130t/h锅炉超音速喷涂的可行性分析
2013-07-18孙煜
孙 煜
(莱芜钢铁股份有限公司能源动力厂,山东莱芜, 271126)
1 实施背景
莱钢能源动力厂银前锅炉车间现有两座JG-130/3.82-Q 型燃高炉煤气锅炉,水冷壁腐蚀一直是困扰安全运行的重大问题,锅炉水冷壁减薄造成的突发性爆管事故对生产的危害十分严重。以前我们曾采用浇注料制作卫燃带,氧、乙炔喷焊,电弧喷涂等措施对水冷壁进行防护,但效果都不理想。
2009 年4 月18 日,1#锅炉因水冷壁管减薄爆管,造成紧急停炉一次,给能源动力厂的安全经济生产带来了极大危害。仅停炉后的重新点火,直接费用高达5 万余元,加上检修费用及减少的冷风供应量,一次事故造成损失超过20 万元;银前两台锅炉在近几年的运行中,水冷壁爆管事故每年都有发生。因此,在纯燃煤气锅炉水冷壁防腐蚀方面,寻求一种先进工艺,已成为当务之急。
2 原因分析及实施方案
水冷壁腐蚀主要来自两个方面,管内水或蒸汽在紊流或湍流状态下因高速流体、温度、化学环境的相互影响促进了碳钢和低合金钢表面氧化保护层的溶解,导致腐蚀破坏;管外高温烟气的辐射和对流作用使管壁升温,飞灰颗粒冲刷管壁,烟气中的腐蚀性气体与沉积在管壁上的盐类等物质一起腐蚀管壁。由于高炉煤气着火后期靠近水冷壁的区域,氧量供应不足,容易产生还原性气氛,并在水冷壁区域形成一定浓度的SO3、H2S 腐蚀性气体。同时,随着负荷高低的变化(如:在低负荷运行时炉内氧量相对较高,在高负荷运行时炉内氧量相对较偏低),配风方式的不同等,在氧化和还原性气氛交替存在时,硫化铁型(FeS2) 反应也会交替发生,形成分层腐蚀。
电弧超音速喷涂是以电弧为热源,将金属丝熔化并用气流雾化,使熔融颗粒高速喷射到工件表面形成涂层的一种工艺,基本原理如图1 所示。
图1 电弧喷涂示意图
喷涂时,两根丝状金属喷涂材料用送丝装置通过送丝轮均匀、连续地分别送进电弧喷涂枪中的导电嘴内,导电嘴分别接电源的正、负极,并保证两根丝材端部接触前的绝缘性。当两金属丝端部由于送进而互相接触时,在端部短路并产生电弧,使丝材端部瞬间熔化,压缩空气把熔融金属雾化成微熔滴,以很高的速度喷射到工件表面,形成电弧喷涂层。
电弧喷涂层的形成过程非常复杂,涉及到空气动力学、多相流流体力学、冶金热力学、传热学等诸多领域,因此也受到很多参数的影响,如电弧温度、气流速度、气流压力、喷涂电压、电流等。一般电弧喷涂层的形成可以分为熔滴形成、熔滴雾化和扁平颗粒堆积。电弧超音速喷涂是在电弧喷涂的基础上,加入了拉发尔喷嘴,并完善了控制系统和电源特性的一种喷涂方法。气流速度达600 m/s,喷涂中颗粒飞行速度大于420 m/s。高速飞行的涂层粒子撞击金属表面,形成机械嵌合,速度越高,涂层越致密,嵌合力就越大,结合强度越高。目前,电弧超音速喷涂金属材料,结合强度最高达60 MPa,并且可加入一些特殊材料,如陶瓷、吸热材料等。
喷涂材料的选择:煤气锅炉以高温氧化和硫腐蚀为主,按不同材料防护效果,从低到高依次为:铝丝——铁铬铝丝——镍铬类丝;复合工艺以弥散包覆方式进行,避免了不均匀现象;合金相熔点低,提高了喷涂效率;热胀系数与炉管接近(8.5×10-6/K),使用中不会因高温影响而脱落。我们选择镍铬类丝,主要性能为:涂层厚度可达2 mm ;结合强度不小于52 MPa;孔隙率不大于3% ;可耐1256 ℃高温;硬度HRC67~69,硬质相HRC78;耐腐蚀性能不大于0.45 mg/g,是碳化铬的1.5 倍。
3 实施过程
工艺流程:表面预处理、喷砂作业、喷涂作业、预测厚度、自查。
(1)表面预处理。用抹布、清洁球和磨光机清理水冷壁管上的浮尘、浮渣、锈等杂质。
(2)喷砂作业。用喷砂机对工作面进行喷砂处理,达到表面干燥、无灰尘、油脂、污垢和锈斑,且粗糙度达到Sa3。
(3)喷涂作业。对喷砂后的工作面进行喷涂作业。防磨部位采用金属陶瓷丝材作喷涂材料,对工作面喷涂2~3 遍,保证厚度达到0.6~0.8 mm,涂层表面要求平整、光洁、致密、不起皮和鼓泡,基材不变形,孔隙率低于0.9%。
(4)预测厚度。用测厚仪对表面涂层进行测量,保证涂层厚度均匀,并达到规定要求。
(5)自查。施工结束后进行自查,对不合格处进行修整。
4 效果评价
在超音速电弧喷涂区水冷壁表面涂层光滑,无剥落和裂纹;在超音速电弧喷涂与基材过渡区过渡平滑,没有出现凸台和明显的磨损;水冷壁管得到较好保护,耐腐蚀性和耐磨损性可以得到较大幅度提高,水冷壁减薄爆管事故减为零次,锅炉水冷壁管运行周期可达到大修周期10 年。
5 经济效益分析
5.1 启停炉费用
(1)改造前每年因水冷壁事故造成一次停炉,每五年产生启停炉和锅炉检修费用为(17+2)×5=95 万元
(2)改造后每5 年出现一次水冷壁事故,启停炉和锅炉检修费用(17+2)=19 万元
(3)实施超音速喷涂工程费用为30 万元。
银前两台锅炉实施超音速喷涂工程可以节约点停炉资金(95 万元-19 万元-30 万元)×2=92 万元。
5.2 节能降耗费用
锅炉受热面实施水冷壁喷涂技术后,2012 年3月份至12 月份,锅炉燃耗较2011 年平均下降了0.4 kg/t,有效降低了锅炉燃料成本。按实施此项技术的锅炉年产蒸汽660 万t 计算,锅炉大修周期为5 年,标准煤价格为800 元/t 计算,项目带来的经济为:
0.4kg/t×6600000t÷1000×800 元/t×5=1056 万元。(5 年节约的燃料成本)
实施此项改造后,银前两台锅炉五年可节约成本92 万元+1056 万元=1148 万元。
[1]王元良,陈辉.热喷涂技术及其设备应用[J].电焊机,2005,11:1
[2]张小平,超音速喷涂表面合金化的研究[J].太原重型机械学院学报.2002,4:290
[3]班云福,超音速电弧喷涂在240t/h 循环流化床锅炉水冷壁上的应用[J].化工设计通讯.2005,9:28