循環(huán)流化床鍋爐用特殊熱電偶保護套管的選材與發(fā)展

摘要：本文分析了循環(huán)流化床鍋爐用特殊熱電偶保護套管的磨損機理，并從選材和新材料新工藝的應用兩個方面闡述了如何有效的提高熱電偶保護套管的性能。文中還介紹了特種耐磨熱電偶保護套管的發(fā)展動向。 Material Selection and Development of Special Thermocouple Cannula Used on Circulating Fluidized Bed Boiler Wang Canming Sun Hongfei Wan Dianmao Yu Meijie Shandong University of Science &Technology（Tai’an 271019） Abstract: This paper deals with the wear mechanism of special thermocouple cannula used on circulating fluidized bed boiler. And put forward two available ways on the improvement of its properties from material selection and the application of new material and new process. The developmental tendency for special wear-resistant thermocouple cannula is also introduced in this paper. key words: Thermocouple Wear resistance New material High Cr cast iron Intermetallic compound 1. 引言 隨著社會的發(fā)展和進步，我國在環(huán)保方面的要求也進一步嚴格，循環(huán)流化床燃燒技術作為一項新型燃燒技術，在節(jié)約能源、調節(jié)負荷、控制污染及燃料適應性等方面具有突出的優(yōu)點，在電力工業(yè)、垃圾焚燒、水泥工業(yè)等許多領域中得到日益廣泛的應用。目前全國已有20多個鍋爐廠生產(chǎn)20t/h蒸發(fā)量以下的常規(guī)流化床鍋爐和循環(huán)流化床鍋爐。至今全國累計有近3000多臺工業(yè)流化床鍋爐在運行中，其數(shù)量在世界上排第一位。[1]然而，由于循環(huán)流化床鍋爐特殊的燃燒方式，易損件的磨損問題一直是影響其長期安全運行的重要因素。為解決這一問題，材料工作者作了大量的工作，提出了許多有意義的思路和解決方案。其中，大量新材料、新工藝的出現(xiàn)和應用為解決這一問題提供了可能。 循環(huán)流化床鍋爐上所用熱電偶測溫問題目前是一個暴露比較突出的需要亟待解決的問題。由于高溫沖蝕嚴重而大大降低了熱電偶的正常使用壽命。必須采用特殊高溫耐磨熱電偶保護套管來解決該問題，經(jīng)過研究發(fā)展，其在制備技術上有了較大的進步，性能價格比也在不斷的提高。本文就該問題進行討論，試圖引起大家的注意。共同為提高我國熱電偶技術的測量水平作出貢獻。 2 循環(huán)流化床鍋爐燃燒及磨損機理 循環(huán)流化床鍋爐與傳統(tǒng)的煤粉鍋爐不同，在燃燒過程中，爐內床料在煙氣攜帶下沿爐膛上升，經(jīng)爐膛上部出口進入分離器，在分離器中進行氣、固兩相分離，分離后的煙氣經(jīng)上部出口，進入鍋爐尾部煙道，分離出來的固體粒子，經(jīng)回料閥再返回爐膛下部。在循環(huán)流化床鍋爐的運行中，含有燃料、燃料灰、石灰石及其反應產(chǎn)物的固體床料，在爐膛-分離器-料閥-爐膛這一封閉循環(huán)回路里處于不停的高溫循環(huán)流動中，并在爐內以 850℃～950℃進行高效率燃燒及脫硫反應。床料除在這一回路中作外循環(huán)流動外，其在重力作用下，在爐內不斷地進行內循環(huán)流動。因此，在循環(huán)回路的相應部位必然產(chǎn)生嚴重磨損。[2、3] 以上分析表明，熱電偶保護套管在爐內所處環(huán)境為高溫，氧化性氣氛，且有循環(huán)流體的沖刷碰撞，其磨損應當屬于高溫下的沖刷磨粒磨損。這種磨損的形式大致可歸為兩類：一類是在碰撞過程中由于材料的反復變形引起的疲勞磨損；另一類則是材料在自由運動的顆粒的切削作用下引起的破壞，稱之為鑿削式磨損。爐內的高溫可改變材料的組織結構，使其硬度大大下降，從而加重了磨損。同時，材料的高溫氧化也降低了其韌性，沖擊時氧化層容易崩落，這也加速了材料磨損。磨損的程度與沖擊角度的關系很大，沖擊角為90°沒有鑿削式磨損，而僅是疲勞磨損，此磨損很輕微。當沖擊角度為 20°～50°時磨損最嚴重。因此保護管的插入方向與流速方向夾角應避開這個角度范圍。[ 4 ] 仔細觀察分析熱電偶保護套管的失效部位，大致有兩個部位比較容易失效，一是熱電偶保護套管的端部，此處的材料處于煙氣、物料的直接沖刷和回旋、渦流的綜合作用下，磨損較為嚴重。另一部位則是熱電偶保護套管與爐壁的交接處，此處的磨損主要是由于煙氣、物料在該部位的渦流所引起的沖刷磨損。 上述分析表明，高溫沖蝕磨損失效是循環(huán)流化床鍋爐用特殊熱電偶保護套管的主要失效原因，這是在保護套管的選材和制備中首先應當注意的問題。 3 熱電偶保護套管的選材及其發(fā)展 熱電偶采用保護套管主要有兩種用途，一是防止遭受機械損壞，二是在熱電偶及其周圍之間插入一個屏蔽套，這樣可使熱電偶盡可能保持在接近其最佳的氣氛中。因此，根據(jù)特定的使用環(huán)境選用合適的熱電偶保護套管對于延長熱電極的使用壽命以及提高測溫的準確度是相當重要的。[5] 3.1選材的原則及常用材料的優(yōu)缺點 根據(jù)熱電偶保護套管在循環(huán)流化床鍋爐內所處的環(huán)境，在其選材上應注意以下幾點：（1）材料的氣密性好（即氣孔率?。?；（2）應有足夠的強度和穩(wěn)定性，抗熱沖擊性能好；（3）材料的紅硬性好，要求材料必須耐磨；（4）耐化學腐蝕性能好，因為燃煤介質中含有ＳＯ2、 ＳＯ3 、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ等腐蝕性氣體；（5）導熱性好。 目前已在工業(yè)上應用的熱電偶保護套管材料按其材質分主要有金屬材料，非金屬材料與金屬材料和非金屬材料的復合材料三大類。 1、 金屬保護管材料 應用較多的有不銹鋼和高溫合金，這類材料的優(yōu)點是機械強度高，耐腐蝕性能與導熱性能好，但其高溫熱強性差，故高溫耐磨性較差。不銹鋼保護管一般可使用7~8天，而一般的其他材料也就是使用1~2個月。近年來國內外一直沒有理想的解決辦法，在困擾中只好采取加厚保護管管壁的方法，有的熱電偶保護套管的壁厚已達到了10余毫米。因此，在循環(huán)流化床鍋爐中應用效果不是很理想，性能價格比差。 2、 非金屬保護管材料 常用的材料有石英、高溫陶瓷、氧化鎂、氧化鋁等。同金屬材料相比，這類材料的優(yōu)點是高溫耐磨性好，耐腐蝕性能良好，但缺點也是很明顯的，首先是導熱率差，熱響應敏感性差，因此管壁不能做的很厚，而管壁的減薄又給應用帶來了一系列的問題。陶瓷類材料一般較脆，抗熱震性能差，在使用過程中由于沖擊和熱震容易導致脆裂，特別是在循環(huán)流化床鍋爐中使用由于強烈的沖蝕作用而易早期失效。 3、 復合材料保護套管 近年來發(fā)展較快的有金屬陶瓷復合材料和特殊復合涂層材料保護套管。金屬陶瓷復合材料是由金屬基體、陶瓷成分和潤滑劑等組成的多元復合材料。這類材料制造的熱電偶保護套管具有導熱性好、抗熱震性強耐熱、耐磨等優(yōu)點。特殊復合涂層材料保護套管目前大多是將硬度高耐磨的復合材料如金屬陶瓷等以激光熔敷等手段涂敷在金屬基體表面。上述復合材料保護套管，其優(yōu)點是綜合了兩種不同材料的特點，具有一定的優(yōu)勢互補性，缺點則是由于兩種材料特殊的復合機制而使得制造過程太復雜。[6 7 8] 3.2耐磨材料的發(fā)展及其在熱電偶保護套管中的應用 經(jīng)過30余年的研究與應用，國外耐磨材料的研究與應用已趨于穩(wěn)定，發(fā)達國家已有自己的系列產(chǎn)品和國家標準。 在非金屬材料中，陶瓷的耐磨性能較為優(yōu)異，然而，這類材料脆性較大，抗熱震性能不足，且其導熱性能相對較差一些，為了提高熱敏感性，管壁又不能做的太厚。因此用這類材料做成的熱電偶保護套管在循環(huán)硫化床中應用效果不是很好。目前，國內外在陶瓷材料領域的應用研究趨勢大多為發(fā)展金屬與陶瓷的復合材料，既金屬陶瓷材料，或采用表面涂層技術，將其用作涂層材料。 金屬耐磨材料的發(fā)展，經(jīng)歷了從高錳鋼、普通白口鑄鐵、鎳硬鑄鐵到高鉻鑄鐵幾個階段。目前發(fā)展成為耐磨鑄鐵、耐磨鋼和耐磨合金三大類。耐磨鋼和耐磨合金雖然各有其特點，但從成本、抗磨性方面遠不如白口鑄鐵，因此，后者應用較為廣泛，尤其是合金白口鑄鐵，其壽命均比普通白口鑄鐵提高幾倍，甚至幾十倍。其鉻系白口鑄鐵，通過調整鉻含量和碳含量，可大幅度提高它的綜合性能。 人們常說的高鉻鑄鐵實際上是高鉻鉬白口鑄鐵，從含碳量可分為Cr15和Cr20兩類，前者用于承受一般的沖擊磨損，后者用于高沖擊磨損及厚度較大的耐磨件。含鉻量為30%的高鉻鑄鐵則用于耐熱、耐磨或耐蝕的工件。 高鉻鑄鐵作為常溫下的抗磨料磨損材料已得到了日益廣泛的應用，但在高溫磨損工況下，材料的服役條件比常溫磨損更為惡劣，材料服役過程中不僅受到磨料磨損作用產(chǎn)生損傷，還有高溫氣體對材料的氧化腐蝕。以往在高溫磨損工況下使用的材料(如CrMnN鋼)，只注重其抗氧化腐蝕性能，而在選材時要求碳含量很低，其結果是材料的抗磨性造成損失。因此，研究高溫抗磨材料，就必須對材料綜合考慮，才可能正確設計和選擇所使用的材料。高鉻鑄鐵凝固時形成(Cr, Fe)7C3 型碳化物，這種碳化物的硬度高(1500～1800HV)，遠高于(Cr,Fe)3C型碳化物的硬度 ( 840～1100 HV)，這是高鉻鑄鐵具有高耐磨性的主要原因。高鉻鑄鐵的共晶結構與一般鑄鐵中的萊氏體相反，共晶碳化物為不連續(xù)相，以分散的單體存在于奧氏體中，而共晶奧氏體則為連續(xù)體。這種特殊結構相當于在一定基體上嵌入高硬度的顆粒，大大減弱了高硬度相的脆化作用，因此高鉻鑄鐵具有較好的韌性。高鉻鑄鐵中的鉻一部分進入碳化物，另一部分進入基體，從而提高了基體的抗氧化能力。[9 10] 從高鉻鑄鐵的組織特點中可以看出，將其用作耐磨用熱電偶保護套管材料是完全可行的，如何調整成分使其達到最佳的耐磨抗蝕效果還需要進一步的研究和實驗。 3.3新材料涂層技術在熱電偶保護套管上的應用 新材料涂層技術在熱電偶保護套管上有著極其廣泛的應用前景。其特點是可以將兩種不同的材料進行組合，充分發(fā)揮基體和涂層的特性，有效的滿足實際需要。因此國際上在這方面的研究較為活躍，在提高材料的耐磨性方面的應用有激光熔敷金屬陶瓷、梯度功能陶瓷涂層等等。 在一般的耐磨涂層技術中，大多