激光熔覆技術及新型耐磨復合材料在鍋爐熱管上的應用

王 帥

（華陽新材料科技集團，山西 陽泉 045000）

1 鍋爐熱管防磨技術現狀

近年來，隨著環保問題的日益嚴峻，潔凈煤燃燒也逐漸引起了人們的關注。循環流化床鍋爐以其高效的脫硫、脫硝效果，優良的燃燒性能得到了廣大電力同行的青睞。但因為其燃用煤質差、一次風速高以及其自身燃料循環等特點，磨損問題往往十分突出。為了解決鍋爐熱管磨損嚴重的問題，目前國內主要采取的技術有防磨梁、防磨格柵、導流板、熱噴涂和堆焊。

其中防磨梁、防磨格柵、導流板具有安裝簡單方便、成本較低等優點。但影響導熱效率，存在一定的熱損失，使機組達不到預期負荷，增加發電成本。

熱噴涂技術是將涂層材料加熱熔化，用高速氣流將其霧化成極細的顆粒，并以很高的速度噴射到工件表面，形成涂層。其缺點是噴涂層與鍋爐熱管基體之間為機械結合，噴涂層極易脫落。

堆焊技術的優點是解決了堆焊層與鍋爐熱管基體的結合方式，變成冶金結合，結合強度大不易脫落。缺點為了起弧，只能選用硬度較低的材料，所以堆焊層硬度較低，只有600～800 HV。并且堆焊施工過程中，熱影響區域較深，導致加工過程中基體變形嚴重，對鍋爐熱管有損傷。

以上幾種鍋爐熱管防磨技術存在防磨層硬度低、易脫落、對鍋爐熱管基體損傷大等缺陷，不能有效的延長鍋爐熱管的使用壽命，無法應用于磨損情況嚴重的鍋爐設備中，不能有效解決因為磨損問題而導致的鍋爐熱管爆管停爐等問題。

2 激光熔覆技術理論研究

近年來激光熔覆技術得到了迅速推廣和廣泛應用，其利用高能量激光束聚集能量極高的特點，瞬間將在基材表面預置或與激光同步自動送置的、具有特殊物理、化學或力學性能的合金或復合粉末材料完全熔化，同時基材部分熔化，形成一種新的復合型材料，激光束掃描后快速凝固，獲得與基體冶金結合的致密熔覆層。利用激光熔覆技術加工的熔覆層具有下列優點[1-2]：

1）結合強度高，形成冶金結合，結合強度大約在300 MPa，見圖1；

圖1 與其他加工工藝對比優勢

2）激光熔覆層致密，內部孔隙率極低；

3）配合相應的粉末材料，激光熔覆層硬度（HV）高達1 000～1 200；

4）不影響鍋爐的正常運行和監測，導熱率好，不影響換熱。

5）顯著延長鍋爐熱管的使用壽命。

在激光熔覆加工工藝的基礎上，根據鍋爐熱管在鍋爐實際運行中的磨損情況（煤質及顆粒大小、流速、沖刷角度等），華陽發供電二電廠開發了陶瓷-鎳鉻合金復合材料。其主要成分有二碳化三鉻（Cr3C2）、鎳（Ni）、鉻（Cr）、二硼化鈦（TiB2）及其他金屬與非金屬材料，以兼顧激光熔覆層的硬度和柔韌性。

二碳化三鉻（Cr3C2）屬于碳化陶瓷，具有高熔點（1 890°C）、高硬度的特性；鎳（Ni）是一種硬而柔韌的銀白色金屬，大量用于合金、提高硬度、增加韌性，常用于航空發動機葉片、內襯等高溫耐磨部位；鉻（Cr）的硬度高、抗高溫氧化性好，與鎳（Ni）組成鎳鉻合金；二硼化鈦（TiB2）的熔點為2 980℃、硬度高，抗氧化溫度達1 000℃。華陽發供電二電廠開發的陶瓷-鎳鉻合金復合材料不含鐵基成分，因為鐵基成分將大幅降低材料的硬度和高溫抗氧化性。

3 激光熔覆耐磨層的制備方法

利用激光高能量密度的特點，瞬間將基材與合成的耐高溫、高硬度的陶瓷金屬復合材料同時融化形成熔池后快速凝固。使基材與耐高溫、高硬度的陶瓷金屬復合材料以冶金結合的方式形成熔覆層。

具體熔覆方法[3-4]：將鍋爐熱管卡在特制的雙卡盤機床上，編制程序控制卡盤運動，目的是使鍋爐熱管轉動。在卡盤上安裝光電開關并且串聯外控開關控制激光的開關光。通過擋片的長度控制光電開關從而來控制激光的開關光來調整熔覆層的弧長，見圖2。將激光熔覆頭安裝在鍋爐熱管上方的機臺支架上，使用重力送粉裝置將陶瓷-鎳鉻合金復合材料粉末預鋪在鍋爐熱管表面。當卡盤轉動，鍋爐熱管隨之轉動，送粉裝置持續送粉，激光光束將陶瓷-鎳鉻合金復合材料粉末和鍋爐熱管表層熔化形成熔池并快速凝結為激光熔覆層[5-6]，見圖3。

圖2 激光熔覆加工過程

圖3 加工后的激光熔覆層

4 工業應用實例

4.1 電廠基本情況

華陽發供電二電廠是一家地方性小型燃煤火力發電企業。始建于1997年底，總裝機容量1.8萬kW，包括3臺35 t/h，1臺75 t/hCFB機組。

水冷壁管高溫磨損問題一直困擾著該廠，其中3號、4號CFB鍋爐由于水冷壁磨損導致爆管，在2011年2次，2012年2次，2013年0次，2014年0次，2015年1次，2016年0次，2017年1次，2018年0次，2019年至今0次。詳細情況見表1。

表1 3號、4號爐近年因水冷壁磨損爆管情況

4.2 電廠鍋爐磨損嚴重的區域

鍋爐密相區水冷壁管挖磨嚴重：CFB鍋爐運行中大量物料在爐內循環，容易對水冷壁造成嚴重磨損。特別在焊口、耐磨料、補焊及防磨瓦部位，存在凸臺，貼壁流容易在該部位形成漩渦導致挖磨，見圖4。

圖4 鍋爐密相區水冷壁管挖磨嚴重

3號、4號爐前墻雙面水夾角，均由于磨損導致泄漏停爐的事故，該夾角位于標高20 m處，由于爐內過高、屏式過熱器均布置靠前墻，上升氣流受阻，大量的內循環灰與上升的氣流相遇，在澆注料上沿形成漩渦，導致該部位水冷壁管快速磨損，見圖5。

圖5 水冷壁管與澆注料過渡區磨損嚴重

4.3 激光熔覆防磨管的應用情況

華陽發供電二電廠在2013年3月5號爐進行B級檢修時，開始使用激光熔覆管，在爐內密相區13～17 m更換10根4 m長的激光熔覆管、在20 m高前墻雙面水冷壁夾角部位更換12根1 m長激光熔覆管。2013年10月，停爐檢查試用情況，噴涂、堆焊經過大半年運行，已基本失效。激光熔覆管完好無損、耐磨性能極佳。13 m層水冷壁變徑管部位取消防磨瓦，并在變徑部位進行激光熔覆，運行18個月后，激光熔覆層未見明顯磨損，見下頁圖6。

圖6 激光熔覆管與普通管使用對比（3號爐照片，密相區前后墻水冷壁管運行1年半后）

截止2018年10月停爐（實際運行4年3個月），4號爐前墻水冷壁與雙面水冷壁夾角部位激光熔覆管，其中前墻4根，雙面水6根，熔覆層整體完好，預計可使用超過8年。

自2013年至2019年，電廠陸續更換激光熔覆水冷壁管用于3號、4號鍋爐，整體使用情況見下頁表2。

表2 電廠應用激光熔覆防磨水冷壁管整體情況

5 應用效果

鍋爐經過1 a的運行監視，爐膛溫度和導熱效率均未受到影響，各項運行參數均在規定范圍內。同時利用停產檢修對實施的鍋爐熱管進行了爐內檢查。通過外觀檢查，管子表面熔覆層無變化，無磨損情況，詳見圖7安裝后、圖8運行1年后。

圖7 安裝后

圖8 運行1年后

2019年11月份，3號、4號爐停爐檢修，該廠組織人力對所有安裝部位的激光熔覆水冷壁管進行了詳細的檢查，激光熔覆層依然完好，防磨效果優異。按照測點盡量覆蓋所有激光熔覆水冷壁管的原則，篩選了200個有代表性的測點，檢測結果見表3。

表3 代表性的測點檢測結果

6 結論

1）高溫磨損問題是循環流化床鍋爐急需解決的重要問題，高溫沖蝕磨損是鍋爐熱管失效的主要形式，高溫氧化和高溫腐蝕會進一步加劇其磨損速度。

2）金屬-陶瓷復合材料防磨層，具有優秀的耐高溫氧化和耐沖蝕磨損的性能，使用壽命長，硬度高。

3）激光熔覆技術是一種高效率、高質量、低成本的加工工藝，特別適合循環流化床鍋爐水冷壁管的防磨技術處理，能有效解決鍋爐熱管的磨損問題。