電站鍋爐用 Fe-Al/Cr3C2涂層標(biāo)準(zhǔn)化防護(hù)機(jī)理研究

文賈海龍

電站鍋爐用 Fe-Al/Cr3C2涂層標(biāo)準(zhǔn)化防護(hù)機(jī)理研究

文賈海龍

本文選用目前治理火電站受熱面管道中常用Fe-Al/Cr3C2的噴涂材料，結(jié)合高速電弧噴涂技術(shù)制備防腐涂層，利用掃描電鏡、X-Ray衍射等試驗(yàn)手段對(duì)其腐蝕產(chǎn)物及腐蝕機(jī)理進(jìn)行分析和探討。為標(biāo)準(zhǔn)化選材提供理論依據(jù)。研究結(jié)果表明，噴涂后形成的涂層具有典型的層狀結(jié)構(gòu)，較高的結(jié)合強(qiáng)度和硬度，涂層的耐高溫沖蝕性能良好，同時(shí)常溫和高溫耐磨損性能也較高，適用于電站鍋爐“四管”的標(biāo)準(zhǔn)化防護(hù)。

電站鍋爐 電弧噴涂 腐蝕 防護(hù)

引言

鍋爐管道的腐蝕、沖蝕問(wèn)題已成為一個(gè)亟待解決的技術(shù)問(wèn)題，世界各國(guó)都在著手解決這一難題。隨著表面工程技術(shù)的發(fā)展，一些國(guó)家已經(jīng)采用熱噴涂技術(shù)解決鍋爐管道的腐蝕、沖蝕問(wèn)題。熱噴涂處理后的管材防護(hù)性能好，價(jià)格相對(duì)選用優(yōu)質(zhì)材料低得多。實(shí)踐證明，表面工程技術(shù)是解決材料腐蝕與防護(hù)最經(jīng)濟(jì)最有效的手段和方法，該技術(shù)已日益受到相關(guān)部門(mén)的高度重視。目前，在治理火電站受熱面管道熱腐蝕問(wèn)題[1]的諸多手段中，電弧噴涂法以其經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效的特點(diǎn)，在所有的治理方法中脫穎而出。

電弧噴涂是以?xún)筛z狀金屬?lài)娡坎牧显趪姌尪瞬慷搪樊a(chǎn)生的電弧為熱源，將熔化的金屬絲用壓縮空氣氣流霧化呈微熔滴，高速?lài)娚涞焦ぜ砻嫘纬蓢娡繉拥囊环N工藝。電弧噴涂技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)中的重要技術(shù)，占著越來(lái)越重要的地位。在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家，電弧噴涂技術(shù)已廣泛應(yīng)用于火電廠的受熱面管道防護(hù)，國(guó)內(nèi)需要進(jìn)一步加強(qiáng)在這一領(lǐng)域的研究，大力進(jìn)行應(yīng)用推廣。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1基體制備

20G鋼是火電站制造水冷壁的常用材料，所以選擇20G鋼作為基體材料，表1為20G的化學(xué)成分及性能。將試樣制為20mm×20mm的圓柱體，見(jiàn)圖1。

圖1 基材試樣規(guī)格（單位為毫米）

表1 20G鋼的化學(xué)成分及性能

1.2噴涂材料

噴涂材料選用Φ3mm的粉芯絲材Fe-Al/Cr3C2，填充粉末主要是Fe、Al、Cr3C2，芯材的化學(xué)成分組成見(jiàn)表2。

1.3.噴涂工藝參數(shù)及預(yù)處理

用XRBK-600型壓送式噴砂機(jī)對(duì)試樣表面進(jìn)行噴砂處理，處理后使用CDMAS300系統(tǒng)HAS-01高速?lài)姌屵M(jìn)行噴涂。噴涂參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 Fe-Al/Cr3C2絲材化學(xué)成分（wt%）

表3 電弧噴涂工藝參數(shù)

2 電站鍋爐四管熱腐蝕試驗(yàn)

2.1確定試驗(yàn)條件

鍋爐四管的外壁溫度在200℃至800℃之間，煙氣溫度更高，其中終級(jí)省煤器溫度在200℃左右，水冷壁溫度在500℃至600℃，過(guò)熱器溫度在600℃至800℃之間。各受熱面腐蝕為發(fā)生在相應(yīng)溫度區(qū)間的硫酸鹽腐蝕，據(jù)此可選擇腐蝕試驗(yàn)溫度為650℃。根據(jù)某些電廠鍋爐水冷壁的腐蝕產(chǎn)物分析，試驗(yàn)選用摩爾比為7∶3的Na2S04+K2S04飽和水溶液作為腐蝕劑。

圖2 完整試樣腐蝕后擬合動(dòng)力學(xué)曲線

2.2試驗(yàn)過(guò)程及設(shè)備

將試樣表面刷涂均勻的鹽膜，鹽膜量為2.0mg/cm2至3.0mg/cm2，放置在KSY-12-16型箱式電爐內(nèi)加熱至650℃，保溫，保溫精度±5℃，保溫預(yù)定時(shí)間后取出，待冷卻后稱(chēng)重，然后再涂鹽、腐蝕、稱(chēng)重……，每次的保溫時(shí)間為2.5h，總的腐蝕時(shí)間為25h。采用TG328A型電光分析天平稱(chēng)量試樣的重量，稱(chēng)量精度±0.1mg。

2.3確定腐蝕增重

采用增重法定量地評(píng)定涂層的腐蝕速度。進(jìn)行熱腐蝕試驗(yàn)過(guò)程中，每隔2.5小時(shí)將試樣取出，稱(chēng)重一次。稱(chēng)得的重量依次用W1、W2、W3…W10表示。各試樣經(jīng)過(guò)不同腐蝕時(shí)間的腐蝕增重按公式(1)計(jì)算。

式中∶

ωn：試樣在不同的腐蝕時(shí)間內(nèi)的腐蝕增量（mg/cm2）；

Wn：試樣在第n次腐蝕前的重量（mg）； Wn+1：試樣在

第n次腐蝕后的重量（mg）；A：試樣的表面積（cm2）。

3 電站鍋爐四管保護(hù)機(jī)理分析

3.1熱腐蝕試驗(yàn)結(jié)果及比較分析

經(jīng)過(guò)25h的熱腐蝕試驗(yàn)，以腐蝕時(shí)間和采用不連續(xù)稱(chēng)重法所測(cè)得的試樣的增重，可得涂層完整試樣在650℃涂鹽情況可以看出,隨著腐蝕時(shí)間的增加,試樣的腐蝕增重量隨時(shí)間的增加逐漸增加，即腐蝕程度逐漸加深。

采用w=atb (其中w：試樣增重量△mg/cm2；t：腐蝕時(shí)間h；a，b為常數(shù))為數(shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行非線性擬合，擬合后動(dòng)力學(xué)曲線如圖2，可以看出，隨著時(shí)間的增加，其腐蝕的速度變化不是很快?？梢?jiàn)，電弧噴涂Fe-Al/ Cr3C2涂層抗熱腐蝕性極佳，對(duì)試樣的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行求導(dǎo)運(yùn)算，即可求出各試樣的腐蝕速度。其表達(dá)式V=mtn（V：腐蝕速度mg/cm2h；t：腐蝕時(shí)間h；m、n：常數(shù)）分別，試樣A：V=0.7162t-0.8699，試樣B：V=0.3553t-0.6406。對(duì)各完整試樣速度表達(dá)式進(jìn)行詳細(xì)分析，并試樣均隨腐蝕時(shí)間的增加,腐蝕速度減小并趨于一定值（大約為0.05）。

對(duì)試樣速度表達(dá)式進(jìn)行詳細(xì)分析,并結(jié)合速度曲線圖可知,試樣隨腐蝕時(shí)間的增加,腐蝕速度減小并趨于一定值(大約0.05),能起到保護(hù)基體的作用。

3.2表面分析

3.2.1金相組織觀察

采用顯微鏡，觀察涂層與基體結(jié)合部熱腐蝕前后的金相組織。 觀察前應(yīng)對(duì)試樣表面進(jìn)行打磨及拋光，拋光后立即浸蝕，采用擦拭法，浸蝕劑選用3%HNO3酒精溶液，觀察顏色變化后，立即用水沖洗，迅速用酒精漂洗并用熱風(fēng)吹干。

Fe-Al/Cr3C2涂層表面分析圖.由圖3可以看出,涂層具有明顯的層狀結(jié)構(gòu),層狀的扁平顆粒之間。

圖3 完整試樣腐蝕后金相圖(200×)

3.2.2掃描電鏡試驗(yàn)

采用配有能譜分析儀的掃描電鏡分別對(duì)涂層處腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行形貌、成份分析，掃描電鏡為ENERGY-EDA型，能譜分析儀為Quanta400型?？芍酶咚匐娀娡考夹g(shù)，在結(jié)構(gòu)材料上獲得了鐵鋁金屬間化合物(Al13Fe4)涂層，另外添加相Cr3C2在高溫及復(fù)雜氧化條件下，最終生成Cr(CO)6強(qiáng)化相。

Fe-Al/Cr3C2涂層，能譜分析表明表面所含元素主要為鐵，應(yīng)該是Fe2O3，腐蝕后涂層中相為Fe基固溶體(涂層基體相)。由元素分布圖可知，涂層及基體中O大量存在，由涂層至基體逐漸減少，說(shuō)明涂層還是起到了保護(hù)基體的作用。且Fe、O元素含量多，分析應(yīng)該是Fe2O3。 涂層中存在Al的氧化物及亮白色團(tuán)絮狀Si氧化物。

3.2.3X-Ray衍射試驗(yàn)

將試樣切割成厚度為5mm左右的扁圓柱形，利用X-Ray衍射由X-Ray衍射試驗(yàn)及能譜分析，Cr大量均勻分布，存在于Cr(CO)6、Cr0.87及(Al0.9Cr0.1)2O3中，C與Fe結(jié)合以Fe5C2化合物形式均勻分布于涂層中。

分析涂層在650℃下腐蝕過(guò)程中，合金中的元素會(huì)發(fā)生部分燒損，有效含量不足以生成單一的氧化物，最終生成復(fù)合氧化物。

4 結(jié) 論

4.1 高速電弧噴涂涂層具有典型的層結(jié)構(gòu),較高的結(jié)合強(qiáng)度與硬度。

4.2 通過(guò)試驗(yàn)分析可知Fe-Al/Cr3C2噴涂材料在涂層完整情況下，抗熱腐蝕。

4.3 研究表明，涂層表面均形成了具有良好保護(hù)性的致密的氧化物膜，主要為Cr的氧化物，起到了保護(hù)基體、防止腐蝕進(jìn)一步發(fā)生的作用。

4.4 應(yīng)用研究表明,高速電弧噴涂涂層適合于電站鍋爐“四管”的防護(hù)。

[1]夏木梁.電站鍋爐檢驗(yàn)[R].北京:中國(guó)鍋爐壓力容器檢驗(yàn)協(xié)會(huì).2003.

[2]徐濱士，馬世寧，劉世參,等．表面工程的應(yīng)用和再制造工程[J]．材料保護(hù)．2000.

作者單位：內(nèi)蒙古呼倫貝爾市特種設(shè)備檢驗(yàn)所