摘 要:循环流化床锅炉是一种节能、环保的新型锅炉，但却存在着磨损、腐蚀等严重问题。大量研究表明，表面涂层技术是解决循环流化床锅炉高温磨蚀问题的一种最经济有效的方法。综述了目前国内外常用的几种循环流化床锅炉耐高温磨蚀涂层，对各种涂层的研究应用现状、性能等作了简要分析，结果表明，高铬合金涂层和金属／陶瓷复合涂层以及高速电弧喷涂粉芯丝材工艺具有广阔的应用前景。
关键词:循环流化床锅炉 磨损 高速电弧喷涂
循环流化床锅炉(CFB)是近年来发展起来的一种新型锅炉，具有燃料适应性广、燃烧效率高、污染物排放量低等优点。在能源与环境问题日益突出的今天，这种锅炉以其特有的节能、环保的优势，在电力、石油、化工以及垃圾处理等领域发挥着巨大的作用。然而，由于采用了特殊的燃烧方式，水冷壁等受热面的高温磨蚀问题非常严重，磨蚀爆管事故严重威胁着锅炉的安全运行，影响了工农业的正常生产，造成了巨大的经济损失。因此，寻求一种经济有效的高温磨损腐蚀防护工艺成为目前亟待解决的问题。
我国从80年代开始研制CFB锅炉，到目前已经投运及正在安装制造的已有数百台。1993年全国小型节能基建热电工程招标中，有70％容量的锅炉选用了循环流化床锅炉。CFB锅炉为解决燃用地方劣质煤炭和污染超标问题，为满足工农业生产和集中供热的需求，做出了巨大贡献。然而由于研究资金投入不足、缺乏经验，目前投运的CFB锅炉暴露出了各种各样的问题，其中受热面磨蚀问题尤为严重。就水冷壁而言，其壁厚一般为5mm左右［1］而每年的减薄量却高达2mm，严重的甚至几个月就磨穿。据统计，一台30万千瓦的锅炉，每停炉一天，将少发电720万kW·h，每停产检修一次，直接和间接损失高达几十万元之多［2］。有的锅炉制造厂家采用了改变水冷壁管结构和安装防护板的防磨措施，但磨损问题依然很严重，防护板用不了几个月就必须更换，造成非计划停炉次数增多，电厂效益大大降低。因此，迫切需要寻求一种新的解决方法以提高易损件的使用寿命。
相对于其他防护措施来说，表面涂层技术操作简便、成本低，是解决CFB锅炉磨蚀问题的一种经济有效的方法。表面技术的最大优势是能够以多种方法制备出性能优于基体材料的表面功能性薄膜，其厚度一般为几微米到几毫米，仅为结构尺寸的几百分之一到几十分之一，却使零件具有了比基体材料更高的耐磨性，抗腐蚀性和耐高温等性能［3］。热喷涂技术是表面技术中最重要、最常用的技术之一，具有工艺灵活、适合现场操作、喷涂材料适应性广、效益高等突出优点。与其它涂层制备技术相比，热喷涂技术成本低、操作方便、涂层性能优异，特别适合用于大型构件的腐蚀、磨损防护。实践证明，利用热喷涂技术对已磨损水冷壁进行修复比直接更换新管具有更高的经济价值，是目前国内外制备CFB锅炉耐高温磨蚀涂层的最经济有效的工艺手段。
1、CFB锅炉工况条件对涂层材料的性能要求
与其它类型的锅炉相比，CFB锅炉的工况条件极为恶劣，对受热面管的材料性能也提出了更高的要求。CFB锅炉工况条件的主要特点为：
a.高温冲蚀磨损：这是CFB锅炉受热面失效和爆管的主要原因。在CFB锅炉中，最大的煤粒度达十几毫米（煤粉炉的平均煤粒度不足0.1mm），物料浓度为煤粉炉的十几倍，物料流化速度在5～6m/s左右［4］，燃用的劣质煤和脱硫剂中还含有较多的硬质颗粒SiO2，这一系列因素都使水冷壁等受热面受到严重的冲刷和撞击。
b.高温氧化：炉内温度在950℃左右，水冷壁管等受热面表面的高温氧化现象十分严重。氧化皮在固体物料的冲刷下不断剥落、重新生成、再剥落，使其逐渐减薄。
c.气体腐蚀：炉膛内的烟气中常含有一些微量腐蚀性气体，如SO2、SO3、H2S等［4］，使高温腐蚀和高温磨损交替进行，腐蚀促使磨损的速度进一步加剧。
当前CFB锅炉中一般采用膜式水冷壁，由规格为Φ60×5mm或Φ51×5mm的鳍片管组焊而成［5］，它位于锅炉的炉膛内，用管内的流动工质带走锅炉燃烧产生的热量。膜式水冷壁的材料一般为20G钢管和Q235－AF的扁钢［1］，耐磨耐蚀性能较差，难以胜任CFB锅炉内的工作环境。为提高水冷壁的综合性能，满足其工况要求和使用要求，高温耐磨蚀涂层材料必须具备以下性能：良好的导热性能，以避免降低锅炉的热效率；良好的抗热震、热疲劳的性能，以承受水冷壁壁温的温度梯度和冷热变化；热膨胀系数要与基材相近，以避免在热应力的作用下涂层脱落；优良的抗高温氧化和磨蚀性能；成本低，制备工艺简单。
2、研究与应用现状
从80年代开始，国外的研究者经过大量的试验研究，开发出了一系列锅炉用耐高温磨蚀涂层，其中针对煤粉锅炉高温腐蚀防护而设计的耐热腐蚀涂层的发展较为成熟，具有代表性的有45CT涂层和FeCrAl涂层［6］。45CT涂层是美国TAFA公司开发的，从1984年7月起到1986年9月共在世界各地30多台锅炉的“四管”上喷涂1200余m2，是国际上公认的锅炉管道高温含硫气氛中的高温腐蚀防护涂层［7］。45CT（Ni-43Cr-1Ti）的铬含量非常高，涂层中能形成致密的Cr2C3膜，提高了涂层抗高温氧化和腐蚀的性能，而C含量少，涂层中高硬度的碳化物含量低，致使涂层硬度不高，耐冲蚀磨损的性能不好；Kantlal M （Fe22Cr6Al）合金涂层是由瑞典研究开发的，实际上属于一种不锈钢涂层，也具有很好的耐热腐蚀性能，但耐高温磨损性能同样不佳。随后各国又开发了几种CFB锅炉专用的高温耐磨蚀涂层。英国采用等离子喷涂75Cr3C2/25NiCr和Al2O3作为抗飞灰冲蚀涂层；美国Metalspary公司在90年代初用HVOF（超音速火焰喷涂）制备DS-200（75Cr3C2/25NiCr）抗冲蚀涂层；日本也采用超音速火焰喷涂Cr3C2-NiCr合金粉制备高温耐磨蚀涂层，均取得了一定的效果。75Cr3C2/25NiCr涂层中，NiCr作为粘结相具有很好的抗高温氧化和耐热腐蚀的性能，Cr3C2作为硬质相又有非常高的抗高温磨损的性能，所以，这种涂层的抗高温磨损和高温腐蚀性能很好［7，8］。但Cr3C2-NiCr涂层在国外主要采用等离子喷涂或超音速火焰喷涂，这两种工艺设备昂贵、成本高、不便于现场操作的特点，阻碍了其在我国的进一步推广应用。
国内的研究人员针对我国国情，在CFB锅炉防护技术方面也进行了许多尝试和研究。20世纪七八十年代相继研究开发了热浸渗铝技术和喷熔Ni-W合金技术，自90年代以来，逐渐找到了比较有效的技术手段，如电弧喷涂高铬NiCr丝材，喷焊Ni60，高速电弧喷涂Fe3Al/WC，喷涂耐磨涂料等，但使用效果也不是很理想。喷焊Ni60涂层虽具有较高的结合强度，但喷焊工艺的热影响区大，对大面积的水冷壁处理时会引起较大变形；高速电弧喷涂Fe3Al/WC涂层在温度超过550℃时，WC会发生氧化脱碳，使涂层耐磨性能和高温稳定性大大降低；喷涂或涂刷耐磨涂料的方法虽简单、快捷、适合现场操作，但涂料在高温下烧结形成了陶瓷体，与基体钢材的物性有较大差异，因此涂层结合强度不高。
综上所述，目前国内外使用的高温耐磨蚀涂层虽各有优势，但往往顾此失彼，不能同时满足耐高温磨损、腐蚀、氧化和良好的导热性、低廉的成本等各项要求。国外的高温耐磨蚀涂层的性能虽好，但喷涂成本太高，不适合在国内推广使用；国内自行研制的涂层适应了我国国情，但涂层使用性能并不理想。因此，要解决我国CFB锅炉的高温磨蚀问题，还必须寻找既适合本国国情又同时具备优良使用性能的涂层材料和工艺。
3、耐高温磨蚀涂层的发展前景
3.1涂层材料的发展前景y60
在CFB锅炉恶劣的工况条件下，受热面涂层材料仅有耐磨损或耐腐蚀的性能是不够的，它必须能够同时抵抗高温环境带来的各种不利因素。高铬合金涂层和金属／陶瓷复合涂层具有良好的高温耐磨损腐蚀性能，是理想的CFB锅炉用涂层材料，具有很大的发展潜力。
高铬合金，主要包括镍基高铬合金和铁基高铬合金，具有抗氧化、抗硫腐蚀、热腐蚀以及耐磨性好的优点。研究发现，镍基高铬合金涂层可以在较高的温度下工作，且铬含量的高低对涂层的抗高温氧化物性能有着显著的影响。当镍基合金中活泼元素铬的含量超过某一临界浓度时，合金将发生选择性氧化，形成以Cr2O3为主的氧化层，随着该氧化膜的生长，涂层及基体的氧化速度会显著降低［9］。因此，高的含铬量对保证镍基高铬合金涂层形成单一、致密的Cr2O3，提高涂层的抗氧化、耐腐蚀的性能具有决定性作用。此外，Cr还是强烈形成碳化物、提高涂层硬度的主要元素，若控制一定的Cr／C值，兼顾耐磨、耐蚀两方面要求，会使涂层获得抗高温氧化腐蚀和冲蚀磨损的综合性能。铁基高铬合金也是目前国内外公认的较好的耐磨材料，在700℃以下具有很好的抗氧化性和耐磨性，且与镍基高铬合金相比成本较低，具有广阔的发展前景。在铁基高铬合金中，仍然要控制适当的Cr／C值，这样可以防止生成粗大初生碳化物，保证碳化物形成高硬度、孤立状的（Cr、Fe）7C3型理想抗磨相［10］；其中，铬与氧的亲和力比铁大，形成一层复杂的富铬氧化层，有利于抑制高温氧化的进一步扩展。此外，添加某些合金元素也有助于其性能的提高。加入0.5％～2.5％的钼或镍能提高涂层的高温耐磨和耐蚀性能；加入适量Nb能提高其耐热性能。所以，在CFB锅炉恶劣的工况条件下，高铬合金将是一种比较理想的耐高温磨蚀材料。
金属／陶瓷复合涂层以金属相作为粘结相，陶瓷相作为硬质相，具有抵抗小角度冲刷磨损和大角度撞击磨损的综合性能，其中NiCr-Cr3C2复合涂层就是一种应用效果良好的CFB锅炉防护涂层。NiCr-Cr3C2涂层是由两种不同性能的组份构成的。其中NiCr合金具有良好的耐热耐蚀性，常用成份是80％Ni，20％Cr；Cr3C2是Cr-C系中最常见、最重要的一种，也是金属碳化物中抗氧化能力最强的一种［11］，它在高温条件下依然能够保持相当高的硬度。日本研究者发现，高温下NiCr-Cr3C2涂层随时间的增加硬度值逐渐升高［12］。而且CCr3C2还具有很强的耐蚀性，在稀硫酸溶液中其耐蚀性是1Cr18Ni9Ti不锈钢的30倍，在蒸汽中则是Co-WC合金的50倍。总之，NiCr-Cr3C2涂层具有高温稳定性好，硬度高、耐磨损，与钢基体的热膨胀系数接近等许多优点［12］，同时还能抵抗高温气体（即使是含S气体）的腐蚀和高温氧化，是一种解决循环流化床锅炉高温磨蚀问题的理想涂层。
目前，在我国NiCr-Cr3C2涂层尚未得到广泛使用，原因是NiCr-Cr3C2是粉末状，主要采用HVOF或等离子喷涂，这两种工艺设备昂贵、效率低，造成喷涂成本高且现场施工困难。然而如果将其制成粉芯丝材，采用电弧喷涂工艺，则其喷涂成本会大大降低，且更加有利于现场修复使用。金属粉芯丝材（Cored Wire）也称管状丝材或药芯丝材，是由金属外皮加上不同类型的金属、合金粉末、陶瓷及非金属化合物等构成［13，14］。同实心丝材和粉末相比，粉芯丝材具有以下特点：利用线材解决了粉末材料输送的稳定性和精确性问题，喷涂质量可控性好；既克服了高合金成分难以拔丝的困难，又使一些不导电的粉末材料在电弧喷涂中得以应用，拓宽了电弧喷涂的应用领域；粉芯材料的改变可获得多种性能的涂层；涂层质量与等离子喷涂基本相同，却节约了1/10～1/20的成本。随着今后丝材制备技术的成熟，必定会促进金属／陶瓷复合涂层在国内CFB锅炉上的推广应用。.
3.2涂层制备技术发展前景
不同的热喷涂技术对耐高温磨蚀涂层的质量以及喷涂成本的控制起着关键性作用。对于CFB锅炉来讲，由于工况条件很复杂，喷涂技术要满足材料成分、状态，现场操作，喷涂成本等各种因素的要求。实践表明，HVOF和等离子喷涂技术分别可以获得孔隙率最低和氧化物含量最少的涂层［12］，非常适合喷涂耐高温磨蚀材料，但二者均存在设备价格高、装备复杂、不适合现场操作、噪音大等缺点。电弧喷涂技术是一种常用于大型构件防护的涂层制备技术，具有效率高、节能、经济、安全、适合现场操作等突出优点，特别适合CFB锅炉受热面防护和修复使用。但传统的电弧喷涂中粒子喷射速度有限且氧化程度比较严重，使涂层质量和应用程度受到一定影响。高速电弧喷涂技术［15］是在普通电弧喷涂的基础上发展起来的一种新型喷涂技术，在原有电弧喷涂系统上采用液体燃料燃烧或高压空气通过拉乌尔喷嘴加速实现高速射流喷涂。在高速电弧喷涂中，粒子速度的显著增加和电弧稳定性的提高，保证了金属熔滴的有效雾化，其雾化程度比普通电弧喷涂高3～8倍；同时射速的增加缩短了粒子与雾化气流的接触时间，减少了粒子的氧化，使涂层致密度、涂层与基体的结合强度和涂层质量得到显著提高。因此，高速电弧喷涂涂层比普通电弧喷涂涂层的耐磨性更好。除此之外，高速电弧喷涂技术还保留了喷涂电弧喷涂技术效率高、节能、适合现场操作等优点，是一项高效率、高质量、低成本的新工艺，是循环流化床锅炉现场修复使用的理想技术。
综上所述，高速电弧喷涂技术与优质的耐高温磨损粉芯丝材的进一步结合，必将使其在耐高温磨蚀涂层的制备上具有更加广阔的发展前景。
4、结论
a.高温磨蚀问题是CFB锅炉亟待解决的问题；高温冲蚀磨损是水冷壁失效的主要形式，高温氧化和高温腐蚀则会进一步加剧其磨损速度；
b.高铬合金涂层和金属／陶瓷复合涂层（尤其是NiCr-Cr3C2涂层），具有很好的耐高温氧化腐蚀和耐冲蚀磨损的性能，是解决循环流化床锅炉高温磨蚀问题的理想涂层
c.高速电弧喷涂是一项高效率、高质量、低成本的工艺，特别适合CFB锅炉的现场喷涂操作，它与粉芯丝材的结合，必定会在制备耐高温磨蚀涂层方面发挥巨大的作用。
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