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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 循环流化床锅炉用特殊热电偶爱护套管的选材与进展山东科技高校材料科学争论院王灿明孙宏飞万殿茂于美杰 泰安 271019 摘要： 本文分析了循环流化床锅炉用特殊热电偶爱护套管的磨损机理,并从选材和新材料 新工艺的应用两个方面阐述了如何有效的提高热电偶爱护套管的性能；文中仍介绍了特种 耐磨热电偶爱护套管的进展动向；关键词： 热电偶耐磨性新材料 高铬铸铁金属间化合物Material Selection and Development of Special Thermocouple Cannula Used on Circulating Fluidize
2、d Bed Boiler Wang Canming Sun Hongfei Wan Dianmao Yu Meijie Shandong University of Science &Technology （Tai an 271019）Abstract: This paper deals with the wear mechanism of special thermocouple cannula used on circulating fluidized bed boiler. And put forward two available ways on the improvement of
3、its properties from material selection and the application of new material and new process. The developmental tendencyfor special wear-resistant thermocouple cannula is also introduced in this paper. key words: Thermocouple Wear resistance New material High Cr cast iron Intermetallic compound 1 引言 随
4、着社会的进展和进步,我国在环保方面的要求也进一步严格,循环流化床燃烧技术 作为一项新型燃烧技术,在节省能源、调剂负荷、掌握污染及燃料适应性等方面具有突出 的优点,在电力工业、垃圾焚烧、水泥工业等很多领域中得到日益广泛的应用；目前全国 已有 20 多个锅炉厂生产 20t/h 蒸发量以下的常规流化床锅炉和循环流化床锅炉；至今全国 1然而,由于循 累计有近 3000 多台工业流化床锅炉在运行中,其数量在世界上排第一位；环流化床锅炉特殊的燃烧方式,易损件的磨损问题始终是影响其长期安全运行的重要因 素；为解决这一问题,材料工作者作了大量的工作,提出了很多有意义的思路和解决方 案；其中,大量新材料、新工艺
5、的显现和应用为解决这一问题供应了可能；循环流化床锅炉上所用热电偶测温问题目前是一个暴露比较突出的需要亟待解决的问 题；由于高温冲蚀严峻而大大降低了热电偶的正常使用寿命；必需采纳特殊高温耐磨热电 偶爱护套管来解决该问题,经过争论进展,其在制备技术上有了较大的进步,性能价格比 也在不断的提高；本文就该问题进行争论,试图引起大家的留意；共同为提高我国热电偶 技术的测量水平作出奉献；2 循环流化床锅炉燃烧及磨损机理 循环流化床锅炉与传统的煤粉锅炉不同,在燃烧过程中,炉内床料在烟气携带下沿炉 膛上升,经炉膛上部出口进入分别器,在分别器中进行气、固两相分别,分别后的烟气经 上部出口,进入锅炉尾部烟道,分别
6、出来的固体粒子,经回料阀再返回炉膛下部；在循环 流化床锅炉的运行中,含有燃料、燃料灰、石灰石及其反应产物的固体床料,在炉膛-分别 器-料阀 -炉膛这一封闭循环回路里处于不停的高温循环流淌中,并在炉内以 850 9501 / 4 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 4 页精选学习资料 - - - - - - - - - 进行高效率燃烧及脱硫反应；床料除在这一回路中作外循环流淌外,其在重力作用下,在 炉内不断地进行内循环流淌；因此,在循环回路的相应部位必定产生严峻磨损；2、3以上分析说明,热电偶爱护套管在炉内所处环境为高温,氧化性气氛,且有循环流体 的冲刷碰撞,其磨损应当属于高
7、温下的冲刷磨粒磨损；这种磨损的形式大致可归为两类：一类是在碰撞过程中由于材料的反复变形引起的疲惫磨损；另一类就是材料在自由运动的 颗粒的切削作用下引起的破坏,称之为凿削式磨损；炉内的高温可转变材料的组织结构,使其硬度大大下降,从而加重了磨损；同时,材料的高温氧化也降低了其韧性,冲击时氧 化层简单崩落,这也加速了材料磨损；磨损的程度与冲击角度的关系很大,冲击角为 90没有凿削式磨损,而仅是疲惫磨损,此磨损很稍微；当冲击角度为20 50 时磨损最严重；因此爱护管的插入方向与流速方向夹角应躲开这个角度范畴； 4 认真观看分析热电偶爱护套管的失效部位,大致有两个部位比较简单失效,一是热电 偶爱护套管的
8、端部,此处的材料处于烟气、物料的直接冲刷和回旋、涡流的综合作用下,磨损较为严峻；另一部位就是热电偶爱护套管与炉壁的交接处,此处的磨损主要是由于烟 气、物料在该部位的涡流所引起的冲刷磨损；上述分析说明,高温冲蚀磨缺失效是循环流化床锅炉用特殊热电偶爱护套管的主要失 效缘由,这是在爱护套管的选材和制备中第一应当留意的问题；3 热电偶爱护套管的选材及其进展 热电偶采纳爱护套管主要有两种用途,一是防止遭受机械损坏,二是在热电偶及其周 围之间插入一个屏蔽套,这样可使热电偶尽可能保持在接近其正确的气氛中；因此,依据 特定的使用环境选用合适的热电偶爱护套管对于延长热电极的使用寿命以及提高测温的准 确度是相当重
9、要的；5 3.1 选材的原就及常用材料的优缺点 依据热电偶爱护套管在循环流化床锅炉内所处的环境,在其选材上应留意以下几点：（1）材料的气密性好（即气孔率小）；（2）应有足够的强度和稳固性,抗热冲击性能好；（ 3）材料的红硬性好,要求材料必需耐磨；（4）耐化学腐蚀性能好,由于燃煤介质 中含有 2、 3 、 2、 2等腐蚀性气体；（5）导热性好；目前已在工业上应用的热电偶爱护套管材料按其材质分主要有金属材料,非金属材料 与金属材料和非金属材料的复合材料三大类；1、 金属爱护管材料 应用较多的有不锈钢和高温合金,这类材料的优点是机械强度高,耐腐蚀性能与导热 性能好,但其高温热强性差,故高温耐磨性较差
10、；不锈钢爱护管一般可使用 78 天,而一 般的其他材料也就是使用 12 个月；近年来国内外始终没有抱负的解决方法,在困扰中只 好实行加厚爱护管管壁的方法,有的热电偶爱护套管的壁厚已达到了 10 余毫 M ；因此,在循环流化床锅炉中应用成效不是很抱负,性能价格比差；2、 非金属爱护管材料 常用的材料有石英、高温陶瓷、氧化镁、氧化铝等；同金属材料相比,这类材料的优 点是高温耐磨性好,耐腐蚀性能良好,但缺点也是很明显的,第一是导热率差,热响应敏 感性差,因此管壁不能做的很厚,而管壁的减薄又给应用带来了一系列的问题；陶瓷类材 料一般较脆,抗热震性能差,在使用过程中由于冲击和热震简单导致脆裂,特殊是在循
11、环 流化床锅炉中使用由于剧烈的冲蚀作用而易早期失效；3、 复合材料爱护套管 近年来进展较快的有金属陶瓷复合材料和特殊复合涂层材料爱护套管；金属陶瓷复合 材料是由金属基体、陶瓷成分和润滑剂等组成的多元复合材料；这类材料制造的热电偶保2 / 4 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 4 页精选学习资料 - - - - - - - - - 护套管具有导热性好、抗热震性强耐热、耐磨等优点；特殊复合涂层材料爱护套管目前大 多是将硬度高耐磨的复合材料如金属陶瓷等以激光熔敷等手段涂敷在金属基体表面；上述 复合材料爱护套管,其优点是综合了两种不同材料的特点,具有肯定的优势互补性,缺点 就是由
12、于两种材料特殊的复合机制而使得制造过程太复杂；6 7 8 3.2 耐磨材料的进展及其在热电偶爱护套管中的应用 经过 30 余年的争论与应用,国外耐磨材料的争论与应用已趋于稳固,发达国家已有自 己的系列产品和国家标准；在非金属材料中,陶瓷的耐磨性能较为优异,然而,这类材料脆性较大,抗热震性能 不足,且其导热性能相对较差一些,为了提高热敏锐性,管壁又不能做的太厚；因此用这 类材料做成的热电偶爱护套管在循环硫化床中应用成效不是很好；目前,国内外在陶瓷材 料领域的应用争论趋势大多为进展金属与陶瓷的复合材料,既金属陶瓷材料,或采纳表面 涂层技术,将其用作涂层材料；金属耐磨材料的进展,经受了从高锰钢、一般
13、白口铸铁、镍硬铸铁到高铬铸铁几个阶 段；目前进展成为耐磨铸铁、耐磨钢和耐磨合金三大类；耐磨钢和耐磨合金虽然各有其特 点,但从成本、抗磨性方面远不如白口铸铁,因此,后者应用较为广泛,特殊是合金白口 铸铁,其寿命均比一般白口铸铁提高几倍,甚至几十倍；其铬系白口铸铁,通过调整铬含 量和碳含量,可大幅度提高它的综合性能；人们常说的高铬铸铁实际上是高铬钼白口铸铁,从含碳量可分为 Cr15 和 Cr20 两类,30% 前者用于承担一般的冲击磨损,后者用于高冲击磨损及厚度较大的耐磨件；含铬量为 的高铬铸铁就用于耐热、耐磨或耐蚀的工件；高铬铸铁作为常温下的抗磨料磨损材料已得到了日益广泛的应用,但在高温磨损工况
14、 下,材料的服役条件比常温磨损更为恶劣,材料服役过程中不仅受到磨料磨损作用产生损 伤,仍有高温气体对材料的氧化腐蚀；以往在高温磨损工况下使用的材料 如 CrMnN 钢,只留意其抗氧化腐蚀性能,而在选材时要求碳含量很低,其结果是材料的抗磨性造成损 失；因此,争论高温抗磨材料,就必需对材料综合考虑,才可能正确设计和挑选所使用的材料；高铬铸铁凝固时形成Cr, Fe7C3 型碳化物,这种碳化物的硬度高15001800HV ,远高于 Cr,Fe3C 型碳化物的硬度 8401100 HV ,这是高铬铸铁具有高耐磨性的主要原因；高铬铸铁的共晶结构与一般铸铁中的莱氏体相反,共晶碳化物为不连续相,以分散的 单体
15、存在于奥氏体中,而共晶奥氏体就为连续体；这种特殊结构相当于在肯定基体上嵌入 高硬度的颗粒,大大减弱了高硬度相的脆化作用,因此高铬铸铁具有较好的韧性；高铬铸 铁中的铬一部分进入碳化物,另一部分进入基体,从而提高了基体的抗氧化才能；9 10从高铬铸铁的组织特点中可以看出,将其用作耐磨用热电偶爱护套管材料是完全可行 的,如何调整成分使其达到正确的耐磨抗蚀成效仍需要进一步的争论和试验；3.3 新材料涂层技术在热电偶爱护套管上的应用 新材料涂层技术在热电偶爱护套管上有着极其广泛的应用前景；其特点是可以将两种 不同的材料进行组合,充分发挥基体和涂层的特性,有效的满意实际需要；因此国际上在 这方面的争论较为
16、活跃,在提高材料的耐磨性方面的应用有激光熔敷金属陶瓷、梯度功能 陶瓷涂层等等；在一般的耐磨涂层技术中,大多使用的是WC+ 金属的材料体系；但是由于锅炉的使用温度高, WC 在该温度下会分解,WC 的使用温度不能超过 550,因此在锅炉耐磨涂层中不能使用 WC 体系；目前国际上大多使用的是 Cr3C2+NiCr 的涂层体系；该体系使用成效较好,但是成本较高；值得留意的是,在热电偶领域的实际应用中,本课题组采纳新材料 +新工艺制备出了金属间化合物涂层热电偶爱护套管；金属间化合物是介于金属与陶瓷之间的高熔点结构材3 / 4 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 4 页精选学习资料
17、- - - - - - - - - 料,因而使该热电偶爱护套管具有了全新的性能；一是具有了优异的耐蚀性能,抗氧化性能好,特殊是抗硫化氢的才能极强；二是具有了优异的耐磨性能,涂层具有了金属间化合物的高温高硬度的特点,所以耐磨；三是具有了优异的耐热性能,目前镍基变形高温合金使用温度达 9501000,而镍基铸造高温合金的使用温度达 10501100,已达材料肯定熔点的 0.8 左右,假如 Ni-Al 的使用温度也考虑在 0.8 ,其使用温度可达 1250左右,可比现有的高温合金提高 150200,达到国内领先,国际先进水平；四是可以用一般材质代替优质材料,比如可以用1Cr18Ni9Ti+ 表面金属
18、间化合物涂层的方法来代替价格昂贵的耐热高温合金,不但成本低,而且其性能大大超过了价格昂贵的高温合金等；五在保证性 能的前提下,成本低廉；对于一些用于高温耐磨环境的热电偶爱护套管,采纳该金属间化 合物涂层技术制取的热电偶在沸腾炉、循环流化床锅炉、水泥回转窑窑尾烟室、球磨机、风扇磨、磨煤机等出口及管道测温的地方使用均获得了中意的成效；梯度功能材料 FGM涂层技术在热电偶爱护套管的涂层技术上特别适用,由于涂层技术 应用爱护套管,就必定存在一个热应力不相适应的问题；开发出具有缓和热应力功能的超 不但可以提高爱护套管表面涂层的使用寿命,而且仍可以同金属间化合物有 耐热型材料,效结合,形成成效更佳的复合涂
19、层；在国外,已有以金属间化合物作为粘接剂的金属间化合物陶瓷复合涂层方面的报道,如金属间化合物粘接TiC,这种材料不但硬度高,耐腐蚀和耐磨损才能特殊优异,而且通过调整金属间化合物的含量,能够掌握其热膨胀率使之和 钢材的较为接近；国内在这方面的争论也相当活跃,本课题组经过近几年的争论,在金属 间化合物 +精细陶瓷复合涂层技术方面获得了圆满的胜利,金属间化合物具有良好的耐热 性耐蚀性等优点,精细陶瓷除具有耐热耐蚀特性外,仍具有突出的耐磨性和不粘性,用这 种材料制备的热电偶爱护套管必定具有抱负的耐磨性能,目前已在水泥、锅炉、玻璃等行 业应用,取得了抱负的成效；11 12 4 终止语 综上所述,采纳新材
20、料和新工艺是提高循环流化床锅炉用热电偶耐磨性的有效方法；特殊是将表面涂层技术引入热电偶的制造之中,大大拓宽了思路,有效的解决了如何在低 投入的情形下全面提高热电偶爱护套管的性能这一问题；现代科技的进展日新月益,在将 来必将会有更新的材料和工艺应用于热电偶这一领域；参考文献 1 刘德昌主编 流化床燃烧技术的工业应用 中国电力出版社 1999 年 1 月第 1 版 2 邱智威 循环流化床锅炉磨损机理及防磨技术 锅炉技术 2000 年 03 期3 于龙 ,孙永立等 循环流化床锅炉用耐火材料的现状与选材发电设备 2000 年 01 期4 郭森魁何祥义等 循环流化床锅炉磨损影响因素及磨损试验 锅炉制造
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