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从叶轮表面处理着手提高其抗磨性
摘要:本文主要根据磨损理论分析,讨论风机叶轮叶片表面的多种处理方法,以提高叶片表面硬度,使叶片表面由塑性材料变为脆性材料,以适应低冲蚀角的冲蚀。通过多种材料在实验室和现场实际运行的各种对比试验,结果表明粘贴耐磨陶瓷片及涂抹耐磨涂料技术较好。该技术可以在燃煤电厂广泛推广,同时可以推广到冶金、矿山、盐矿及炼钢厂等行业的气固两相流风机上。
关键词:风机 磨损 塑性材料 脆性材料 耐磨陶瓷
引言
风机是输送气体的设备。它在国民经济各部门应用都十分广泛。例如,发电厂、矿井、冶金及环保工程等。以火电厂为例,主要有一次风机、引风机、送风机、排粉机等。它们在发电厂系统中起着重要作用,是电厂的重要辅机。这些风机的总耗电量就约占电厂发电量的2%~3%,风机的安全与经济运行严重影响发电厂的系统安全与经济效益。对风机的安全运行进行探讨和研究是十分必要的,也是发电可靠性所必需的。
在电站用离心风机中有输送洁净空气的,如送风机,一次风机。也有输送气固两相混合物的,如排粉机、吸风机等。其中输送气固两相流的风机约占50%以上。据我国风机行业协会统计,输送气固两相混合流的风机约占全国风机总产量的40%。由于该类风机受到气流中固体颗粒的碰撞磨损,使其连续运转的可靠性变差,恶化了其运行特性,缩短了使用寿命,甚至会引发重大事故。因此对燃煤电站气固两相流离心风机的磨损机理与抗磨技术进行研究,找出叶轮磨损的特性和规律,针对其特性采取有效的措施是非常必要和具有重大的意义。
1 磨损理论的分析与应用
靶材,如叶片的表面,按材料的性质可分为塑性材料和脆性材料,塑性材料有低碳钢,风机叶轮用的16Mn钢,铝及其合金等,脆性材料有耐磨陶瓷、玻璃、淬火等特殊处理的钢。塑性材料的最大冲蚀率是在攻角为20°~30°左右的范围内,而脆性材料的最大冲蚀率出现在攻角为90左右的范围内。这一理论是科学家们经过无数的试验得出的,而且在我们实验室中的试验也得到了论证。
离心风机的叶轮,特别是普遍采用的后弯型叶轮,尘粒与叶片的冲蚀角基本在30°左右,属于塑性材料的冲蚀率最大的区域,风机叶轮一般采用16Mn钢制作,是典型的塑性材料,这就是风机叶轮易磨损的原因。这种磨损理论分析,为离心风机叶轮抗磨研究的提供了理论依据和研究方向,一是叶轮的材料保持塑性不变,调整叶轮结构及叶片形状,也就是调整冲蚀角度,使其尽可能地离开冲蚀率最大的角度区域,这样可能会影响风机的效率,这种方式在山东电力技术上的《离心式引风机磨损分析与防磨技术应用》一文中已经进行了详细的讨论。二是保持风机原有的流线形状及机壳、烟道的各种参数不变,以保证风机的高效率,设法让塑性材料的风机叶片变成脆性材料,也就是叶轮叶片的表面处理,这种表面处理有多种方法,本文主要是针对叶轮叶片的表面处理方法进行探讨。
2 常见的几种表面处理抗磨手段
2.1 耐磨陶瓷技术在离心风机上的应用
在风机叶轮、机壳等流道内使用耐磨陶瓷或者风机叶片全部用耐磨陶瓷制作的耐磨风机,叫陶瓷耐磨风机。 1982年,日本首先研制出陶瓷耐磨风机,与采用耐磨护板,喷焊或堆焊型的传统的耐磨风机相比,陶瓷耐磨风机具有耐磨性能极为优越、高效、节能、维护方便,运行费用低等突出的优点,在电力、冶金、水泥工业、物料输送、建材、化工等各个领域得到广泛应用,英国、日本、美国、法国等国家的火电厂中都有陶瓷耐磨风机,甚至南非也有多座大型火电站(600MW等)应用了陶瓷耐磨风机作为锅炉引风机。
迄今,已知国外陶瓷耐磨风机达到的单项最高技术水平为:
叶轮最大直径 4l70mm 最大风量 11,000m3/min
陶瓷风机最大功率 5100kW 最大风压 14,700Pa.
最高转速 5500rpm 处理气体最高温度 1300℃
最高圆周速度 >200m/s 含尘量7g/Nm3
2.1.1 耐磨陶瓷性能简介
耐磨陶瓷是一种通过高温烧结而成的无机非金属材料,应用于机械、设备及其他工业部门的陶瓷被称为耐磨陶瓷。
1.耐磨陶瓷主要特点
在外力作用下不发生显著形变就发生破坏,弹性模量很高,一般为109~1011N/m3,抗拉及抗弯强度远远低于抗压强度,抗冲击强度特别低。
与金属材料相比,耐磨陶瓷具有摩擦系数小、耐磨性高,耐热性好,比重小,热膨胀系数小,高温强度高;具有优越的耐腐蚀性能,在酸性介质中,氧化铝耐磨陶瓷比不锈钢耐腐蚀性能好数万倍,在碱性介质中,92%氧化铝耐磨陶瓷与不锈钢性能大致相同,而99%氧化铝耐磨陶瓷几乎看不出被腐蚀。但耐磨陶瓷同时存在着不能承受较大的拉伸应力和弯曲应力,特别是不能承受大的机械和热应力梯度或者突变的应力梯度的缺点。
2.耐磨陶瓷的种类及特性
耐磨陶瓷种类繁多,陶瓷耐磨风机中主要使用的是氧化铝、氧化锆、氮化硅和碳化硅耐磨陶瓷。
氧化铝耐磨陶瓷是用途最广泛、原料最丰富的一种高温耐磨陶瓷材料。它的硬度比氮化硅和碳化硅耐磨陶瓷低,但因其价格最低廉,所以大多数耐磨陶瓷风机均选用这种材料。氧化铝耐磨陶瓷根据氧化铝含量的不同,以及掺入添加剂数量和种类的不同,有许多系列,性能也各不相同。一般情况下,随着氧化铝耐磨陶瓷中氧化铝含量的提高,材料的抗弯强度、硬度等都相应提高,但价格也随之增加。 氧化锆(尤其是PSZ—部分稳定的氧化锆)耐磨陶瓷热传导系数小,隔热效果好,而热膨胀系数又比较大、与钢铁、镍合金等相近,比较容易与金属部件匹配,特别适合于与金属嵌合。这种材料在室温下强度很高,但随着温度上升,强度急剧下降。此外,这种材料的比重大。由于这两个缺点,耐磨陶瓷风机中一般较少选用氧化锆耐磨陶瓷。
氮化硅耐磨陶瓷不仅有较高的硬度和强度,同时有自润滑性,所以是一种很好的耐磨材料。氮化硅耐磨陶瓷的热膨胀系数较小,它具有优良的抗热冲击性能,抗热冲击温度差高达700℃左右。是高温耐磨陶瓷耐磨风机理想的材料。氮化硅耐磨陶瓷的稳定性很好,耐氢氟酸以外的所有无机酸和某些碱液的腐蚀。由于氮化硅耐磨陶瓷原料不是天然矿物,而是人工合成物,因而其原料和制品的制造成本比氧化铝耐磨陶瓷高得多。
碳化硅耐磨陶瓷不仅具有耐腐蚀、抗氧化、高热导及热稳定性好等优点,还具有非常高的硬度,HV高达3000左右,仅次于金刚石、B4C等少数几种物质,它的高温强度好,高温蠕变小,是1400℃以上高温耐磨陶瓷耐磨风机的最佳材料。
氮化硅、碳化硅耐磨陶瓷比氧化铝、氧比锆耐磨陶瓷比重小、热膨胀系数小、硬度高,性能优越,但价格昂贵,只能少量的用在耐磨陶瓷耐磨风机的关键部位。我们做试验及电站吸风机上使用的基本上都为氧化铝耐磨陶瓷。
2.1.1 耐磨陶瓷与风机叶轮的结合形式
耐磨陶瓷作为非金属与金属的叶轮结合需要特殊的结合工艺,目前主要有以下几种结合方式。
1. 粘接型
主要采用有机或无机粘接剂将耐磨陶瓷粘接在叶轮的叶片及后盘、机壳等需要防磨的部位。这种结构的风机制作工艺最简单,成本也最低,但是由于受到粘接剂性能的限制,这种风机一般不能用于气体温度高于200℃或者叶轮周速很大的场所,
2. 钎焊型
在叶轮的表面上,使用了特殊金属作为耐磨陶瓷与叶轮母体金属的接合层,钎焊后产生化学反应,在接合界面上产生非常强固的结合力,这种结构的风机适应于处理气体温度高、叶轮周速较大的场合。 3. 整体型
风机叶片或者叶轮采用烧固整体成形的工艺,全部用耐磨陶瓷制成。由于耐磨陶瓷叶片或叶轮从成形到烧固、加工、制作工艺极为复杂,故一般只用于机号不大的轴流式风机。

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