專利名稱：用于水冷壁管耐磨耐蝕防護(hù)的粉末及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于表面工程技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種用于水冷壁管耐磨耐蝕防護(hù)的粉末及其制備方法；利用激光熔覆上述粉末，可在水冷壁管外表面形成耐磨耐蝕熔覆層，適用于采用低NOx燃燒技術(shù)的鍋爐水冷壁管、循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管的耐磨耐蝕表面處理。
背景技術(shù)：
我國一次能源結(jié)構(gòu)中，約70-80%的電量由煤炭燃燒轉(zhuǎn)化而成。氮氧化物(NOx)是燃煤電廠煙氣排放三大有害物(懸浮顆粒物、SO2及NOx)之一，每燃燒一噸煤炭約產(chǎn)生5_30kg氮氧化物。根據(jù)統(tǒng)計資料，2007年我國火電廠排放的NOx總量已達(dá)840萬噸，約占全國NOx排放總量的35%以上。為改善大氣環(huán)境質(zhì)量、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，對于氮氧化物排放巨大的火電行業(yè)，十分迫切需要采用低氮燃燒技術(shù)。隨著鍋爐機(jī)組朝著大容量高參數(shù)方向發(fā)展，在保證高效燃燒的同時盡可能減少對環(huán)境的污染是現(xiàn)代燃燒技術(shù)追求的目標(biāo)，在盡可能不影響燃燒效率的前提下降低氮氧化物的排放量更是擺在首位。國家環(huán)境保護(hù)部環(huán)發(fā)[2010J10號文件《火電廠氮氧化物防治技術(shù)政策》中曾明確指出低氮燃燒技術(shù)應(yīng)作為燃煤電廠氮氧化物控制的首選技術(shù)?？諝夥旨壍蚇Ox燃燒技術(shù)(LN-SOFA)是當(dāng)今國內(nèi)外較為成熟的一種低氮燃燒技術(shù)，該技術(shù)通過減少爐膛內(nèi)下部煤粉燃燒區(qū)域的空氣量來提高燃燒區(qū)域的煤粉濃度，使煤粉進(jìn)行缺氧燃燒(還原氣氛)，從而降低燃料型NOx的生成。燃燒后期在爐膛上方補(bǔ)入燃盡風(fēng)，使燃料完全燃燒。該技術(shù)可實現(xiàn)NOx放排量的大幅降低，其中燃用煙煤機(jī)組NOx排放可降低60%以上，燃用低揮發(fā)份燃煤機(jī)組NOx排放可降低35%以上。但采用空氣分級低NOx燃燒技術(shù)時，爐膛下部主燃燒區(qū)域內(nèi)處于欠氧還原氣氛，導(dǎo)致水冷壁管高溫硫腐蝕加劇。煤粉中除含有硫化物外，還含有大量堅硬的氧化物雜質(zhì)。煤粉燃燒后的灰成分中，Al2O3含量一般達(dá)15-20%、SiO2含量達(dá)40-51%。當(dāng)煤粉中含有的A1203、SiO2等硬質(zhì)顆粒以一定速度沖刷燃燒器附近一些區(qū)域的水冷壁管時，造成水冷壁管磨損嚴(yán)重。目前國內(nèi)外主要采用熱噴涂技術(shù)對鍋爐管進(jìn)行耐磨耐蝕表面防護(hù)，但熱噴涂法制備的涂層與基體為機(jī)械結(jié)合(涂層在熱循環(huán)及沖蝕作用下易剝落)、存在孔隙率(易形成腐蝕通道)，難以滿足鍋爐管耐磨耐蝕的技術(shù)要求。激光熔覆法制備的熔覆層具有組織致密無孔隙、與基體冶金結(jié)合、成分及厚度均勻、稀釋率低等優(yōu)點。因此，激光熔覆技術(shù)在鍋爐管耐磨耐蝕表面防護(hù)中具有極大的潛在技術(shù)優(yōu)勢。如僅考慮水冷壁管的耐高溫硫腐蝕問題，可采用Ni-Cr類合金(鉻含量為20-45wt. %)作為涂覆層材料。但Ni-Cr合金耐高溫沖蝕性能較差，仍不能有效解決低NOx燃燒時燃燒器附近區(qū)域水冷壁管的沖蝕磨損問題。Cr3C2-NiCr類的陶瓷-金屬復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐高溫沖蝕性能和好的耐硫腐蝕性能，但采用激光熔覆法制備的Cr3C2-NiCr熔覆層中易產(chǎn)生較多微裂紋，這就影響了熔覆層的耐蝕性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于水冷壁管耐磨耐蝕防護(hù)的粉末及其制備方法；利用激光熔覆上述粉末，可在水冷壁管外表面形成耐磨耐蝕熔覆層，適用于低氮燃燒工況下的水冷壁管的耐磨耐蝕表面處理。本發(fā)明可同時滿足鍋爐管高溫耐磨、耐硫腐蝕的技術(shù)要求，可顯著延長水冷壁管的壽命。本發(fā)明所制備的熔覆層材料具有良好的韌性，熔覆層中基本無裂紋，其表面顯微硬度可在400-900HV范圍。本發(fā)明的粉末原料的各組份重量百分含量如下CrB2粉(粒度-140+325目，純度彡99. 5%,其中，“-140+325目”表示粉末粒度在325 目至 140 目范圍):6-15 wt. % ;(粉(純度彡 99. 5%) :0. 3-2wt. % ;Ni-Cr-Ti-Mo-Fe_V合金粉(粒度-140+325目)余量；其中，Ni-Cr-Ti-Mo-Fe-V合金粉末的成分為Cr:20-28wt. % ；
Ti 3-10wt. % ；Mo: l-3wt. % ；Fe: l-3wt. % ；V: 0. 5-lwt. % ；Ni :余量。粉末原料中各組分作用如下Ni-Cr-Ti-Mo-Fe-V合金粉末經(jīng)熔覆后，形成的Ni-Cr-Mo-Fe合金作為熔覆層中的連續(xù)相，其耐高溫硫腐蝕性能優(yōu)異。在熔覆過程中，Ti、V與C反應(yīng)，在熔覆層中原位反應(yīng)生成彌散分布TiCx、VCx陶瓷增強(qiáng)顆粒(x在0. 4-1范圍)；同時，CrB2在高溫下分解，反應(yīng)生成TiBy, VBy (y在0. 5-2范圍)、Cr-Fe-B三元硼化物、Cr-Fe-C三元碳化物等陶瓷相，Ti、V的加入可防止Cr與C反應(yīng)生成鉻的碳化物(在晶界處存在的鉻碳化物會降低熔覆層的高溫耐蝕性)，V的加入可細(xì)化熔覆層中的晶粒尺寸。激光熔覆后所形成的熔覆層中，Ni-Cr-Mo-Fe合金為連續(xù)相，金屬碳化物、金屬硼化物陶瓷顆粒在熔覆層中彌散分布，使熔覆層既具有高的耐蝕性,又具有較高的耐高溫沖蝕性能。由于氣霧化法制備的粉末氧含量低、粉末球形度高，采用已有的氣霧化工藝制備Ni-Cr-Ti-Mo-Fe-V合金粉末，并利用篩分法將氣霧化法制備的粉末進(jìn)行粒度篩選，用于激光熔覆的最佳粒度范圍為-150+325目。對成品Ni-Cr-Ti-Mo-Fe-V合金粉末所含雜質(zhì)的要求如下Si 0. 3wt. %;Mn: ^ 0. 3wt. %;P 0. 045wt. % ；S 0. 05wt. %。本發(fā)明的粉末的制備工藝如下(I)按粉末原料的各組份重量百分含量稱取所需的各種粉末原料；(2)將粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱溫度為100_150°C，干燥時間為2-4小時；(3)利用混料設(shè)備混合粉末原料，形成均勻混合后的粉末，混料時間為4-5小時；為了防止顆粒在混合過程被不斷破碎成更細(xì)小顆粒，可采用雙螺旋式錐形混料機(jī)進(jìn)行混料，該混料設(shè)備的優(yōu)點是不需在物料中添加鋼球，不會對顆粒物料產(chǎn)生破碎效應(yīng)，從而保證混合粉末在混料前后粒度基本沒有變化；(4)將均勻混和后的粉末裝入塑料桶密封儲存。本發(fā)明的技術(shù)主要用于低NOx燃燒工況下的鍋爐水冷壁管、燃燒劣質(zhì)煤的循環(huán)流化床鍋爐水冷壁管的耐磨耐蝕表面處理。尤其是可用于制備熔覆層，采用激光熔覆工藝制備。激光熔覆工藝為已有成熟技術(shù)，熔覆時采用激光頭固定不動、數(shù)控設(shè)備控制鍋爐管作旋轉(zhuǎn)-步進(jìn)復(fù)合運動的方法，在水冷壁管外表面進(jìn)行搭接熔覆(僅需在水冷壁管受熱面部分形成熔覆層)。如選用Nd = YAG燈泵浦固體激光器，其波長為1064nm、光纖偶合、功率為700-1000W ;如選用半導(dǎo)體直接輸出激光器，其輸出功率為l_2kW。當(dāng)采用Nd:YAG燈泵浦固體激光器進(jìn)行熔覆時，一次熔覆所得單層熔覆層厚度為150-250 u m,采用半導(dǎo)體直接輸出激光器進(jìn)行熔覆時，一次熔覆所得單層熔覆層厚度為600-1000 u mD本發(fā)明的優(yōu)點為利用高能量密度激光束熔化混合粉末，在水冷壁管外表面形成以金屬碳化物、金屬硼化物為增強(qiáng)相、以Ni-Cr-Mo-Fe合金為粘結(jié)相的陶瓷顆粒增強(qiáng)耐磨耐蝕熔覆層，熔覆層與基體達(dá)到冶金結(jié)合、稀釋率低。本發(fā)明的方法具有制備成本較低、熔覆層耐磨耐腐蝕壽命長、工藝較簡單等優(yōu)點，可顯著延長水冷壁管面的耐磨耐蝕壽命。


圖I為熔覆層斷面掃描電鏡照片圖。其中，熔覆層1，熔覆層與基體結(jié)合界面2。圖2為熔覆層斷面腐蝕后的掃描電鏡照片圖。圖中細(xì)小的白色顆粒為陶瓷增強(qiáng)相。圖3為熔覆層斷面顯微硬度曲線圖。圖4為水冷壁管受熱面熔覆層照片圖。其中，熔覆層3。
具體實施例方式實施例在水冷壁管受熱面制備熔覆層I、配制粉末原料粉末原料的重量百分?jǐn)?shù)范圍如下CrB2 粉(粒度-140+325 目，純度 99.5%):12 wt. % ；C 粉0. 8wt. % ; Ni-Cr-Ti-Mo-Fe-V合金粉(粒度-140+325目)余量；其中，Ni-Cr-Ti-Mo-Fe-V合金粉末的成分為Cr:25wt. % ；Ti 5wt. % ；Mo:3wt. % ；Fe 3wt. %; V:0. 8wt. %;Ni :余量。2、制備混合粉末(I)按步驟I所述的各種粉末比例，稱取所需的各種粉末原料；(2)將粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱溫度為120°C，干燥時間為4小時；(3)利用HS錐形混料機(jī)混合粉末原料，形成均勻混合后的粉末，混料時間為4小時；(4)將均勻混和后的粉末裝入塑料桶密封儲存。3、制備熔覆層在水冷壁管受熱面制備平均厚度約為400Mm的熔覆層。水冷壁管材料為20G鋼，其外徑57mm、管壁厚度6mm、長度為4m。制備熔覆層的工藝步驟為( I)利用電動砂輪對水冷壁管外表面進(jìn)行除銹處理；(2)在水冷壁管受熱面制備耐磨耐蝕熔覆層。激光熔覆工藝為已有成熟技術(shù)，制備熔覆層的設(shè)備主要由輸出功率為700W的NdiYAG燈泵浦固體激光器、螺桿式送粉器和熔覆工作臺等部分組成。熔覆前將水冷壁管固定在可作旋轉(zhuǎn)運動、軸向步進(jìn)運動的熔覆工作臺上。熔覆時激光頭固定不動，利用數(shù)控設(shè)備控制水冷壁管作旋轉(zhuǎn)運動和軸向步進(jìn)運動，實現(xiàn)在水冷壁管受熱面的搭接熔覆。熔覆時激光器工作電流為360A，水冷壁管軸向步進(jìn)距離為2mm，水冷壁管旋轉(zhuǎn)速度為0. 05轉(zhuǎn)/s，一次熔覆所得單層熔覆層的平均厚度為200 u m。采用兩次熔覆法，使熔覆層的平均厚度達(dá)到400 u m。
僅在水冷壁管受熱面進(jìn)行耐磨耐蝕防護(hù)，所需熔覆的面積為水冷壁管外表面面積的42%。熔覆時，通過角度行程開關(guān)控制激光頭在所需熔覆區(qū)域工作，而在其它不需熔覆部位激光頭停止工作。當(dāng)激光頭停止工作時，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動鍋爐管沿軸向步進(jìn)運動，從而實現(xiàn)搭接熔覆，在水冷壁管受熱面形成熔覆層。具有熔覆層的水冷壁管見圖4。
權(quán)利要求
1.一種用于水冷壁管耐磨耐蝕防護(hù)的粉末，其特征在于，粉末各組分的重量百分含量如下 CrB2 粉6-15 % ;C 粉0. 3-2% ;Ni-Cr-Ti-Mo-Fe-V 合金粉余量；其中，Ni-Cr-Ti-Mo-Fe-V 合金粉末的成分 % Cr :20-28% ；Ti :3-10% ；Mo: 1-3% ；Fe: 1-3% ；V:0. 5-1% ；Ni :余量。
2.—種權(quán)利要求I所述粉末的制備方法，其特征在于，工藝如下 (1)按粉末原料的各組份重量百分含量稱取所需的各種粉末原料；各組分重量百分含量為=CrB2 粉6-15 % ；C 粉:0. 3-2% ；Ni-Cr-Ti-Mo-Fe-V 合金粉余量； (2)將粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱溫度為100-150°C，干燥時間為2-4小時； (3)利用混料設(shè)備混合粉末原料，形成均勻混合后的粉末，混料時間為4-5小時；采用雙螺旋式錐形混料機(jī)進(jìn)行混料； (4 )將均勻混和后的粉末裝入塑料桶密封儲存。
全文摘要
一種用于水冷壁管耐磨耐蝕防護(hù)的粉末及其制備方法，屬于表面工程技術(shù)領(lǐng)域。粉末原料各組分的重量百分含量為CrB2粉6-15 %；C粉0.3-2%；Ni-Cr-Ti-Mo-Fe-V合金粉余量；其中，Ni-Cr-Ti-Mo-Fe-V合金粉末的成分為Cr:20-28%；Ti3-10%；Mo:1-3%；Fe:1-3%；V:0.5-1%；Ni余量。制備工藝包括配制用于水冷壁管耐磨耐蝕防護(hù)的粉末，制備熔覆層。優(yōu)點在于，可同時滿足鍋爐管高溫耐磨、耐硫腐蝕的技術(shù)要求，可顯著延長水冷壁管的壽命。所制備的熔覆層材料具有良好的韌性，熔覆層中基本無裂紋，其表面顯微硬度可在400-900HV范圍。
文檔編號B22F1/00GK102773474SQ20121028323
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月9日
發(fā)明者劉宗德, 李建平, 李新芷, 李紅川, 王永田, 袁明明, 馬忠云 申請人:華北電力大學(xué), 黑龍江景盛投資有限公司