专利名称：一种用于在锅炉管外表面制备耐高温氯腐蚀熔覆层的双粉芯丝的制作方法
技术领域：
本发明属于表面工程技术领域，特别是提供了一种用于在锅炉管外表面制备耐高 温氯腐蚀熔覆层的双粉芯丝。
背景技术：
生物质发电是解决能源与环境问题的一个重要突破口，秸秆是目前生物质发电锅 炉中所用的主要燃料之一。由于秸秆中较高的氯含量(0.3-1%)，在过热器表面温度超过 450°C时，秸秆燃烧过程中的沉积腐蚀问题限制了蒸汽参数的提高。秸秆能量密度低，且灰 中含有大量的碱金属氯化物；在高温下碱金属及其相关无机元素可能在炉膛内形成熔渣或 形成气相，以蒸汽和飞灰颗粒的形式沉积于受热面，不仅影响锅炉的热效率，还对换热面造 成严重腐蚀。研究发现，以秸秆燃料为主的锅炉普遍存在受热面沉积腐蚀问题，其中过热器 的高温氯腐蚀极为严重。对于过热器管、水冷壁的严重高温氯腐蚀问题，只能采用主动防护和被动防护两 种方法。主动防护法是通过优化设计和运行参数来减缓腐蚀速度，但该方法只能有限减缓 局部区域的腐蚀速度，且可能影响锅炉效率。被动防护法包括表面涂覆层防护技术和选用 耐高温氯腐蚀性好的镍基耐蚀合金材料，但选用镍基耐蚀高温合金作为锅炉管的造价过 高，难以推广应用。因此，表面涂覆层技术是一种提高锅炉管耐高温腐蚀寿命、且具有好经 济性的有效途径。目前电厂常用热喷涂技术对锅炉管进行表面防腐，但热喷涂技术还存在如下固有 局限性(1)涂层与基体为机械结合，其中电弧喷涂结合强度10_40MPa ；涂层在交变热应 力、颗粒冲刷等作用下，运行一定时间后易脱落；(2)对某些特殊的腐蚀严重部位涂层效果 不明显，对这种顽症，尚找不到理想的喷涂方法及相应的材料，使之能具有与其它部位相同 的寿命；(3)涂层厚度受限制，保质期较短；(4) 二次喷涂效果更差；(5)涂层存在孔隙率， 影响防腐效果。采用表面熔覆技术的优点是(1)可在锅炉管外表面形成具有冶金结合的耐腐蚀熔覆层，厚度可在0. 4-3mm范 围内选择；(2)耐腐蚀熔覆层与管材达到冶金结合，熔覆层在整个寿命周期内不脱落；(3) 耐蚀熔覆层的孔隙率为零，可有效避免空隙造成的腐蚀通道。根据现有的研究与应用结果，生物质中有高含量的碱金属和氯气，且大多数生 物质燃料中的S含量很少。干燥的生物质中各元素的含量大致是钾0.2-1. 9wt%，氯 0. 1-0. 2wt%0可燃气体中，每0. Iwt%的氯产生大约IOOppm的HCl。在生物 质中，碱性金属一般以有机金属化合物的形式存在，有时也以盐形式存在，氯和硫的存在影 响到生物质燃烧过程中钾的热力学行为。对于上述高温燃烧氛围，可选用耐高温腐蚀性能最佳的哈氏合金C系列(如C22、C276)合金作为锅炉管材料，但由于哈氏合金C系列合金管的价格昂贵(约为不锈钢材料的 8-10倍)、制作工艺难度大，难以推广应用。如选用哈氏C系列合金作为表面熔覆用丝材， 存在的主要问题为(1)当采用等离子弧或氩弧熔覆时，熔覆层存在一定的稀释率(即基体 元素向熔覆层扩散造成的结果)，其中Fe元素不可避免地向熔覆层中扩散；这使得熔覆层 中Mo、Cr等重要的耐腐蚀元素含量减少，从而显著降低熔覆层的高温耐蚀性。(2)哈氏合 金C系列合金焊丝的制备技术难度大、成本高、价格昂贵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于在锅炉管外表面制备耐高温氯腐蚀熔覆层的双 粉芯丝。利用等离子弧或氩弧熔覆法，在锅炉管外表面同时熔覆粉芯丝A和粉芯丝B，可形 成厚度大于500 μ m的耐高温氯腐蚀熔覆层，熔覆层与基体达到冶金结合。本发明突破了现 有热喷涂技术所存在的涂层与基体结合强度低(机械结合)、涂层厚度一般小于500 μ m、涂 层存在孔隙率等局限性。本发明具有焊丝制备成本低、熔覆层制备工艺较简单、熔覆层耐氯 腐蚀性能高等优点，熔覆层耐高温氯腐蚀性能为TP347不绣钢的10倍以上，可显著提高生 物质发电锅炉过热器管寿命。本发明所述的双粉芯丝也可用于垃圾焚烧炉锅炉管或其它在 氯腐蚀环境下工作的部件。本发明所述的双粉芯丝由粉芯丝I和粉芯丝II组成，利用等离子弧、氩弧熔覆法， 在锅炉管外表面同时熔覆具有相同送丝速度的粉芯丝I和粉芯丝II，在基体表面形成由 Ni-Cr-Mo-Fe-Ti为主相的熔覆层，熔覆层与基体达到冶金结合。熔覆层中，Cr的平均质量 百分数为20-26wt %，Mo的平均质量百分数为13-17wt %，Ni的平均质量百分数为40-60 %。粉芯丝I由纯Ni带外皮和粉芯原料A组成。所用的粉芯原料A中，各种粉末的质量 百分数分别为Ti粉(粒度-100+300目、纯度彡99. 9%) :2-4wt. %，Cr粉(粒度-100+300 目、纯度彡99.9% ) =IO-Ilwt. %，Mo粉(粒度-100+300目、纯度彡99.9% )余量。利用 纯Ni带包裹粉芯原料A，形成粉芯丝I ；粉芯丝I中粉芯原料A的质量百分数为40-50%。粉芯丝II由纯Ni带外皮和粉芯原料B组成。所用的粉芯原料B中，各种粉末的 质量百分数分别为粉芯原料B所用各种粉末的质量百分数分别为:W粉(粒度-200+300 目、纯度彡99. 9%) :3-6wt· %，Cr粉(粒度-150+300目、纯度彡99. 9%)余量。利用纯 Ni带包裹粉芯原料B，形成粉芯丝II ；粉芯丝II中粉芯原料B的质量百分数为40-50%。本发明所用的粉芯丝制造工艺为已有的成熟技术，即依次经Ni带轧制成槽形、加 入粉芯原料、轧制成O形再拔丝减径等工序而形成粉芯丝。本发明所述熔覆层的制备方法是，利用等离子弧、氩弧同时熔覆具有相同送丝速 度的粉芯丝I、粉芯丝II，从而形成Ni-Cr-Mo-Fe-Ti为主相的熔覆层。制备粉芯丝I、粉芯丝II的具体步骤包括1、粉芯丝I、粉芯丝II所用粉末材料的配比(1)粉芯丝I所用的粉芯原料A粉芯原料A所用各种粉末的质量百分数分别为Ti粉(粒度-100+300目、纯度 ^ 99. 9% ) :2-4wt. %，Cr 粉(粒度-100+300 目、纯度彡 99. 9%) =IO-Ilwt. %，Mo 粉(粒 度-100+300目、纯度> 99.9% )余量。(2)粉芯丝II所用的粉芯原料B
粉芯原料B所用各种粉末的质量百分数分别为W粉(粒度-200+300目、纯度 彡 99. 9% ) :3-6wt. %，Cr 粉(粒度-150+300 目、纯度彡 99. 9% )余量。2、粉芯丝的制备工艺(1)按步骤1所述的各种粉末比例，分别称取粉芯原料A、粉芯原料B所需的各种 粉末；(2)将粉芯原料A、粉芯原料B分别放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为100-120°C， 干燥时间为2-3小时；(3)利用球磨机分别混合粉芯原料A、粉芯原料B，使粉芯原料A、粉芯原料B分别 形成组分均勻的混合粉末；(4)采用厚度为0. 2-0. 35mm、宽度为8_12mm的纯Ni带包裹球磨混合后的粉芯原 料A，形成粗粉芯丝材I，粉芯原料A在粗粉芯丝材I中所占的质量百分数为40-50wt. % ；(5)采用厚度为0. 2-0. 35mm、宽度为8_15mm的纯Ni带包裹球磨混合后的粉芯原 料B，形成粗粉芯丝材II，粉芯原料B在粗粉芯丝材II中所占的质量百分数为40-50wt. %；(6)利用制备粉芯丝的机械装置，依次经Ni带轧制成槽形、加入粉芯原料、轧制成 0形再拔丝减径等工序而形成成品丝材粉芯丝I、粉芯丝II，成品粉芯丝I、粉芯丝II的直 径为2-3mm ；(7)将成品丝材粉芯丝I、粉芯丝II分别绕制在绕线轴上，形成盘状缠绕的粉芯丝。考虑到熔覆层稀释率随熔覆层厚度增加而降低这一工艺特性，当熔覆层厚度在 0. 5-lmm范围时，粉芯原料A在粉芯丝材I中所占的质量百分数为45_50wt. %，粉芯原料B 在粉芯丝材II中所占的质量百分数为45-50wt. % ；当熔覆层厚度在l_3mm范围时，粉芯原 料A在粉芯丝材I中所占的质量百分数为40-45wt. %，粉芯原料B在粉芯丝材II中所占的 质量百分数为40-45wt. %。
图1为采用氩弧熔覆法所制备具有耐高温氯腐蚀熔覆层过热器管照片。图2为熔覆层断面照片，基材1，熔覆层与基体结合界面2，熔覆层3。
具体实施例方式实施例1、粉芯丝I、粉芯丝II所用粉末材料的配比(1)粉芯丝I所用的粉芯原料A粉芯原料A所用各种粉末的质量百分数分别为Ti粉(粒度-100+300目、纯度 ^ 99. 9 % ) :2wt. %, Cr 粉(粒度-100+300 目、纯度彡 99. 9 % ) :10wt. %, Mo 粉(粒 度-100+300目、纯度> 99.9% )余量。(2)粉芯丝II所用的粉芯原料B粉芯原料B所用各种粉末的质量百分数分别为W粉(粒度-200+300目、纯度 彡 99. 9% ) :3wt. %，Cr 粉(粒度-150+300 目、纯度彡 99. 9% )余量。2、粉芯丝的制备工艺
(1)按步骤1所述的各种粉末比例，分别称取粉芯原料A、粉芯原料B所需的各种 粉末；(2)将粉芯原料A、粉芯原料B分别放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为120°C，干燥 时间为3小时；(3)利用球磨机分别混合粉芯原料A、粉芯原料B，使粉芯原料A、粉芯原料B分别 形成组分均勻的混合粉末；(4)采用厚度为0. 25mm、宽度为12mm的纯Ni带包裹球磨混合后的粉芯原料A，形 成粗粉芯丝材I，粉芯原料A在粗粉芯丝材I中所占的平均质量百分数为45wt. % ；(5)采用厚度为0. 25mm、宽度为12mm的纯Ni带包裹球磨混合后的粉芯原料B，形 成粗粉芯丝材II，粉芯原料B在粗粉芯丝材II中所占的平均质量百分数为45wt. % ；(6)利用制备粉芯丝的机械装置，依次经Ni带轧制成槽形、加入粉芯原料、轧制成 0形再拔丝减经等工序而形成粉芯丝I、粉芯丝II成品丝材，成品粉芯丝I、粉芯丝II的直 径为2. 8mm ；(7)将成品丝材粉芯丝I、粉芯丝II分别绕制在绕线轴上，形成盘状缠绕的粉芯丝。3、制备锅炉管耐高温氯腐蚀熔覆层在锅炉管外表面制备熔覆层的工艺为已有技术，其原理与申请号为 200910093083. 2的发明专利申请相同。采用氩弧熔覆法在锅炉管外表面制备耐高温氯腐 蚀熔覆层。实施氩弧熔覆工艺时，需保证粉芯丝I、粉芯丝II并行送至氩弧束作用区域，且 粉芯丝I、粉芯丝II的送丝速度相同。图1为采用氩弧熔覆法所制备的具有耐高温氯腐蚀 熔覆层过热器管照片，过热器管基材为TP347H。图2为熔覆层断面照片，熔覆层厚度约为 1. 05mmo
权利要求
一种用于在锅炉管外表面制备耐高温氯腐蚀熔覆层的双粉芯丝，其特征在于，双粉芯丝由粉芯丝I和粉芯丝II组成，利用等离子弧或氩弧熔覆法，在锅炉管外表面同时熔覆具有相同送丝速度的粉芯丝I和粉芯丝II，在基体表面形成由Ni Cr Mo Fe Ti为主相的熔覆层，熔覆层与基体达到冶金结合；熔覆层中，Cr的平均质量百分数为20 26wt％，Mo的平均质量百分数为13 17wt％，Ni的平均质量百分数为40 60％。
2.根据权利要求1所述的双粉芯丝，其特征在于，所述的粉芯丝I由纯Ni带外皮和粉 芯原料A组成；所用的粉芯原料A中，各种粉末的质量百分数分别为Ti粉2-4wt. %, Cr 粉10-1 Iwt. %，Mo粉余量；利用纯Ni带包裹粉芯原料A，形成粉芯丝I ；粉芯丝I中粉 芯原料A的质量百分数为40-50%。
3.根据权利要求1所述的双粉芯丝，其特征在于，所述的粉芯丝II由纯Ni带外皮和 粉芯原料B组成；所用的粉芯原料B中，各种粉末的质量百分数分别为W粉3-6wt. %,Cr 粉余量；利用纯Ni带包裹粉芯原料B，形成粉芯丝II ；粉芯丝II中粉芯原料B的质量百 分数为40-50%。
全文摘要
一种用于在锅炉管外表面制备耐高温氯腐蚀熔覆层的双粉芯丝，属于表面工程技术领域。双粉芯丝由粉芯丝I和粉芯丝II组成，利用等离子弧、氩弧熔覆法，在锅炉管外表面同时熔覆具有相同送丝速度的粉芯丝I和粉芯丝II，在基体表面形成由Ni-Cr-Mo-Fe-Ti为主相的熔覆层，熔覆层与基体达到冶金结合；熔覆层中，Cr的平均质量百分数为20-26wt％，Mo的平均质量百分数为13-17wt％，Ni的平均质量百分数为40-60％。利用等离子弧、氩弧熔覆法，在锅炉管外表面同时熔覆粉芯丝A和粉芯丝B，可形成厚度大于500μm的耐高温氯腐蚀熔覆层，熔覆层与基体达到冶金结合。优点在于，突破了现有热喷涂技术所存在的涂层与基体结合强度低、涂层厚度一般小于500μm、涂层存在孔隙率等局限性。
文档编号C23C24/10GK101914766SQ20101023332
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月19日 优先权日2010年7月19日
发明者刘宗德, 袁伟 申请人:华北电力大学;北京华电纳鑫科技有限公司