干熄焦炉防磨罩耐磨涂层喷涂技术的应用

杜屏， 吴波， 陈军伟， 李志华， 徐红艳， 徐秉声， 张利娜， 袁章福

（1.江苏沙钢集团有限公司，江苏 苏州 215625；2.北京大学工学院能源与资源工程系，北京 100871；3.北京矿冶研究总院，北京 100160）

0 引 言

江苏沙钢集团有限公司（以下简称沙钢）的焦化厂干熄焦系统运行中，由于强化生产操作采取高气料比模式运行以及焦炭质量下降导致焦粉含量大幅增加等因素影响，锅炉防磨罩冲刷磨损严重，甚至发生锅炉吊顶管磨穿爆管事故[1].为确保锅炉系统安全稳定运行，同时达到2年大修1次的要求（目前 1～1.5年大修 1次），提升干熄率指标，最大限度的减少湿熄焦对高炉的影响，根据区域工况参数，结合耐磨涂层的使用环境和性能需求，提出对干熄焦炉防磨罩耐磨涂层进行技术研发[2-3].

防磨罩耐磨涂层应喷涂均匀、厚度一致，具有与母材结合良好、高温性能稳定、耐冲刷、耐腐蚀等特点，并且能够承受干熄焦炉工况变化导致的正常温差变化，不因喷涂材料使用的特殊要求而影响或制约干熄焦的生产，不因涂层作业而影响母材的性能及在沙钢的安装工作[4].

1 干熄焦工艺参数及气体成分

图1为干熄焦系统工艺流程图，沙钢现场干熄焦主要工艺参数和锅炉入口循环气体成分 （高温烟气）分别如表1和表2所示.

图1 干熄焦系统工艺流程图

表1 干熄焦主要工艺参数

表2 锅炉入口循环气体成分（高温烟气）

干熄焦，是指采用惰性气体将红焦降温冷却的一种熄焦方法，简称 CDQ（Coke Dry Quenching）.干熄焦发电的主要原理是，利用锅炉回收干熄焦系统880～980℃惰性循环气体的温度并吸收其热量，产生蒸汽用以供热和发电，以达到使惰性循环气体的热量得到有效利用、节省能源的目的.

由于干熄焦检修或故障等因素，锅炉入口循环气体温度可能会有500℃左右下降（3～5 h内），系统恢复后会在同等时间内迅速升温，一年平均8～10次.特殊工况下干熄焦需停炉检修，该处温度会从1 000℃下降至常温，烘炉时烟气温度相应的上升.系统运行时入口烟气压力会有波动，一般波动范围为-300～-800 Pa.另外锅炉入口循环气体成分还含有少量含硫类腐蚀性气体成分，在干熄焦大修之后，需进行焦炉煤气点火烘炉及系统恢复作业，此时气体成分中硫化物、碳化物、水汽成分更多.沙钢现场锅炉管以及防磨罩磨损情况如图2所示.

由图2可知，锅炉管磨损的原因是由于防磨罩磨损严重，锅炉吊顶管冲刷后强度不够而爆管.对防磨罩磨损进行分析认为原因是：①干熄焦强化生产，负荷增加，导致锅炉吊顶管防磨罩冲刷严重；②焦炉不断强化生产，产能增加，同时3#干熄焦为达到100%干熄的要求，必须全负荷下运行；③循环风量达到最大风量，造成锅炉入口气体流速增加，烟气中所含的颗粒物增加，导致吊顶管防磨罩冲刷比以往严重；④锅炉入口烟气温度基本在990℃（以前在970℃ 以下），有时还会超过1 000℃，长期高温导致防磨罩（0Cr25Ni20）稳定性及强度下降后耐磨性变差；⑤三期（5#、6#）焦炉生产焦炭质量较差（主要供小高炉使用），造成焦炭中焦屑、粉尘含量较多，干熄焦一次除尘负荷大，进锅炉烟气颗粒含量高，也是造成锅炉吊顶管防磨罩冲刷严重的重要原因[5-6].

图2 锅炉管和防磨罩的磨损情况

2 防磨罩耐磨涂层研究

为了解决锅炉防磨罩冲刷磨损严重的问题，确保锅炉系统安全稳定运行，根据沙钢焦化厂干熄焦运行系统的特点，结合热喷涂技术，对沙钢干熄焦炉防磨罩耐磨涂层进行技术研发[7-9].

2.1 选择喷涂对象

通过对沙钢干熄焦炉防磨罩的调研和分析，得出需进行喷涂的防磨罩分别如表3和表4所示.

表3 过热器用防磨罩

表4 吊顶管用防磨罩

2.2 工艺实施方案

沙钢焦化厂干熄焦余热锅炉吊顶管、过热器防磨罩的具体工况恶劣程度并不相同，因此所有耐磨涂层均采用相同材质、相同厚度和结构显然不够科学.经过充分研究和讨论，制定了差异化喷涂涂层工艺实施方案.按照涂层的不同工况进行了差异化处理，恶劣部位特别加以强化.

喷涂材料为Cr3C2-NiCr复合粉体，采用如图1所示的D1-500超音速电弧喷涂系统以及2.0双雾化超音速电弧喷枪作为喷涂设备，封孔剂为ZBP-21，封孔方式为刷涂，采用自然风干.施工方式采用机械手自动喷涂 （MOTOMAN HP20），喷涂层厚度为0.3～0.4 mm，喷涂过程如图3所示.喷涂完成后，把每件气泡膜独立包装，之后进行木箱分层包装，层间以木板间隔并固定，每箱重量≤150 kg.

图3 超音速电弧喷枪的喷涂过程

结合喷涂材料及沙钢焦化厂干熄焦工艺参数，选择涂层种类及厚度如下：

1）NiCr底层，≥0.1 mm；FeCr/B4C 面层 （HV 硬度 800～1 100），≥0.6 mm. 使 用 部 位 ： 吊 顶 管52HL163-5-7-0 （护 板 L=1 000 mm，32 件 ）、52HL163-5-8-0 （护 板 L=1 295 mm，32 件 ）、52HL163-5-9-0 （护 板 L=1 040 mm，160 件 ）、52HL163-5-10-0 （护板 L=1 157.1 mm，22 件）、52HL163-5-11-0（护板 L=1 086.6 mm，10 件），这些部位工况最为恶劣，需重点防护并确保使用寿命.

2）Cr3C2-NiCr涂层（HV 硬度 700～1000），≥0.3mm，其余部位使用这种涂层.

为了得到更好的耐磨性能，需对防磨罩的涂层结构进行设计.首先，对于单件防护罩而言，涂层的受冲击工况并不一致.中心部位受到90°冲击，磨损速度最快；由中心向两边过渡，则冲击角度逐渐变大，磨损速度亦逐渐下降，至边缘部分降至最低.因此涂层厚度均匀分布将是不合理的.其次，工件形状为薄壁（最薄3 mm）细长半圆形（过热器防护罩半径21 mm，吊顶管防护罩半径27mm）零件，涂层形状也是半圆形，如果涂层为均匀厚度，则涂层内部的拉应力将很难由薄壁工件自身强度进行平衡（特别是厚涂层），涂层在使用过程中将极易脱落.此外，涂层厚度控制方法为工艺保证，中心部位的喷涂遍数2倍或3倍于边缘部位.这样的结构可有效延长涂层中心部位的使用寿命和抵消边缘部位的拉应力.因此，将涂层加工为如图4所示.

图4 热喷涂涂层结构示意图

2.3 防磨罩耐磨涂层喷涂过程

喷涂之前，采用了平面样板喷涂进行工艺开发，通过样板涂层解剖检测得到涂层厚度、孔隙率、显微硬度等数据，进而调整和确定喷涂功率、送丝量、喷涂距离、喷枪移动速度、移动步距、喷涂遍数等参数，结合材料沉积效率测算结果进行工艺定型，之后进行防磨罩涂层制备[10-13].涂层制备过程中，一方面通过严格的工艺控制来保证涂层厚度，另一方面通过材料消耗量进行验证.

结合耐磨涂层的使用环境和性能需求进行技术研发，防磨罩耐磨涂层应喷涂均匀、厚度一致，具备与母材结合良好、高温性能稳定、耐冲刷、耐腐蚀等特点[14-15]，并且能够承受干熄焦炉况变化导致的正常温差变化，不因喷涂材料使用的特殊要求而影响或制约干熄焦的生产，不因涂层作业而影响母材的性能及沙钢焦化厂的安装.

防磨罩耐磨涂层的研制，需对沙钢干熄焦炉防磨罩的保护套管、盖板、护板工作面（烟气冲刷面）进行耐磨层喷涂[16-17].喷涂厚度为 0.3～0.4mm，喷涂件数为1 148件，喷涂面积约为100 m2（其中过热器用防磨罩喷涂面积约为31 m2，吊顶管用防磨罩喷涂面积约为 69m2）.

3 涂层性能检测结果

3.1 金相组织

使用Zeiss EVO MA 10LS 10型扫描电镜对涂层进行显微组织检测.涂层挂片的金相组织检测结果如图5所示.

由图5中可见，涂层致密，无明显可见孔隙（灰度法测试孔隙率4.65%），与基体结合良好、无分层，Cr3C2陶瓷相分布均匀.

图5 Cr3C2-NiCr复合涂层金相组织

3.2 显微硬度

使用HXD-1000TMC型显微硬度计对涂层进行硬度检测（HV300），检测结果如图6和表5所示.

图6 涂层显微硬度检测

表5 涂层的硬度检测/HV

由表5可知，通过对防磨罩表面进行热喷涂后，显著增大了表面的硬度，增强防磨罩的耐磨性能.

3.3 结合强度

使用WDW-100A万能试验机对涂层挂片结合强度进行检测（GB/T 8642-2002），检测结果如表6所示.

表6 涂层的结合强度检测/M Pa

由表6知，选用的喷涂材料与防磨罩之间具有很好的结合强度，可以避免镀层脱落影响防磨罩的耐磨性.

3.4 能谱分析

为了探究防磨罩和喷涂层之间的结合情况，需通过扫描电镜对防磨罩涂层的结合面进行能谱分析，检测结果如图7所示.

从防磨罩和涂层结合面EDS结果可知，结合部位含有 Cr，Fe，Al，Ni，C，O 等， 其中 Cr，Fe，Al 3 种元素较多.从元素比例来看，在结合面生成了化学键，有助于增强镀层与防磨罩的结合强度.

图7 防磨罩涂层能谱分析

4 结论

以沙钢焦化厂干熄焦炉防磨罩为处理对象，结合北京矿冶研究总院的热喷涂技术，对干熄焦炉防磨罩耐磨涂层喷涂技术进行技术研发及应用，主要结论如下：

1）通过对沙钢干熄焦炉防磨罩冲刷磨损的分析，在不更换现有防磨罩的前提下，根据沙钢焦化厂干熄焦运行系统的特点，使锅炉系统安全稳定运行，同时达到2年大修1次的要求，提升干熄率指标，减少湿熄焦对高炉的影响是可行的.

2）采用热喷涂技术对防磨罩表面喷涂耐磨涂层，使用喷涂材料Cr3C2-NiCr复合粉体，涂层厚度为0.3～0.4 mm，并根据不同部位防磨罩具体的工况，设计了1套工艺方案，提高了防磨罩的耐磨性能，使锅炉系统安全稳定运行.

3）采用扫描电镜、显微硬度计、万能试验机等设备对喷涂后的防磨罩进行涂层性能检测，得出热喷涂后的防磨罩涂层致密、表面硬度大、无明显可见孔隙、与基体结合良好等优点，对提高沙钢焦化厂系统安全稳定运行具有重大意义.

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