热喷涂方法、设备的选择

石化企业焚烧炉是尾气燃烧的关键设备，其主 要作用是焚烧尾气中残存的S 和H2S 并将其转化为 SO2，保证装置排放尾气符合国家环保要求。该炉 的结构和操作不太复杂，但工作介质腐蚀性却很 强，炉膛内存在着大量SO2、SO3、H2O、H2S、NOx 等多种腐蚀性组分[1] ，H2S 更是具有强还原性的气 体。焚烧炉的炉膛温度高，正常操作时长期工作温 度在950～1050 ℃，但在气流量波动时，短时温度 会高达1200 ℃，因此对电热偶材料有严格的耐高 温、抗腐蚀要求。 国内厂家在选择电热偶外套管材料时，多采用 Inconel 600 或601 作为高温抗腐蚀保护管，该类合 • 52 • 热 喷 涂 技 术 2 卷 金机械性能良好，便于拉拔加工和焊接，耐高温和 高温强度优秀，能抵抗海水、有机酸、废气等腐蚀 介质的侵入，但对H2S 的高温耐蚀性差，通常使用 4～5 周，电热偶就会损坏，厂家不得不关炉停车新 换一批。 鉴于电热偶外套管材料选择困难，部分厂家启 用价格昂贵的红外测温仪替代电热偶测温，并取得 了一定的经验[2]。但用辐射法非接触测量固体表面 温度时，最困难的是测量结果受被测物体表面发射 率所制约，而表面发射率又与被测物体的材料、表 面粗糙度、氧化程度、有无油污，表面水汽层等有 关。这些参数变化无常，很难定量确定，因而使测 温的准确度大大下降，有时测量值与真实值竟相差 上百度。此外，红外测温仪的检定需要黑体炉等专 业设备，重新校准相当麻烦。 热喷油技术可以在金属零件表面喷油一层具 有特殊功能的材料，所形成的保护层厚度通常为几 十微米到几毫米，尽管仅为结构尺寸的百分之几到 几十分之一，却使零件有了比基体材料更高的耐 磨、抗蚀和耐高温等特殊性能。由此，可以通过选 择性能优异的涂层材料，在高温合金Inconel 600 表 面用热喷油制备保护层，以产生高性价比的耐高 温、抗腐蚀电热偶感温头材料。 鉴于目前国内外尚无此类相关研究的报道，本 文就在套管式电热偶感温头采用自制Permanent 17# Co 基合金粉末HVOF 热喷油工艺方案作一 介绍。 1 喷油材料、热喷油方法及喷油设备的选择 1.1 喷油材料的选择 焚烧炉用电热偶是一对分度号为N 的镍铬硅-镍 硅镁感温元件，它能长期放置于0~1200 ℃高温区内， 并把温差信号转换成热电动势信号，通过温度变送器 形成4～20 mA 的标准电流，使控制系统可以通过 DCS 进行温度实时监控和自动调节。其保护套管应能 保证热电极镍铬硅—镍硅镁与有害介质充分隔离，同 时传热速度要快，即导热性好，这样才能及时并正确 地反应炉内变化无常的温场走势。 正确地选择涂层材料是确保所需保护套管性 能的关键。 通常的耐高温喷油涂层可分为WC 基，Cr3C2 基，TiC 基三大类。 WC 合金硬度高且有极佳的耐磨性，但不耐高 温，在氧化气氛介质中，仅能工作在低于550 ℃下， 显然不能满足上述条件。TiC 基合金以碳化钛为主 要的硬质相成分，其硬度比较高，但因其韧性不足， 长期以来未得到广泛应用。Cr3C2 基合金因具有良 好的耐腐蚀性能成为硬质合金中不可缺少的一个 重要分支，Cr3C2-NiCr 能在900 ℃的工况下工作。 在对电热偶外套管涂层性能作了大量的分析 比较之后，经反复试验，最终选择了自制Co 基合 金粉末作为涂层的喷油材料。 Co 基合金粉末，既能耐高温、耐腐蚀，又有好 的导热性，正好满足焚烧炉用电热偶的工作条件。 高性能Co-Ni 合金相，较高的Si 含量使它在高温下 形成稳定的氧化膜，在复杂环境中抵抗各种腐蚀介 质。这种合金既有极高的高温强度又有很好的抵抗 渗碳和硫化的能力，这种合金的抗氧化性极好，比 得上任何一种广泛使用的Fe-Ni-Cr 合金。 因此，我们选用自制Permanent 17# Co 基合金作 为喷油材料。其主要组成为Co、Cr、Mo、Ni、Si 和 C 等。 1.2 热喷油方法、设备的选择 根据热喷油的热源和工作机理，通常，粉末喷 涂有火焰、等离子、超音速火焰（HVOF）和爆炸 喷油四种方式，其中，HVOF 形成的涂层质量高于 火焰热喷油，其结合强度和致密性也好于前者。有 文献表明，HVOF 制备Cr3C2-NiCr 涂层的性能明显 优于等离子涂层[3]。因此，本研究从效率和实用的 角度考虑选用超音速火焰（HVOF）热喷油。 选用超音速火焰喷油设备DF-3000。 2 电热偶喷油 2.1 喷油准备和预处理 焚烧炉用套管式电热偶感温头直径为Φ（24～ 28）mm，插入深度在1800~2000 mm 之间，参比端 端头带BT4 防爆接线盒，感温区域以DN50PN1.6RF 法兰方式连接，表面粗糙度Ra6.3 以下，见图1。 喷油后，除去感温头基本尺寸要求外，要求涂层厚 度为0.8～1.0 mm，结合强度大于50 MPa。 为使热喷油层能与基体有良好的结合强度，必 须对受喷感温头基体表面进行预处理，首先选用车 床预加工留出喷油厚度余量，然后用清洗剂将基体 表面除油净化并将感温头拉毛。此后，采用压缩空 气、钢丝刷将拉毛后感温头表面的铁屑、粉末彻底 清除干净。 1 期 赵容兵等：HVOF 热喷油在焚烧炉用套管式电热偶感温头上的应用 • 53 • Welding 热喷油 表面 防爆接线盒BT4 Inconel 600 图1 套管式电热偶及其感温头热喷油面示意图 2.2 选择喷油工艺参数 优化的工艺参数可以得到性能和质量最好的 涂层，所以必须反复摸索合理的工艺参数，进行差 异化设计。确定工艺参数的主要原则是，既要考虑 到喷油层应具有良好的结合强度，又要兼顾到喷油 层的抗磨耐腐蚀性能，即要满足焚烧炉工况使用 条件。 DF-3000 超音速火焰喷油系统喷抢采用丙烷作 为燃料，氧气为助燃气体，空气和水为冷却气体。 同时采用氮气作送粉气体，在整个点火过程中，加 入氢气，使点火更易实现。在这里作者选择氧气流 量为300L/min，氮气流量16 L/min，燃气流量75 L/ min，喷油距离为190 mm，送粉速度130 g/min， 预热温度220 ℃，喷射角度为90（°）。 2.3 喷油 在喷油过程中经过预处理的电热偶感温头，需 要喷油过渡层以增加表面工作层和基体的结合强 度；喷油时气流量要稳定，夹持感温头的三爪卡盘 转速与喷抢纵向移动速度应相匹配。 2.4 涂层表面修整加工 为了使涂层表面达到预定的目标，需对涂层进行 磨削加工，采用180~250 μm 的棕刚玉砂轮进行粗磨， 然后用75~80 μm 的棕刚玉砂轮进行细磨，使表面达 到平整，以增加涂层抗腐蚀、抗冲刷的能力。 3 涂层的分析和讨论 电热偶感温头表面喷油层性能、测量值及电热 偶感温头指标要求见表1． 本文Permanent 17# Co 基合金复合粉末采用 HVOF 制备热喷油涂层，可使粉末通过抢体时被加 速并雾化成更细小的粒子。在超音速火焰喷油过程 中，较高的粒子速度有利于获得高的涂层致密性和 良好的结合强度，较低的火焰温度可有效地抑制或 减少碳化物等硬质相在喷油过程中的分解[4]。其中， 粒子的速度或动能对涂层质量的提高具有相当关 键的作用：粒子的速度越高，对基体的撞击作用也 就越强，粒子变形越厉害，涂层中颗粒之间的连接 也就越紧密，最终带来涂层孔隙率降低，涂层结合 强度提高。