求
1、一種在鍋爐管外表面形成熔覆層的雙粉芯絲，其特徵在於，由粉芯絲A、粉芯絲B組成，利用等離子弧、氬弧熔覆法，在鍋爐管外表面同時熔覆具有不同送絲速度的粉芯絲A和粉芯絲B，在基體表面形成由TiCx、CrB、CrB2陶瓷相增強的高耐磨損金屬陶瓷熔覆層，熔覆層與基體達到冶金結合，熔覆層中陶瓷相體積分數為60-85％，熔覆層的硬度為900-1400HV，熔覆層厚度為600-1500μm；其中，x在0.8-1範圍；粉芯絲A所用粉末材料的質量百分數為Mo粉8-10wt.％，石墨C粉餘量；粉芯絲B所用粉末材料的質量百分數為Ni粉10-15wt.％，Cr粉10-15wt.％，CrB2粉餘量。
2、 一種權利要求1所述在鍋爐管外表面形成金屬陶瓷熔覆層的雙粉芯絲的製備方 法，其特徵在於，製備粉芯絲A、粉芯絲B的具體步驟包括(1) 粉芯絲A、粉芯絲B所用粉末材料配比 粉芯絲A所用粉末材料的質量百分數為Mo粉8-10wtJ，石墨C粉:餘量，稱作粉芯原料l;粉芯絲B所用粉末材料的質量百分數為Ni粉10-15wt.%，Cr粉10-15wt.%， CrB2粉餘量，稱作粉芯原料2;(2) 粉芯絲的製備工藝按步驟(1)所述的各種粉末比例，分別稱取粉芯原料l、粉芯原料2所需的各種 粉末；將粉芯原料l、粉芯原料2分別放入乾燥箱中乾燥，乾燥箱溫度為100-120°C，幹 燥時間為3-6小時；利用行星式球磨機分別混合粉芯原料l、粉芯原料2，形成組分均勻的混合粉末； .採用純Ti帶包裹球磨混合後的粉芯原料1，形成粗絲材A，粉芯原料1在粉芯絲A 中所佔的質量百分數為18-25wt.%;採用純Ni帶或不鏽鋼帶包裹球磨混合後的粉芯原料2,形成粗絲材B，粉芯原料2 在粉芯絲B中所佔的質量百分數為30-40wt.%;利用製備粉芯絲的機械裝置，採用拔拉或軋絲方法將封閉後的粗絲材A、粗絲材B 逐級減徑，形成成品絲材粉芯絲A、粉芯絲B,成品粉芯絲A、粉芯絲B的直徑為2-3醒；將成品絲材粉芯絲A、粉芯絲B分別繞制在繞線軸上，形成盤狀纏繞的粉芯絲。
全文摘要
一種在鍋爐管外表面形成熔覆層的雙粉芯絲及其製備方法，屬於表面工程技術領域。該雙粉芯絲由粉芯絲A、粉芯絲B組成，利用等離子弧、氬弧熔覆法，在鍋爐管外表面同時熔覆粉芯絲A和粉芯絲B，在基體表面形成由TiCx、CrB、CrB2陶瓷相增強的金屬陶瓷熔覆層，熔覆層與基體達到冶金結合，熔覆層中陶瓷相體積分數為60-85％，熔覆層的硬度為900-1400HV，熔覆層厚度為600-1500μm；其中，x在0.8-1範圍。粉芯絲A所用粉末的質量百分數為Mo粉8-10wt.％，石墨C粉餘量；粉芯絲B所用粉末的質量百分數為Ni粉10-15wt.％，Cr粉10-15wt.％，CrB2粉餘量。
文檔編號C23C24/00GK101660157SQ20091009308
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月28日 優先權日2009年9月28日
發明者劉宗德, 松 王, 胡衛強 申請人:華北電力大學;北京華電納鑫科技有限公司