印度火力發(fā)電項目中速磨運行情況分析與創(chuàng)新改進

摘 要：本文對印度燃煤電站工程項目HP型中速磨煤機出現(xiàn)的磨損過快問題進行了分析，并有針對性的提出了對關鍵部套如：磨輥套和襯板磨損過快成因及創(chuàng)新解決辦法。

關鍵詞：創(chuàng)新思維；技術路線圖；印度火電；中速磨；磨損分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.145

1 引言

隨著印度火電市場的快速發(fā)展，印度近年來引進了大量火電項目，中國電力設備由于其物美價廉的優(yōu)勢迅速搶占印度市場，在印度占據(jù)了近半市場份額，中國已成為印度電力設備最大的進口來源國。

國產電力設備在印度市場獲得成功的同時，其電力設備在使用過程中也反映出了一些問題。從已完成的印度工程項目的反饋情況看，制粉系統(tǒng)的關鍵設備中速磨在機組建成后的運行中出現(xiàn)了一些問題?？傮w而言，HP型中速磨煤機在出力、細度、電耗等參數(shù)上基本能適應印度市場，磨煤機總體運行平穩(wěn)，可以滿足鍋爐安全、穩(wěn)定滿負荷的運行。磨煤機在印度市場上出現(xiàn)的主要問題是作為易損件的磨輥套和磨碗襯板普遍磨損過快，使用壽命明顯少于生產制造商給出的8000小時使用壽命，顧客反映有部分工程項目磨輥套和襯板使用壽命僅有2000小時，這使得本來對中國制造就有偏見的印度工程師，更加深了對中國制造設備質量的負面影響。

2 從創(chuàng)新思維入手

組合思維及聯(lián)系思維。運用創(chuàng)新思維方法中的組合思維及聯(lián)想思維，對設備、技術、材料、運行現(xiàn)象等結合起來，并將一種部件和另外的配套部件聯(lián)系起來，分析研究它們之間共同的或類似的規(guī)律。

（1）中速磨煤機的工作原理。磨煤機的作用是研磨原煤，使其滿足鍋爐燃燒需要的細度。原煤經由連接在給煤機的中心落煤管進入旋轉的磨碗上，在離心力的作用下沿徑向朝外移動，在磨碗上形成一層煤床，煤床在可繞軸轉動的彈簧加載的磨輥裝置碾壓下通過。煤在磨碗襯板與磨輥之間被碾磨成粉，再通過磨碗周圍的輸送熱風將煤粉經管道吹送到爐膛燃燒。而在磨床上不易磨碎的石子煤顆粒及雜物被裝在磨碗轂的離心力作用下甩到裙罩上的刮板裝置后被刮入機體側底板上的孔內，最后經過分離裝置（石子煤斗）進入石子煤收集系統(tǒng)。所謂的雜物通常由煤層中的巖石和采煤機械松掉的某些零件等組成。為減少磨煤機的無效磨損，一般除雜物裝置設計在輸煤皮帶進入原煤倉前中間位置上，以應盡量避免或減少其進入磨煤機的雜物數(shù)量[1]。

（2）磨輥套/磨碗/襯板運行過程中的受力分析。磨輥套在碾磨過程中將受到彈簧加載裝置的碾磨力，磨碗帶動作徑向移動向外移動的煤層的擠壓力及煤層作圓周運動對磨輥套的作用力，以及磨輥受到本身重力。在此過程中，磨輥套表面金屬在擠壓及切削力同時作用下，金屬表面會產生鑿削磨損及疲勞脫落。磨損以切削磨損、塑變疲勞磨損和脆性相斷裂磨損三種機制并存，且以切削磨損為主。磨輥外側受物料的切削磨損作用強烈、切削方向集中，磨輥內側和磨輥寬度中央部位受到的切削磨損作用比較小且方向紊亂。磨碗襯板的磨損機理與磨輥套的磨損機理類似，但磨碗襯板僅在經過磨輥套位置時，受到正壓力及煤層底部對其產生的切削作用力，由于彈簧加載的碾磨力對破碎煤塊做功，碾磨力傳遞到襯板時已大大減弱，故襯板表面受到的正壓力遠小于磨輥套表面金屬受的作用力。因此當磨輥套耐磨層及襯板耐磨層材料性能一致時，襯板的使用壽命將顯著高于磨輥套。

3 影響磨輥套及襯板運行壽命的因素

影響磨輥套及襯板運行壽命的主要因素如下：（1）煤種原因（供煤質量不穩(wěn)定，往往偏離設計煤種和校核煤種很大）。（2）印方運行維護人員能力水平原因。（3）磨輥套和襯板制造原因。

3.1 煤種及季節(jié)原因

（1）煤種較難研磨。對于磨料磨損而言，磨料硬度是一個重要指標，煤本身的莫氏硬度為1.0～3.75（相當于HV50～214），是比較低的，但對磨輥磨損起主要作用的卻是煤中含有的礦物雜質，主要有粘土、方解石、石英和黃鐵礦等，這些礦物質的硬度約為HV900-1200。礦物雜質對磨輥套磨損有著重要的影響，如石英和黃鐵礦含量增加，磨輥套及襯板處形成的磨溝增多并明顯變深變寬。硬質礦物雜質在磨損表面產生塑變磨損，形成犁溝的同時還有磨料對磨輥表面的切削磨損。印度電廠大部分燃用煤種普遍為低熱值、高灰分、磨損指數(shù)較強，HGI哈氏可磨性指數(shù)較低，灰成分中氧化鋁、氧化硅含量高[2]。從多個印度電廠的執(zhí)行反饋，印度業(yè)主實際使用煤質往往偏離雙方技術協(xié)議約定的煤種，印度電廠實際燃燒使用的煤種的發(fā)熱量低于設計煤種和校核煤種，灰份含量高，煤的沖刷磨損指數(shù)大，造成了磨輥套和襯板使用壽命下降。鍋爐為了達到額定出力和煤粉細度，只能選擇加大磨煤量同時增加磨輥裝置彈簧的或油壓的加載力，使磨煤機超負荷運行，造成磨輥和襯板磨損加快。

（2）雨季原因。印度屬于熱帶季風氣候，當?shù)氐慕涤炅看?。每年?月到9月是印度的雨季。印度國內電廠煤場多在露天，雨季時煤的濕度極大。運行人員通常是采取加大一次熱風風量的措施對磨煤機內部的煤粉進行干燥，這樣做會造成，一方面磨煤機內部風量過大，使磨煤機內部部件磨損加劇，另一方面原煤中的酸堿成份在潮濕環(huán)境下，煤中的酸性和堿性成分更容易對耐磨件組織產生腐蝕。

3.2 印方業(yè)主運行維護人員水平問題

印方業(yè)主運行維護水平技能較差主要體現(xiàn)在：（1）電廠投運初期，輸煤系統(tǒng)不完善，往往是輸煤皮帶系統(tǒng)的除雜物裝置沒有調試完成或維護工作不到位，除雜物裝置還不能投運的情況下就匆忙進入機組的整套運轉，失去了輸煤系統(tǒng)前一級的除雜物保護功能，造成進入磨煤機的原煤中石塊、鐵塊等雜質偏多；（2）而在雨季期間煤粉濕度大，運行人員采取加大一次熱風風量進行干燥，造成磨煤機內部部件磨損過快（如同加大了對工件噴砂除銹力度的情況類似）。

3.3 磨輥套和襯板自身原因

耐磨材料力學性能的反映在材料組織在形成的結晶過程，是材料中化學元素在結晶過程中各原子點陣空間的重新排布過程，耐磨層合金結晶所形成的組織，耐磨材料中多種相的形狀、大小、分布，都決定了耐磨材料的力學性能并影響最終的使用壽命，在加工工藝上控制結晶過程中的缺陷如氣孔、夾渣物、殘余焊接應力、裂紋等對提高材料的耐磨性是至關重要。

（1）磨輥套磨損分析。印度某電廠磨輥套表面磨損犁溝寬且深，原因是磨輥套表面在碾磨力及煤層的擠壓力作用下，金屬表面一部分形成切屑產生的犁溝、劃傷，煤質擠壓將金屬推向兩側而形成隆起，隨后進入的煤又把隆起碾平。犁溝—碾平的反復進行導致了裂紋的形成和擴展，最后以片狀磨屑形式斷裂脫落，該過程主要是屬于多次塑變的磨損機理。在磨損表面產生溝壑的同時，物料中的高硬度礦物雜質還對耐磨層表面產生嚴重劃傷，這種劃傷不易出現(xiàn)明顯溝槽，使碳化物質點破碎和剝落。通過對原磨輥套殘留耐磨層材料化學分析：C含量4.98%，Cr含量20%，B含量0.35%，材料中Cr含量偏低，在焊接過程中，耐磨材料從液相向固相轉變，形核率低，引起晶粒粗大，B元素雖能增加材料的淬透性，但當C、Cr元素比例增加時，B對合金性能的作用不明顯，而過量的B會以單質的形態(tài)向晶界析出，導致晶格畸變，使位錯能增大，引起材料的脆性增大，塑性下降，金相組織為萊氏體組織（殘余奧氏體和滲碳體機械混合物），殘余奧氏體過多使承載硬質陶瓷相的各碳化物基體偏軟，從而引起耐磨件提前磨損，使碳化物裸露，在碾磨力及煤層擠壓力的作用破碎而失效。Cr含量低還將導致材料電位能較高，易受電化學腐蝕影響。磨輥套采用埋弧焊工藝，由于埋弧焊焊接過程中輸入熱量大，焊絲在焊劑作用下進行熔焊，層間溫度難于控制，裂紋粗大、焊接殘留應力大，容易形成貫穿性裂紋，使耐磨層在碾磨力與擠壓力反復作用下產生層間斷裂，由于焊接過程中焊劑渣殼（金屬的氧化物等）不易徹底清理不干凈，導致上、下焊層表面殘留的渣殼夾雜在合金夾層中形成氣孔，造成合金性能下降。

（2）襯板磨損分析。印度某電廠使用復合澆鑄襯板，澆鑄工藝與堆焊工藝相比有熱應力大，陶瓷相偏聚等問題，造成合金成分偏析，晶粒粗大，碳化物顆粒大，分布無規(guī)則，耐磨層組織殘余熱應力大，在外力作用下易破碎，導致襯板的使用壽命較短。

4 從技術路線圖的方法導入解決途徑

技術路線圖是可以幫助各方就用戶需求及滿足的技術達成一致，提供一種機制和流程來幫助專家預測目標領域的技術開發(fā)前景，提供一種識別、評價和選擇技術方案的新方法，從而選出最能滿足用戶需求的技術方案，即實現(xiàn)對技術方案和技術經濟分析。正是基于這一創(chuàng)新方法，從磨輥套和襯板產品角度，可從材料的硬度、合金組織、減少工藝過程中的氣孔和夾渣、充分釋放焊接殘余應力等工藝過程提升產品耐磨性。

4.1 硬度

硬度是由起始塑性變形抗力和繼續(xù)塑性變形抗力決定的，材料的強度越高，塑性變形抗力越高，硬度值也就越高。耐磨合金中碳化物相具有較高的硬度，碳化物相能顯著提升耐磨層的硬度，研磨時原煤中的硬質顆粒劃過時不易出現(xiàn)溝槽，受沖擊時抗金屬塑變能力強，形成犁溝的幾率變小。

4.2 合金組織

耐磨合金金相組織中碳化物的數(shù)量、尺寸、分布狀態(tài)以及和基體的結合強度都對磨輥套磨損性能產生直接影響。碳化物垂直于磨損面并呈條狀分布將有利于耐磨性的提高；碳化物深埋于基體中，并基體有很好的結合強度，可以有效地抵抗磨料對基體的磨損而不易崩落。反之，若碳化物為顆粒狀或其分布呈無序狀態(tài)，則在磨料作用下容易從基體中脫落而形成凹坑，使基體的磨損量增大、耐磨性下降。

4.3 氣孔和夾渣物

氣孔存在會使耐磨層有效承載面積減小，在磨煤機工作過程中導致磨輥套和襯板應力集中，產生新的裂紋源，使耐磨金屬提前失效。夾渣物存在于晶界，導致晶界雜質偏聚嚴重，引起堆焊層間脆性斷裂引起的剝落，由于偏析及雜質弱化晶界，裂紋沿晶界擴展，造成了沿晶的脆性斷裂。

4.4 殘留焊接應力

電弧焊接工藝的特點是熱源溫度高、集中，焊接時填充金屬迅速熔化與結晶冷卻，焊接區(qū)域受熱不均造成極大的溫度梯度，產生很大的焊接內應力，由于堆焊件較大，焊縫、熔合區(qū)的冷卻速度很快，形成大量的碳化物的析出，易形成裂紋。一旦形成整體性或貫穿性裂紋，將嚴重影響使用性能，容易整體脫落或掉塊。在產品制造過程中，應使焊層間應力及時釋放。熱應力充分釋放的耐磨合金層表面將形成均勻一致，錯開均勻分布的裂紋，能顯著提高耐磨層抗剝落性能[3]。

5 總結

本文通過運用創(chuàng)新基礎知識中的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新方法的技術路線圖等理論，對HP型中速磨在印度市場磨損過快現(xiàn)象進行了分析。造成磨輥套和襯板磨損過快的原因有：印度煤種發(fā)熱量低，哈氏可磨系數(shù)較高、雨季原煤濕度大，電廠投運初期輸煤系統(tǒng)投運不完善、磨煤機實際運行時一次風量過大和耐磨材料力學性能、耐磨材料加工工藝過程等原因。

為提高磨輥套和襯板使用壽命，應提高輸煤系統(tǒng)尤其是除雜物裝置的完善和投入正常運行，減少進入磨煤機的雜物；根據(jù)印度的季節(jié)特點需對堆煤場進行技改項目，搭建干煤棚，在雨季對原煤進行必要的防雨處理，降低原煤濕度，并將一次風量保持在合理范圍；另外，提高磨輥套和襯板耐磨層的力學性能和工藝水平，加強磨輥套和襯板的耐磨性，改善耐磨層材料配方，提高磨輥和襯板的硬度和韌性，提高碳化物含量；并采用更加先進的工藝過程，控制耐磨層中間的氣孔和夾渣物，并在加工過程中及時釋放殘留焊接熱應力。

隨著運行人員對磨煤機的運行、維護水平的逐步提高，并在制造中改進了工藝使得磨輥套和襯板的耐磨性大大增強，耐磨件的的使用壽命會得到大幅提高。

參考文獻：

[1]劉壽忠，劉祥玲.HP與MPS中速磨煤機的比較[J].江西電力職業(yè)技術學院學報，2006（19）.

[2]王為，盧艷林.印度某電廠工程鍋爐主要輔機選型探討[J].發(fā)電設計，2010，06（12）.

[3]宋憲然，趙振寧，張清峰.中速磨煤機的石子煤特性研究[J].中國電機工程學報，2010，23.

[4]李如飛，梁軍.減少HP863中速磨石子煤排放量技術改造[J].冶金動力，2014（07）.

[5]林中.沈銀鑫.堆焊修復磨煤輥的新材料[C].第九次全國焊接會議論文集（第一冊）.中國黑龍江，1999.

[6]曹朝霞，振波，王東.磨煤輥明湖堆焊修復技術[J].鑄造技術，2009（03）.

[7]吳壽仁.《創(chuàng)新知識基礎》（上海社會科學院出版社）（第三版），2014（05）.