有色金属(钢铁厂)
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1.图片

 

                          钢铁厂  转炉烟罩

 

2.应用范围

 

分析了转炉余热锅炉烟罩产生破裂漏水的原因;设计及采用新的亚音速火焰喷涂工艺制备了烟罩管涂层。实际使用结果表明:采用热喷涂层保护的烟罩使用寿命能得到显著提高。

材料

 

钢厂40t60t80t150 t 转炉烟罩漏水问题曾经很突出,特别是下部烟罩、裙罩的水冷壁水管烧损、开裂、漏水严重,有的新烟罩

在使用约半年后便出现漏水现象,不仅增加了检修工作量,不利于安全生产,而且增加了炼钢成本,制约了炼钢产量。根据不同钢厂自身实际情况,应用效率高、成本低、工件受热小、可选择喷涂材料

种类多、孔隙率低、结合强度较高、涂层质量优、操作更方便的电弧喷涂技术,有针对性地在该厂转炉烟罩水冷壁的易损表面喷涂一定厚度的特殊合金涂层,以解决烟罩漏水问题,延长烟罩的使用寿命。转炉烟罩

 

工况分析

转炉烟罩是转炉炼钢的重要设备之一。根据冷却方式不同,分为水冷烟罩、汽化冷却烟罩和废热锅炉等。梅山炼钢厂转炉烟罩为循环水冷却型,烟罩在转炉炉口的上方,主要由上部烟罩、下部烟罩、裙罩及升降机构、台车行走机构等组成,该烟罩的水冷壁由20G 无缝钢管拼焊而成。转炉吹炼生产过程中会产生含大量CO、CO2、N2、O2、H2、P2O5、MgO、SiO2、CaO、S、FeO、Fe2O3 等物质的高温炉气、粉尘,常造成烟罩

水冷壁的磨损、侵蚀。烟罩水管内循环水流速偏低时,易造成水管局部过热,引起水管内壁的高温氧化腐蚀,降低水管导热性,最终形成爆管。溅渣护炉工艺使一些高温液态渣和少量钢水喷溅到烟罩靠近炉口的水冷壁表面,产生黏渣烧蚀,易造成局部过热、变形、热疲劳、侵蚀减薄、开裂等故障。烟罩事故主要是水冷壁水管的漏水。当烟罩内轻微漏水时,产生的水蒸气使转炉烟气中的各种成分对冷却水管的侵蚀加剧;当烟罩内漏水严重时,水进入吹炼温度达1 600℃以上的转炉内,与高温液态熔渣混合易发生爆炸。烟罩漏水影响了转炉的正常生产。针对烟罩冷却水管的磨损、侵蚀、烧损、裂纹、焊缝拉裂等缺陷,采用焊补、局部换管、闷头等方法可以治理烟罩漏水。随着烟罩使用寿命的延长,其修补量也相应增大,当水冷壁大面积烧损而无法修补时,烟罩便报废。

 

转炉烟罩 喷涂方案

镍铬合金是适合转炉烟罩水冷壁防护的较理想的喷涂材料,镍铬合金涂层含有大量合金元素,其耐磨、耐侵蚀、耐黏渣烧蚀、抗热疲劳等性能很好,且其热膨胀系数与碳钢接近。所设计的工作涂层为GP-99 镍铬基合金,厚度为0.50mm。用电弧喷涂技术在转炉烟罩水冷壁的工作表面喷涂性能优良的合金涂层,能有效提高水冷壁的综合性能、延长烟罩的使用寿命。其水冷壁表面应选择性喷涂,裙罩和下部烟罩靠近工况恶劣的转炉炉口,其水冷壁工作面宜全部喷涂;上部烟罩烟罩因远离炉口,工况相对较好一些,一般只需对加料口、氧枪口和副枪口的周围及烟罩

 

下部进行喷涂。

经济效益

钢厂的45 t 转炉烟罩,每套需要电弧喷涂合金涂层保护的水冷壁面积总计约100 m2,一般连续喷砂、喷涂、后处理的施工时间约7 天。经电弧喷涂处理后,转炉烟罩水冷壁的耐磨性、耐蚀性、耐溅渣烧蚀性能都显著提高,喷涂后可确保使用两个炉役。目前,转炉烟罩水冷壁均针对性地采用了此电弧喷涂合金保护涂层,在延长转炉烟罩的使用寿命、减少维修工作量、提高转炉炉龄、充分发挥转炉产能方面效果明显。

其次还易受到高温氧化和硫酸盐及硫、硫化物的热腐蚀。水冷壁管具备了高温氧化和高温腐蚀条件,其烟气温度高,且是富氧燃烧,实践证明,在300℃以上,管外表温度每升高50℃,腐蚀速度增加1倍。锅炉在运行过程中受热面管表面首先发生高温氧化,表面生成Fe2O3,其次燃料灰中的Na2O和K2O与烟气中的SO3化合生成硫酸盐,其捕捉飞灰形成结渣和流渣,此时烟气中SO3与M2SO4同管壁上的Fe2O3反应生成复合硫酸盐MFe(SO42或M3Fe(SO43,此复合硫酸盐受高温又分解为疏松状氧化铁和硫酸盐沉积层,易被飞灰气流冲蚀带走,氧化腐蚀继续向管壁纵深进行;另外燃料中硫份,经燃烧生成的S和H2S也对管壁会产生强烈的腐蚀,与Fe反应生成FeS。在上述多种因素作用下,导致受热面管壁逐渐因为磨蚀而变薄,当局部不能承受管内水汽压力时即造成爆漏而失效。

重因素共同作用下,受热面管从外向内不断地被吹损、冲刷磨损和氧化、腐蚀,使之逐渐减薄,当局部承受不了管内水汽压力时即造成爆漏而失效。

 

二、防护施工设计:

(1)防护范围,用超音速金属喷涂技术来修复。

(2)采取二次喷砂工艺对吹薄的管子表面进行喷砂处理,除去表面的油和锈,使其表面呈现金属本色,达到完全清洁和粗糙,即先用石英砂对表面进行清洁,再用金刚砂对基体表面进行糙化处理,执行ISO8501-1《喷砂后表面清洁度标准》要求。喷砂处理后,用干燥的压缩空气吹去基体表面的砂尘。

(3)喷涂前用丙酮溶液对丝材进行表面除油。为了保证涂层质量,必须选定好工艺参数,并严格加以控制。

(4)采用超音速电弧喷涂技术,锅炉受热面选用硬度特别高、耐吹损和冲刷磨损性能优异,同时具备抗高温氧化和热腐蚀性能良好的合金陶瓷耐冲蚀芯材,作为喷涂材料,所用材料必须有检验合格证,并经过现场检测合格,涂层厚度不低于0.5mm,表面硬度不小于HRC45,结合强度不低于55MPa,涂层组织均匀、致密,孔隙率不超过1%。

(5)涂层表面采用高温耐磨防腐专用封孔剂封孔。

由此制得的金属喷涂涂层进行防护,能满足防护要求。

 

三、涂层技术指标:

1、合金陶瓷耐冲蚀芯材涂层

涂层厚度(封孔前测量):不低于0.5mm

喷涂质点速度:≥380m/s

结合强度不低于55MPa

硬度:≥HRC45

粒子沉积率:≥95%

喷涂时控制基体温度<120℃

喷涂后投入使用涂层年减薄量≤0.1mm

抗高温氧化性:+12.16mg/cm2(750℃氧化250h)

孔隙率:不超过2%

热膨胀系数:9.5×10-6/k

传热系数:45—55w/m.k

基体温度≤100℃

工件变形性:不变形

2、HY型高温耐磨防腐专用封孔层

主要成份:纳米氧化锆、纳米氧化铝、氧化铝微粉、氮化硼微粉等

厚    度:0.05-0.1mm

工作温度:≥1000℃

结合强度:≥6 MPa

 

四、合金陶瓷耐冲蚀芯材说明:

涂层应用HY-500超音速电弧喷涂系统,是一种高性能的抗腐蚀涂层,专门用于电厂锅炉高温环境中硫腐蚀和氧化腐蚀保护。 应用合金陶瓷耐冲蚀芯材涂层能使用户达到以下目标:

● 消除非计划停炉

● 缩短停炉时间

● 延长锅炉大修周期

● 增加锅炉管服务年限

  主要成分是镍铬合金的合金陶瓷耐冲蚀芯材是优异的耐腐蚀耐磨涂层,在高温环境中,防磨抗腐蚀能力比一般碳钢高60多倍,这一结果早被大量的实验和实际应用所证实。

  合金陶瓷耐冲蚀芯材是预合金化的涂层材料

,这一点至关重要,因为如果丝材不预合金化,涂层中就会存在富Ni区既贫Cr区,这就很容易形成S侵蚀该区域并进一步腐蚀锅炉管壁。同时非预合金化的材料

也使涂层容易剥落。能保证Ni、Cr金属在合金中高度均匀分布,从而确保了涂层具有优异的保护性能。

合金陶瓷耐冲蚀芯材涂层的优越性:

● 孔隙率:<1%

● 氧化率:5 — 10%

● 结合强度:45Mp

● 喷涂距离弹性:约5厘米

● 质点速度:300-400米/秒

● 最高表面温度:135 ℃

 

五、ST型高温耐磨抗蚀专用封孔剂说明:

HY型高温耐磨抗蚀专用封孔剂采用超硬新材料

,应用合成新工艺,以及粒子的配级等技术精心加工配制而成,在常温下可快速固化,高温下形成坚硬的陶瓷体。其高温耐磨性好,导热系数大,抗蚀性强,与金属表面粘结具有极强的吸附性和热震稳定性,不脱落、不出现裂纹等特点。用其对金属热喷涂涂层表面进行封孔,能有效渗透、浸湿涂层孔隙,并在高温下逐渐陶瓷化,使整个涂层更致密,阻止介质中的有害成份通过微小的涂层隙进入涂层内部,能获得有效封闭毛细孔的效果。

 

六、喷砂设备及应用说明

 (1) 设备说明

HY控制系统喷砂设备其PCS遥控系统气动型控制系统,由RCM控制器(喷嘴处)、RIV进气阀、ROV排气阀、OF过滤器、控制气管和接头等组成,并配有贮沙罐等。在非工作状态时,RCM控制器手柄被弹簧顶起,RIV进气阀旋塞打开。工作时,压下RCM手柄,控制气流经另一根控制气管到达RIV进气阀和ROV排报导阀顶部,使进气阀打开,排气阀关闭,磨料桶内压力升高,喷丸作业开始。

(2) 喷砂对基体表面的作用

① 净化表面:去除被喷表面的各种污杂物,特别是油脂、污垢、氧化皮、铁锈、油漆涂层等,表面显示均匀的金属光泽,以利于熔融粉末与基体表面的粘合吸附(分子的溶解和扩散)。工作面清洁度达到GB8923-88《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》中规定的Sa3.0级。

② 粗化表面:热喷涂涂层与基体的结合以机械结合为主,这就要求基体前处理不仅要除油除锈,还要粗化表面,使用面具有一定的粗糙度。采取二次喷砂工艺对防磨部位进行表面糙化,即先选用16-20目优质石英砂对表面进行清洁,再用14-18目棕刚玉金刚砂对防磨表面进行糙化处理,其表面粗糙度达到ISO8501-1《喷砂后表面清洁度标准》要求。

粗化处理的目的

a增大喷涂层与基体的接触面积,提高结合面的粘合吸附力。

b增加涂层材料

与基体表面的填塞嵌合,锚合咬合作用,以加强涂层与基体的附着力。

③ 活化表面

喷砂使被喷涂表面形成活化能力:如晶格缺陷、塑性变形,产生一定的应力状态,以利于增加喷涂粒子与基体表面化吸附力,提高喷涂颗粒与基体的冶金结合能力。活化效果分析如下:

A 喷砂使工件表面在经过砂粒的反复打击后形成一定的残余压应力,尽管该应力数值极小,但对于松驰工件在喷涂过程中涂层热应力,对提高涂层的结合强度有利,同时也可以提高工件的抗疲劳强度。

B 喷砂可除去工件表面上的有机污杂物和氧化层,并能增大金属表面晶粒的塑性变形和造成晶格缺陷,使基体表面处于容易发生化学反应的状态,有助于喷涂颗粒与基体表面间的物理化学结合进行。

所以工件喷涂前进行喷砂处理是极为必要的,而且喷砂后的工件应尽快进行喷涂,时间越短表面活化效果越好,涂层质量越高。

 

七、超音速电弧喷涂设备与技术简介:

(1)设备简介

SX-600电弧喷涂设备是一种以各种实心线材和特殊粉芯线材为原料,广泛应用于各种表面的抗腐蚀和耐磨损处理的电弧喷涂系统,其粉芯线材经过特殊熔化。由于客户所需要的实芯线材不同,所以各种模具也有所不同。高能密度和特殊加工的电弧使SX-600能够充分熔化金属管及其内部的粉芯。SX-600可以实现傻瓜式自动喷涂,这个电弧喷涂系统符合CE-standard标准,并且包括以下模块。

①携式电源

②可以旋转的送丝装置

③手动喷涂设备

④管线集成件包括绝缘导向管

(2)技术简介

 超音速电弧喷涂是我公司通过引进先进设备和技术开发的金属热喷涂新技术,被美国、日本等发达国家列为二十一世纪表面工程关键技术。该喷涂技术采用燃烧于丝材端部的电弧将均匀送进的丝材熔化,经拉伐尔喷嘴加速后的超音速气流将熔化的丝材雾化为粒度细小、分布均匀的粒子,喷向工件形成涂层。与普通电弧喷涂和火焰喷涂相比,超音速电弧喷涂具有更高的粒子飞行速度、更强的结合强度、更低的孔隙率、涂层均匀度高、致密性好、且喷涂工件不变形,可获得高质量的涂层。

 

八、施工条件:

为了作好施工准备工作,其施工需要具备以下条件:

(1)电源: 380V  20KW   三相交流电

(2)气源: 气压>5kgf   流量>5m3/min

(3)平台: 长4m(最少3m)  宽2m(最少1.5m)

(4)喷涂工件的位置离主机放置位置的距离不超过15m

(5)施工部位所需的脚手架

 

九、施工具体情况:

1、喷涂工作、工艺及其前期准备工作包括表面处理等均由乙方进行,并由乙方自备喷涂所用设备、工具、材料。

2、甲方负责提供电源,安排场地。本工程的用水和用电我公司将按照我公司的外包工程管理办法向施工单位收取费用,施工单位在施工前准备好用电计量和用水计量的装置,便于统计和计量(费用包含在整个工程的报价中)。

3、乙方在施工前应将喷涂工艺细则提供给甲方,经同意后方可施工,乙方需将施工安全技术措施、施工进度表交付甲方。

 

十、施工技术规范:

1、施工准备:

① 根据实际需要搭好脚手架。

② 清除受热面上的杂物等。

③ 对管壁需实施喷涂的部位进行全面的质量检查,如发现需要修整补强的部位应及时向甲方提出。

④ 利用现场已有条件进行设备就位、电气接线、气源管线连接及磨料回收帆布铺设工作。

 

2、表面预处理:表面预处理按照GB11373-89《热喷涂金属件表面预处理通则》进行,并执行ISO8501-1《喷砂后表面清洁度标准》,达到其处理的好坏直接影响喷涂层的结合强度。

①涂层表面要致密、均匀,涂层不允许有起皮、鼓包、颗粒粗大、裂纹、掉块、漏喷及其它影响涂层使用的缺陷。防止在喷涂过程中产生局部温度过高,防止喷涂热变形;     

②在每个施工区域或每天施工区域交界处应设计出过渡层,在过渡层处涂层厚度由厚到薄设明显标记。涂层与水冷壁管的过渡区域平滑过渡,无明显凹凸台阶现象。

③喷砂前,对非有效表面采用遮蔽带、硬木板或橡胶等物进行遮蔽保护。并预留过渡区域,以保证涂层边缘光滑过渡。在过渡区内涂层由厚到薄应均匀过渡(过渡区域范围1OOmm).

④ 磨料选择及使用:喷砂材料应选用质坚有棱角的特级金刚砂,使用前应经筛选,砂内粘土及细粉尘含量不应大于5%,不得含有油污。喷砂前要晾晒干燥,含水量应不大于1%,并存放干燥,防止受潮、雨淋、砂内混入杂质。所用砂粒必须清洁、干燥,喷砂区域设围护及其它回收措施,确保不污染周围环境,经质量工程师确认后方可进行喷砂。

⑤喷砂装置:采用压力式喷砂设备

⑥ 压缩空气:利用现场气源或自备空压机,空气压力范围为0.5—0.6Mpa,气体流量控制在6m3/min左右。

⑦ 操作方法:喷砂距离100—300mm;喷砂角度:与基体60—80度;每次喷砂5-6m2。

除锈应从下至上进行,将凹凸不平的受热面打磨光滑平整后立即喷砂。表面清理度达到Sa3.0级,即完全去除钢材表面的锈、氧化皮、油污等附着物,并露出灰白色金属光泽,其粗糙度达到RZ40-80μm。

⑧在喷砂后应检查预处理的表面,采用TR100袖珍式表面粗糙度测试仪进行检测,发现有锈蚀或不合格的部位应重新进行处理,合格后再用超声波测厚仪对管壁进行第一次测厚δ1。喷砂完工后设备表面不得受潮、氧化及污染,在8小时内必须进行电弧喷涂,以保持被喷表面较高的活化度。

除锈后经有关人员验收合格后方可进行喷涂施工。

 

3、喷涂:超音速电弧喷涂按照GB11375-1989《热喷涂操作安全》执行。

使用超音速电弧喷涂技术进行喷涂。喷砂及前处理工艺完成后,通知甲方验收合格后方可喷涂。喷涂应尽快进行,其间隔时间越短越好,间隔时间不超过2小时。喷涂必须在如下条件下实施:环境大气温高于5℃或基体金属的温度至少比大气露点高3℃。热喷涂防腐、防磨表面层控制在7~8遍以达到规定的厚度要求。喷涂后表面不得存在裂纹、夹层,不脱落,表面均匀光滑,变形量符合要求值。

喷涂前,在表面预处理和喷涂工序之间需中间停留时,应对经预处理的有效表面采用干净牛皮纸或塑料膜等进行覆盖保护。

 

3.功能涂层

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