复合耐磨材料在火力发电厂耐磨件上的应用_温新林

复合耐磨材料在火力发电厂耐磨件上的应用

温新林

1，2

，袁兴华，温 鹏，杨企泰

13 1，2

（1. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院, 保定 071003; 2. 国家电力工业耐磨材料实验研究中心，保定 071003;

3. 河北农业大学 机电工程学院，保定 071001）

摘要：本文介绍了复合材料的特性和优点，阐述了双液浇注复合球磨机衬板的工艺，对平浇和立浇工艺进行了分析对比，介绍了复合耐磨管道的生产工艺，对固-液、液-液、钢-塑、钢-陶复合耐磨管道的优缺点进行了分析，介绍了堆焊制备复合耐磨材料的新工艺，指出，近年来，我国研究开发创新的复合制备工艺和复合耐磨材料的工作得到了迅速发展，在我国电力工业燃煤电厂磨煤机耐磨件的使用中已取得了相当可观的业绩，产生了显著的经济效益和深远广阔的社会效益。 关键词：复合耐磨材料；燃煤电厂；磨煤机；耐磨件

The Application of Wear Resisting Composite Material for Wear

Resistant Parts in Power Plant

Wen Xinlin12,Yuan Xinghua1，Wen Peng3，Yang Qitai12

，

，

（1.School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University , Baoding 071003;2. National Electric Power Industry wear-resistant materials research center, Baoding 071003; 3. School of Mechanical and Electronic Engineering , Agricultural University of Hebei , Baoding 071001） Abstract: This article describes the features and advantages of composite materials，expounds the techniques of dual-liquid pouring composite scale board of ball mill, analyzes and comprises the techniques of flat and vertical casting, describes the production process of composite wear-resistant pipe, analyzes the disadvantages and advantages of the solid–liquid、liquid –liquid、steel–plastic、steel-ceramic、composite wear pipeline, introduces the new built-up welding technology for wear resisting composite material preparation, it points out that, the research for innovative composite preparation process and composite wear-resistant materials has been developing rapidly recent years, it has made considerable achievements in the application of mill wear parts in power plant, and has made notability economic and social benefits.

Key Words: Wear Resisting Composite Material; Power Plant; Mill; Wear Parts

1前言

众所周知，磨损是产品失效的三个重要原因之一，能源的1/3～1/2消耗于摩擦磨损。我国冶金、电力、建材、农机、煤炭、化工等行业磨损件的消耗量相当大，火力发电厂是一消耗大户。火力发电厂磨损件集中在与燃煤有关的系统中，如：破碎机、制粉机、煤粉输送管、煤灰（渣）输送管、喷燃器、泵、阀、风机等。提高易磨损件的使用寿命，有很高的经济效益和社会效益。

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材料的发展是科学技术发展的重要保证。再先进的科学技术，没有适合的材料，也无法成为现实。机械制造业，金属材料的用量占其总量的90%以上。自然界存在的金属元素，在纯金属状态下可直接使用的只有十几种（如:金、银、铜、铁、锡、铅、铝等），性能各有其特点，但又各有其不足，远不能满足科技发展的需要。如果在这些纯金属的基础上加入一定数量其它金属元素或非金属元素，组成合金，不仅可以保证纯金属的特性，还可以改善纯金属性能的不足。比如：铁中加入碳，形成铁-碳二元合金，出现了碳钢和铸铁。与纯铁相比，性能有了很大的改变，大大扩展了使用范围。如果在铁碳合金中加入多种元素，形成多元合金，性能进一步改善，并出现了特殊性能钢种，如：耐热钢、抗腐蚀性钢、磁钢、电工用钢、耐磨钢等。耐磨钢的前期研究工作多集中在材料的合金化上。从合金化成分来说，研究开发了低合金耐磨钢、中合金耐磨钢、高合金耐磨钢，低合金耐磨白口铸铁、中合金耐磨铸铁、高合金耐磨铸铁。从组织上讲，开发了贝氏体钢、马氏体钢、马氏体球铁等。这些材料很多都达到或超过了国外同类产品的水平，对提高我国耐磨件的使用寿命，节约金属材料作出了很大的贡献。比如：球磨机衬板，原用材料是普通高锰钢，一般寿命为一个大修期（3-5年），改用新材料后，一般能提高寿命为一个大修期以上，最高可提高到6～7个大修期；球磨机磨球，原材料吨煤耗球量为600～2000克，用新材质后，吨煤耗球量降到200克以下，最大可降到50克左右；中速磨煤机易磨损件磨辊和磨环，原产品一直从国外进口，现已全部国产化。使用寿命都已达到或超过了进口产品，为国家节省了大量外汇。

以上研发出的材料都是很好的抗磨损材料。但从综合机械性能和工艺性考虑都有其不足，从性价比考虑还有改进之处。比如：高铬白口铸铁，在电厂工况下，抗磨损性是最好的，但脆性很高，高应力冲击时易发生断裂；若用在输粉管道上，不能焊接，这就限制了它的使用范围。高铬白口铸铁，属于高合金铸铁（含10%以上的Cr、部分Mo、Co等），造价很高，降低产品价格也是应考虑的问题。复合工艺是解决上述问题有效的方法。

复合材料：通过一定的工艺方法，把几种金属材料或金属材料与非金属材料组合在一起形成的新材料。新材料保持了原组成材料的性能特点，通过复合效应获得了原组成材料不具备的性能。

复合材料有如下特点：

（1）复合材料由两种或两种以上性能不同的材料组成。

（2）复合材料中各组成材料不但各自保持了原有固有特性，而且可最大限度的发挥各组成材料的优点，赋予复合材料优良的特殊性能。

（3）复合材料具有可设计性。

2复合耐磨材料在火力发电厂的应用

2.1双液浇注复合球磨机衬板

复合材料：高铬白口铸铁、低碳钢。

高铬白口铸铁：主要合金元素是铬，还有部分钼和铜。使用状态下的组织是马氏体基体上分布有（CrFe）

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C型碳化物。（CrFe）7C3 型碳化物最高硬度是HV1800，远高于磨料中SiO2的硬度HV1200，所以抗磨损性

很好。马氏体基体硬度为HRC55以上，抗磨损性好，对碳化物有很好的支撑作用。所以该组织有很好的抗磨损性。但脆性大是它的不足。低碳钢：组织是铁素体基体上分布有少量碳化物（Fe3C），塑韧性好，但强度低。两种材料复合，发挥各自的优点，复合材料的性能很理想。

双液浇注复合球磨机衬板的复合工艺有两种：

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2.1.1 双液平浇双金属复合球磨机衬板

采用两种液态金属依次浇入型腔，铸造成型的复合衬板。 工艺方法：

（1）用常规造型法造型，砂型中开设两个浇注系统，一个是铁水的浇注系统，一个是钢水的浇注系统，如图1所示。两个内浇口的高度视钢铁两层的厚度而定。型腔铸件一定要处于水平状态，以保证两层金属的厚度均匀，防止人为的误差。

图1 常规造型平浇双金属浇注系统

Fig.1 Conventional modeling flat bi-metal casting gating system

（2）用两个熔炼炉分别熔炼钢水和铁水。

（3）浇注时，先浇入一定量的钢水，停留一定时间，当钢水温度降到一定值时，再浇入铁水，冷却后，开箱、清理、热处理可为成品。

该复合工艺的优点：工艺简单、成品率高，两层金属间为冶金结合，结合强度高。其缺点是：其一,不符合铸造工艺原则，即工作面要设在型腔底面或侧面，以保证工作面的铸造质量。该方法工作面（铸铁面）在型腔上部，铸造缺陷都集中在工作面上，会影响使用性能。其二，此方法只适用于结合面为平面的工件，如：风扇磨冲击板、大直径小尺寸结合面可为平面的工件，如小尺寸的球磨机衬板。 2.1.2 双液立浇双金属复合球磨机衬板

此法采用两种液体同时浇入型腔内，铸成复合工件的工艺方法。 工艺方法：

造型：用常规方法造型，型腔两侧设有两个浇注系统，即铁的浇注系统和钢的浇注系统，如图2所示，型腔中有一隔板，位置由两边复合层要求的厚度而定。

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图2 立浇双金属浇注系统

Fig.2 Vertical bi-metal casting gating system

用两个熔炼炉熔炼铁液和钢液，浇注时，钢、铁液分别从各自的浇注系统同时浇入型腔内，冷却、开箱、清理、热处理即成复合衬板。

对用此法生产的产品做了严格的检查。用光学金相显微镜和扫描电子显微镜检查分析了隔板两侧结合面，检查结果显示，铁与隔板的结合面，成分变化是一连续的坡度曲线。组织从铸铁一侧的变化是白口铁—高碳钢—低碳钢。两者证明成分有互相扩散，结合层是冶金结合。隔板与钢的结合面，成分没有明显的变化，组织是连续的，没有明显的界面。说明也是冶金结合。还进行了拉伸和冲击试验，试验结果显示，断裂处都在白口铸铁一侧，说明隔板两侧结合面的强度都高于白口铸铁的强度。在电厂运行过程中，没有发现结合面开裂的现象。使用寿命是普通高锰钢的5～6倍。

此工艺方法的优点：隔板两侧的结合面是冶金结合，结合强度高；工作层在型腔侧面，符合铸造工艺原则，工作层质量好；对结合面的形态没有严格要求。但是，生产工艺较复杂，对内浇口的设置要求较高。

此工艺方法如与无螺栓球磨机衬板的生产工艺结合在一起，更能发挥其优越性。 2.2 电厂输送粉料复合管道

电厂粉料输送系统担负着煤粉和灰渣的输送任务。要求所用材料有高的抗磨损性和好的焊接性。目前生产复合管道的材料主要是：钢—白口铸铁；钢—塑料；钢—陶瓷。 2.2.1 钢—铁浇注复合管道

所用材料：钢—选用低碳低合金钢材，变形性和焊接性好；铸铁—选用白口铸铁，抗磨损性好，设计耐磨铸铁的组织和调整铸铁的成分可提高其抗腐蚀性能。

生产工艺有如下几种： （1）固—液 离心浇注复合工艺

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一定尺寸的钢管（设计要求），内壁去污去锈，放在离心机上，开动离心机，管内浇入白口铸铁液，浇入量视复合层要求厚度而定。铁液在离心力的作用下，紧贴钢管内壁结晶，形成复合管。此法生产的复合管，抗磨损性和焊接性能满足要求，但结合层的结合强度不好。

（2）液—液 离心浇注复合工艺

此法是先备一外胎，内径尺寸符合设计管道外径，把外胎放在离心机上，开动离心机，胎内先浇入钢液，待钢液基本结晶后，再浇入铁液。浇入钢、铁液量由要求复合厚度而定。结晶后即成复合管。该法生产的复合管，同样能满足抗磨损性和焊接工艺要求，结合层为冶金结合，结合强度高。

以上两种方法生产的复合管，共同的缺点是长度受到限制。原因是，输粉管道一般直径较小，浇注时，浇道要伸入管内，浇道的长度受限，所以复合管的长度有限，复合管内壁平滑度不好。

（3）液—液 连续浇注复合工艺

此法采用连续铸造工艺，在连铸机上进行。连铸机上放有两个结晶器，上部结晶器浇入内层白口铸铁液，下部结晶器浇入外层钢液，两结晶器之间由护环连接，此复合管一次成型。该法生产的复合管结合层的结合强度高，生产长度由连铸机决定，内表面平滑质量好。 2.2.2 钢—塑复合管道

复合材料：钢与塑料。

有机高分子聚合物室温下有三态：玻璃态—塑料；高弹态—橡胶；粘流态—胶粘剂。磨损工状下使用的有机高分子聚合物都是固态，即塑料。优点是：摩擦系数小，输送物料阻力小，自润滑性好，对物料的就范性和埋嵌性好，化学稳定性好，抗酸碱腐蚀；缺点是强度低，使用温度低，不耐有机溶剂，部分塑料有吸水性。用于送湿粉管道时，要选用非吸水塑料；用于送干粉管道时，要注意使用温度。

（1）钢—粘流态复合工艺

钢管内壁清洁处理，去污去锈、胶粘剂加附料混合。混合好的配料贴覆在钢管内壁，硬化成塑料后即成复合管道。此管道在电厂湿除灰管对比实验表明，抗冲蚀磨损性好，由于塑料不与介质发生化学反应，可基本解决管内壁结垢问题

（2）钢—塑热挤压法复合工艺

钢管内壁去污去锈处理，并加工出横向沟槽。塑料管外壁清洁处理，并加热干燥。将塑料管放入钢管内。塑料管两端封闭。通入热油（水、汽），加压使塑料膨胀产生塑性变形，塑料管与钢管内壁紧密贴合，形成复合管道。

以上两种复合工艺比较：第一种复合工艺，钢管内壁与塑料粘合在一起，结合强度较高。第二种方法，钢管内壁与塑料为机械结合，结合强度低。但第二种复合工艺操作比较简单，塑料厚度均匀。

（3）钢—陶瓷复合工艺

复合材料：低碳钢管。低碳钢：有一定的强度，塑性好，塑变成形性好，焊接性好。陶瓷：硬度高，抗磨损性好，耐高温，抗腐蚀。用于粉料输送管道没有温度和介质的限制，适用面广，但其脆性大，易产生裂纹和局部脱落，不能承受大的冲击。常用的陶瓷是Al2O3。

复合工艺：采用自蔓延高温合成技术与离心法相结合的复合工艺。钢管内壁去污去锈处理。按化学计量法把一定量的Fe2O3粉与Al粉和一定量的附料粉放在一起充分混合。混合好的粉料装入钢管内，将钢管放在离心机上，开动离心机。点火，Fe2O3与Al产生氧化还原反应生成Fe和Al2O3，并产生大量的热量。在离心力的作用下，比重大的Fe紧贴钢管内壁结晶，比重小的Al2O3在Fe的内层结晶，冷却后得到复合

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管道。此管道可焊性好，抗磨损性好。缺点是陶瓷复合层的脆性大，在生产，搬运，安装过程中易产生裂纹，使用时易产生局部剥落，影响使用。

提高陶瓷耐磨层性能的几点建议：

① 提高致密度：混合粉料烘干，去其水分，减少气体的产生；提高离心机的转速，尽快尽多的排除气体；加入添加剂SiO2、CrO产生低熔点的组成相。

② 提高陶瓷层韧性：粉料中加入ZrO2，细化陶瓷层晶粒。

③ 树脂处理：已制备好的复合管，两端封闭，抽取真空，通入树脂材料，使树脂进入陶瓷层的缝隙中，可有效防止陶瓷层剥落，同时可提高抗磨损性和抗腐蚀性。 2.3 其他复合耐磨工件及复合制备工艺 2.3.1 堆焊制备复合材料

此法是用焊接的方法，在母体表面熔敷上特殊性能材料的方法。

母体材料：对抗磨工件来说，多选用焊接性能好，切削加工性好，有好的塑韧性的材料，如：碳素钢、高锰钢等。

堆焊材料：对抗磨工件来说，选用具有高硬度、高抗磨损性的高碳马氏体钢，高铬白口铸铁，金属陶瓷等。

堆焊方法：修补磨损件局部缺损可用氧—乙炔火焰堆焊，对于大面积堆焊用埋弧堆焊。在电厂中已经使用或正在使用的堆焊复合材料部件有中速磨磨环和磨辊，堆焊材料是高铬白口铸铁。使用寿命与整体铸造的磨环、磨辊相当。堆焊复合材料与整体铸造磨环磨辊而言；其一，节省了近三分之一的高合金材料，降低了生产成本；其二，需加工部分是碳素钢，切削加工性好，降低了切削加工费用。其缺点是：易产生焊接裂纹（堆焊龟裂），一定要控制裂纹的数量，裂纹的分布、排列，单个的长度和深度，以及裂纹间的连接情况等。

2.3.2 喷涂和喷焊复合材料

喷涂和喷焊与堆焊的道理大同小异，喷涂和喷焊多用于非铸造成型的、表面要求复合层薄的工件。如：电厂用风机叶片。

母材：电厂多用碳钢、低合金钢以及不锈钢，焊接性好，塑变成型性好，其表面要进行去污、去锈等清洁处理。

喷涂（焊）材料：电厂中多用抗磨损性好的高铬白口铸铁、含有金属陶瓷或非金属陶瓷的自熔合金等。 喷涂：是利用某种热源，将欲喷涂材料熔化或者至少软化，呈雾状高速喷射在母体表面，结晶后形成复合层。此方法母体表面无熔化层，结合面为非冶金结合。结合强度低，使用过程中有时产生局部剥落。

喷焊：喷焊与喷涂方法相同，只是工艺参数不同。喷焊要使母体表面产生很薄的熔化层，该层与喷焊材料熔合为一体同时结晶，所以结合面为冶金结合，结合强度高。火焰喷焊层厚度为：0.05～2.5mm，等离子喷焊层厚度一般为：0.25～6.0mm。 2.3.3 铸渗法铸造复合工艺

用元素渗透的方法改变金属表层的成份、组织、性能早有应用。比如：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属等。上述方法是在固态下，碳、氮、金属活性原子被金属表面吸收、扩散，金属表面进一步合金化，以改变金属表面的成份、组织和性能。这些方法渗速慢、渗层薄、工艺复杂。

铸渗：是待渗组分在金属高温液体作用下熔化、渗透合金化和硬质点镶嵌相结合，改善金属表面成份、

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组织和性能的方法。此方法工艺简单，合金化程度高，又有硬质点的镶嵌作用，可明显提高抗磨损性。

工艺方法：将合金化粉末（如：高铬白口铸铁）、强化相颗粒（如TiC、VC、WC等）混合，再加入助熔剂和粘结剂制成膏剂或块状，涂（贴）敷在铸造型腔内铸件需强化的部位。型腔内浇入液态金属。金属液体渗入渗剂缝隙，使强化金属熔化，成份相互扩散合金化，强化相颗粒表面部分熔化或完全不熔，镶嵌在合金化层中，形成复合层，此法生产的复合材料，结合面为冶金结合，结合强度高，复合层厚度视铸件复合部位的厚度而定，一般可达到6mm左右。

其它复合耐磨材料制备工艺还有：镶铸法、铸石法、原位反应铸造法、颗粒增强铸造法等。 2.3.4 金属陶瓷熔覆层复合磨辊

一种用于在中速磨煤机磨辊及磨盘表面制备金属陶瓷熔覆层的粉芯焊丝及金属陶瓷熔覆层的制备方法，可利用等离子弧或氩弧焊枪，在碳钢或耐磨材料堆焊层上直接制备金属陶瓷熔覆层。金属陶瓷熔覆层厚度为5～20mm。金属陶瓷熔覆层的韧性和硬度均显著高于高铬铸铁和合金焊丝堆焊的磨辊，该金属陶瓷熔覆层复合磨辊主要用于电力行业的中速磨煤机上。

金属陶瓷复合磨辊使用寿命长（可达到10000～20000小时）、制粉效率高（由于整个服役周期磨损深度≤20mm，可保证磨辊长期在高效区运行），可用于MPS、HP等各类中速磨辊及磨盘的防磨处理。

（1）金属陶瓷熔覆层复合磨辊及磨盘的施工方法

利用等离子弧焊枪或氩弧焊枪熔覆粉芯焊丝，通过多道搭接熔覆在磨辊或磨盘工作面制备金属陶瓷熔覆层，单层熔覆层厚度为2～3mm，通过同一面积上的2～8次搭接熔覆，在磨辊或磨盘工作面得到厚度为5～20mm的金属陶瓷熔覆层。

（2）力学性能指标

金属陶瓷熔覆层硬度：1000～1600HV，抗压强度厚度：1200～2000MPa，熔覆层厚度：5～20mm。无缺口试样的冲击韧度值：3～10J/cm（冲击韧度随陶瓷相含量增加而降低）。

该复合磨辊或磨盘使用寿命长，工艺较简单，并可使磨辊或磨盘长期在高效率区间运行。

2

3 结束语

作为经济发展速度最快的发展中国家，近年来，我国研究开发创新的复合制备工艺和复合耐磨材料的工作正在迅速发展，在我国电力工业燃煤电厂磨煤机耐磨件的使用中已取得了相当可观的业绩，产生了很好的经济效益和深远广阔的社会效益；中国的市场潜力得到了全世界的瞩目，随着中国经济的高速增长，市场的紧迫需求，相信我国电力工业耐磨材料复合制备技术和硬面修复再制造技术必将会得到长足更大的发展与进步。

参考文献：

[1] 中国机械工程学会.铸造手册[M]，第一卷，铸铁.北京：机械工业出版社，1991. [2] 中国机械工程学会.铸造手册[M]，第二卷，铸钢.北京：机械工业出版社，1991.

[3] 美国金属学会.金属手册[M]，第一卷，性能与选择：铁与钢.北京：机械工业出版社，1988. [4] 陈华辉等.耐磨材料应用手册[M].北京：机械工业出版社，2006.

[5] 孙正国等.耐磨管道技术条件[S] .DL/T680-1999.北京：中国电力出版社，1999.

[6] 孙正国等.磨煤机耐磨件技术条件[S].DL/T681-1999.北京：中国电力出版社，1999.

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