一种焚烧炉水冷壁防护兼抗结垢功能梯度涂层及制备方法

本发明涉及特殊功能涂料，涉及一种焚烧炉水冷壁防护兼抗结垢功能梯度涂层及其制备方法，具体涉及一种适用于垃圾焚烧炉水冷壁的具有防护兼抗结垢功能的梯度涂层及其制备方法。

背景技术：

1、垃圾焚烧炉内燃料在燃烧过程中，由于大量的固体颗粒撞击或冲刷炉内受热面，常常会导致水冷壁面发生冲蚀磨损，使壁厚快速减薄；加之炉内高温环境中低熔点烟气组分由于在近壁处冷凝、热扩散或惯性撞击会形成熔融腐蚀性污垢粘附壁面，同时可能伴有高浓度的酸性气氛，造成壁面发生严重的高温腐蚀和结垢结渣；渣层厚度的增加又使得受热面导热和辐射热阻增加，导致综合换热性能下降。

2、由于严重的冲蚀磨损、高温腐蚀和结垢结渣，水冷壁的服役常常面临着安全和能效问题，其性能在很大程度上影响着电站的经济效益和系统安全。针对垃圾焚烧炉内水冷壁存在的上述问题，有一些技术得到应用推广，包括热堆焊、表面熔覆和感应重熔等，但这些技术或多或少存在这样那样的缺陷，如热堆焊技术存在孔隙率不易控制、镍金属耗费过大的问题，表面熔覆技术存在制备工艺复杂、成本高的问题，感应重熔存在施工效率低、现场适应性差的问题，此外以上技术并没有很好地解决高温腐蚀、沾污结渣的问题，仅仅是通过增厚壁面达到耐腐蚀的效果，均存在较大的局限性。

3、因此，开发一种耐腐蚀性能好、施工工艺要求较低、成本相对较低且抗结垢性能好的焚烧炉水冷壁防护涂层极具现实意义。

技术实现思路

1、由于现有技术存在上述缺陷，本发明提供了一种耐腐蚀性能好、施工工艺要求较低、成本相对较低且抗结垢性能好的焚烧炉水冷壁防护涂层，克服了现有焚烧炉水冷壁防护涂层工艺复杂、成本较高、耐腐蚀性能差且抗结垢性能差的缺陷。

2、为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

3、一种焚烧炉水冷壁防护兼抗结垢功能梯度涂层，包括相互连接且依次布置的过渡层和工作层；

4、所述过渡层远离工作层侧与基体连接；

5、所述过渡层为超音速电弧喷涂金属陶瓷，所述金属陶瓷的材质包括喷涂药芯焊丝外皮和药粉，所述喷涂药芯焊丝外皮的组分包括60～65wt％al、15～18wt％si、10～13wt％cr、7～10wt％fe、1～1.5wt％mn、0.5～1wt％mo和0.3～0.5wt％c；

6、所述工作层为冷喷涂热固化成型氟改性有机复合材料，所述氟改性有机复合材料的材质包括氟改性有机硅树脂和无机填料，所述氟改性有机硅树脂的组分包括30～35wt％氟硅树脂、25～35wt％有机硅树脂、10～15wt％环氧树脂、5～10wt％聚酰亚胺树脂、5～10wt％酚醛树脂、4～7wt％聚苯醚、4～7wt％增韧剂、5～10wt％稀释剂、3～5wt％固化剂。

7、喷涂药芯焊丝外皮中的铝硅组分具有很好的耐腐蚀效果，且熔点低、润湿性好，成型后致密度高；氟改性有机硅树脂以氟硅树脂和有机硅树脂混合，既能减少氟材料的用量，又能达到降低涂层表面能的效果。

8、本发明采用双层设计，其中过渡层(强化基体界面结合强度)的金属陶瓷为无机材料，其发挥耐腐耐磨功能，工作层(低表面能)的氟改性有机复合材料为有机复合材料，其发挥耐高温抗结垢功能，从而实现从防护到抗结垢的功能梯度组合(即组分从过渡层到工作层的梯度变化)，两者相互配合实现了耐腐蚀性能及抗结垢性能的良好兼顾；同时优化涂层耐腐蚀组分并改善涂层的致密度，所用材料组分成本相对低廉，大大降低了成本，施工工艺相对简单，现场施工便捷高效，且后期维护成本低廉，应用前景好。

9、作为优选的技术方案：

10、如上所述的一种焚烧炉水冷壁防护兼抗结垢功能梯度涂层，所述药粉的组分包括20～25％ tic、20～25wt％aln、15～20wt％cr3c2、10～15wt％alni、5～10wt％nicral、1～3wt％y2o3、5～8wt％硼化物、3～5wt％钛粉、3～5wt％镍粉和1～3wt％硅酸钠；

11、所述金属陶瓷的填充率为28～32％。tic和cr3c2可以增强涂层的强度，aln和alni等是陶瓷组分，对提升涂层的耐腐性和强度有积极作用。

12、如上所述的一种焚烧炉水冷壁防护兼抗结垢功能梯度涂层，所述无机填料的组分包括25～35wt％六方氮化硼、20～25wt％气相二氧化硅、15～20wt％碳化硅、25～40wt％硅酸锆和3～6wt％磷酸二氢铝；

13、所述氟改性有机硅树脂与无机填料的质量比为70～75：25～30。六方氮化硼对减缓矿质结垢有很好的作用，气相二氧化硅与氟改性有机复合材料搭配是在涂层表面形成低表面能的关键。

14、如上所述的一种焚烧炉水冷壁防护兼抗结垢功能梯度涂层，所述六方氮化硼的颗粒尺度为0.2方氮化硼的颗粒尺，碳化硅的颗粒尺度为0.5尺度化硼的颗，硅酸锆的颗粒尺度为0.5尺度化硼的颗，气相二氧化硅的颗粒尺度为20～50nm；

15、所述气相二氧化硅使用硅烷偶联剂kh-550改性再分散至氟改性有机硅树脂中，各类无机填料依据颗粒尺度，从小到大依次分散到氟改性有机硅树脂中。

16、如上所述的一种焚烧炉水冷壁防护兼抗结垢功能梯度涂层，所述焚烧炉水冷壁防护兼抗结垢功能梯度涂层的厚度为0.2～0.3mm；

17、所述过渡层的厚度为0.1～0.2mm；

18、所述工作层的厚度为0.1～0.2mm；

19、在300～500℃的炉内服役温度下，水冷壁传热各环节中焚烧炉水冷壁防护兼抗结垢功能梯度涂层对导热的影响小于3％，对总传热的影响小于2‰。

20、具体地，在300～500℃的炉内服役温度下，过渡层的导热系数大于7.4w/(m·k)，工作层的导热系数大于0.8w/(m·k)。非服役状态下，在水冷壁传热各环节中，涂层热阻对导热环节造成的衰减小于4％，服役工况下，考虑到无涂层水冷壁有结垢结渣，而有涂层的水冷壁垢层生长脱落周期快的实际情况，对总传热性能而言，带涂层的水冷壁传热性能可提升3～34‰。

21、如上所述的一种焚烧炉水冷壁防护兼抗结垢功能梯度涂层，所述过渡层与基体的结合强度大于50mpa，所述过渡层的孔隙率小于3％；

22、所述工作层与过渡层的结合强度大于35mpa，所述工作层的孔隙率小于0.3％，所述工作层对固态污垢的接触角在90°以上。

23、此外，本发明还提供如上所述的一种焚烧炉水冷壁防护兼抗结垢功能梯度涂层的制备方法，包括以下步骤：

24、(1)对基体的表面进行喷砂预处理及表面清洁；

25、(2)配置金属陶瓷原料并在步骤(1)处理后的基体表面进行超音速电弧喷涂即得过渡层；

26、(3)配置氟改性有机复合材料原料并在过渡层上进行冷喷涂；

27、(4)阴干后启炉随炉温升至350℃固化成型工作层。

28、本发明的制备方法工艺较为简单，施工成本较为低廉且施工效率高。

29、作为优选的技术方案：

30、如上所述的制备方法，步骤(1)中，所述喷砂预处理使用的砂料为40目白刚玉，通过喷砂预处理将基体的表面粗糙度增大至sa2.5，所述表面清洁是采用高压空气或无水乙醇进行的；

31、步骤(2)中，所述超音速电弧喷涂的工艺参数为电弧电压36v，电流140a，空气压力0.6mpa，送丝速度5～7m/min，喷枪移动速度4～6cm/s。

32、如上所述的制备方法，步骤(3)中，所述冷喷涂的工艺参数为：空气压力0.8mpa，喷涂距离30～40cm，喷涂角度90±10°，喷枪移动速度8～10cm/s；

33、步骤(4)中，阴干为自然阴干48小时以上，炉的升温速率为200℃/d(天)。

34、以上技术方案仅为本发明的一种可行的技术方案而已，本发明的保护范围并不仅限于此，本领域技术人员可根据实际需求合理调整具体设计。

35、上述发明具有如下优点或者有益效果：

36、(1)本发明的焚烧炉水冷壁防护兼抗结垢功能梯度涂层，采用超音速电弧喷涂耐腐耐磨金属陶瓷材料作为过渡层，其中药芯焊丝外皮为铝硅合金，可以极大增强金属陶瓷与水冷壁的结合强度，充分发挥出金属陶瓷的耐腐耐磨性能优势；

37、(2)本发明的焚烧炉水冷壁防护兼抗结垢功能梯度涂层，采用冷喷涂热固化成型氟改性有机复合材料作为工作层，其中的氟硅树脂、六方氮化硼和气相二氧化硅形成的低表面能壁面可以起到减少污垢粘附的抗结垢功能；

38、(3)本发明的焚烧炉水冷壁防护兼抗结垢功能梯度涂层，热喷涂加冷喷涂形成的功能梯度涂层，现场施工便捷高效，且后期维护成本低廉，预期服役寿命在三年以上，且防护性能衰减小，同时还能增强水冷壁的传热性能，综合性能优越，应用前景好。