典型应用,表面保护材料的技术要求抗磨蚀涂层

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宝钢股份炼铁厂原料场自82年开始陆续投入使用,至今已经有30多年。原料设备主要功能是将码头外购物料输送至料场,经料场处理后输出给烧结、高炉和电厂等用户。整个原料厂有皮带机800多条,堆取料机42台,都属于露天设备。由于其独特的地理位置,设备腐烂现象严重。需要采取措施防止设备腐烂加剧,保证设备钢结构强度,确保设备安全运转。    原料区域设备腐烂情况介绍    宝钢股份炼铁厂原料设备钢结构众多,因其独特的生产工艺环境——地处长江口潮湿环境、腐蚀性粉尘及落料、现场清扫用水等,造成设备钢结构腐蚀非常严重,对现场人员和设备的安全构成很大威胁,特别是堆取料机走行腿承受重量达几十吨甚至上百吨,其关节部位腐烂形成很大的安全隐患。公司上下已经意识到钢结构腐蚀已经成为冶炼区域发展的瓶颈,策划了09年的第一轮钢结构整治三年计划,很大程度上稳定了原料区域钢结构的状态。在总结第一轮三年钢结构整治计划和结合原料大修规划的基础上,正在策划原料区域第二轮三年钢结构整治计划。    钢结构的腐蚀不仅造成巨大的经济损失,也给结构的安全带来隐患。钢结构表面的腐蚀坑常会造成钢结构构件的应力集中,应力集中加速腐蚀过程,这种相互反馈的连锁反应是应力腐蚀的一种形式,从而引起钢材冷脆性能下降,在无明显的变形征兆情况下突然发生脆性断裂,尤其在冲击荷载的作用下危险性更大。钢结构如不重视环境及采取必要防护,必将加速锈蚀速度,忽视日常的维护保养同样会发生由于严重锈蚀而引起承重构件丧失承载能力,造成钢结构的安全使用隐患。    设备防腐实施过程相应管理措施    钢结构是原料设备的重要组成部分,在堆取料机、皮带机以及转运等大量使用,为了延长设备使用寿命以及确保原料设备的安全稳定运行,需要对钢结构进行一生管理,从钢结构的安装到维护等过程进行严格把关。    原料典型防腐案例介绍    3.1.皮带机立柱防腐    皮带机立柱比较容易腐烂,主要是因为立柱根部位置较低容易积料、积水,因此针对此现象,现场总结经验对其进行灌浆包注,达到保护立柱根部的目的。现该措施在技改项目中也得以推行。    3.2.堆取料机转盘防腐    煤场堆取料机转盘底座横梁侧壁,由于煤粉积垢较厚,使转盘底座腐蚀严重,为保证设备长期稳定运行,需进行防腐防护处理。经协商确定,由汉高乐泰有限公司采用特殊防护剂进行防护。    转盘底座防护处理选用汉高乐泰刷涂陶瓷防护剂及乐泰耐化学刷涂陶瓷防护剂。该材料是一种双组份,可刷涂型产品,填充有陶瓷粉末,固化后具有耐磨损和耐腐蚀等作用,硬度达85,颜色灰色,由德国汉高乐泰美国公司生产。    实施工序如下:    3.2.1.用乐泰刷涂陶瓷防护剂湿润转盘底座表面,涂层厚度约0.5mm,施工及胶层初固约需4小时;    3.2.2.用乐泰耐化学刷涂陶瓷防护剂刷涂转盘底座表面,涂层厚度约0.3mm,施工及胶层固化约需3小时。    3.2.3.胶层完全固化约需8小时。    采用这种特殊材料后防腐效果明显,有效隔断了钢结构本体积料造成的设备腐烂,能保证设备的安全运行。    3.3. 堆取料机涂层防腐    2005年12月正式对3BR和4BR两台堆取料机以冷镀锌作为牺牲阳极保护底漆的方案以及重防腐冷镀锌复合涂层的配套方案进行防腐。施工完成后进行质量检测。施工过程中对表面处理由于受到工期和施工设备的限制,尚未完全达到ISO12944标准St3级要求,但在涂膜厚度、涂层附着力等方面均基本达到设计要求。

水泵抗汽蚀、磨损防护技术的研究进展

    宝钢原料设备钢结构较多,其所在重工业大气环境造成设备腐烂严重,所以防腐必须作为一项长期工作进行下去。钢结构的管理必须坚持一生管理的原则,从标准的完善,到质量源头的控制,以及使用过程的维护都要认真对待,最后要做好设备防腐后续评估工作。原料区域设备防腐任重道远,需多方共同努力才能长治久安。 

水泵的汽蚀、磨蚀及其联合作用的破坏一直是水泵运行、维护及管理工作中的一个重要问题,传统的表面保护材料及工艺已远远不能满足水泵抗汽蚀、磨蚀的要求。为了增强水泵过流部件表面抗汽蚀、磨蚀的能力,除了采用不锈钢或其它硬质合金材料来制造叶片、叶轮室外,还对表面保护技术进行不断的试验研究。本文对其进展叙述如下。1 表面保护技术研究现状11 表面保护技术简介111 非金属涂层的研究我国在20世纪60、70年代就开始将环氧树脂及其复合物应用于水泵进行抗磨蚀保护。在20世纪80年代又相继开发了复合尼龙涂层、聚氨酯类涂层、仿陶瓷涂层以及橡胶涂层等非金属涂层。另外有一些使用速钛胶、橡胶、搪瓷、陶瓷、玻璃等材料形成的非金属涂层,由于加工工艺复杂等原因使用较少。20世纪90年代,在工业领域还引进了美国Devcon修复剂、ARC复合涂料、人造橡胶涂层等高分子聚合物材料。这些非金属涂层材料在泵站恶劣的使用环境下,往往因涂层与金属基体结合能力差以及材料本身硬度不够,很难达到{TodayHot}预期的抗汽蚀、抗磨蚀效果。112 金属涂层的研究[新豪天地85998,2]在水泵抗磨蚀表面保护技术中还广泛采用金属表面保护层。使用较多的是焊条堆焊和线材喷涂。利用不锈钢焊条的堆焊法可保证焊层与基体有很高的结合强度,但堆焊法冲淡率大,焊层厚而不匀且加工余量大,对工件基体材料的可焊性要求高。经堆焊法处理的水泵叶片表面,一般在堆焊处未发生汽蚀破坏前,在堆焊点周围又迅速发生新的汽蚀破坏,直至堆焊层底部。线材喷涂所形成的不锈钢雾状颗粒涂层以机械结合为主,不太适用于水泵冲击载荷和抗汽蚀的修复。对于一些大型的水泵工件,如大口径轴流泵叶轮室,可以在表面镶嵌一层不锈钢板来增加抗磨蚀能力。但这种方法需将工件送至大型水泵厂专门加工、车削、镶嵌、焊接,费用贵、周期长,非一般泵站所能实施。合金粉末喷涂是在线材喷涂基础上发展起来的。与堆焊法相比,成型美观平整,厚度易于控制,冲淡率小,方法简便,热源易得,加工不受气候、场地的限制。但由于喷涂层是由高速喷射到基体表面的半熔融状态的合金粉末微粒一层一层地有规则地叠加形成的,属于层状结构,其物理特性具有方向性,而且在喷涂过程中,每颗粉末微粒均出现凝结、收缩、变形等现象而在涂层中发展成一种内应力,因此合金粉末喷涂一般只用于汽蚀和磨蚀不太严重的中小型水泵的表面保护。12 表面保护材料和工艺的要求121 表面保护材料的技术要求抗磨蚀涂层必须具有[1]:很高的强度和硬度以抵抗汽蚀、磨蚀的破坏;具有一定的韧性,以吸收冲击能量;具有很高的粘结强度,以保证涂层在泵内30~35m/s的高速水流冲击下不会剥落;涂层材料必须价格适中,才能保证在大中型泵站及量大面广的农村中小型泵站中推广使用;涂层材料应无毒,非易燃、易爆品,便于保管运输,不污染周围环境。122 加工工艺要求为了保证表面保护技术的推广和应用,加工工艺必须做到:工艺简单,能够为不同程度的操作者所掌握;加工中所使用的工具应是在市场中易于购得或是一般泵站维修工作中所必备,且价格适中,无需特殊和昂贵的设备;工艺应不受季节和周围环境的影响,保证泵站在冬、春季节维修期内能够进行;涂层不需要特殊的保温养护,涂覆后能快速固化或投入使用,以{HotTag}缩短维修周期。2 合金粉末喷焊技术的进展喷焊防护技术是随着低熔点粉末材料的研制成功而在喷涂和堆焊基础上发展起来的一种金属表面保护技术。由于喷层经历重熔过程,涂层致密无孔,表面光滑平整,具有节约材料、质量好、效率高的优点,喷焊层表面硬度可高达HRC60~70,可以几倍甚至十几倍的延长水泵过流部件的使用寿命。21 喷焊合金粉末材料的优化211 优化要点为了保证喷焊层的质量,防止工件变形和涂层裂纹的产生,涂层材料研究优化的技术路线为:通过配比优化,改变硬化相的颗粒尺寸、数量及结晶晶粒度的大小,以获得合理的组织结构形态及分布状态。根据水泵汽蚀、磨蚀的特点,有针对性地调整材料的性能指标,既保证材料优异的抗磨蚀性,又可较大限度地抑制或减少裂纹的产生,提高可焊性。确定合理的技术参数和工艺参数,改善涂层使用条件下的拘束状态。212 合金粉末的基本成分和配比根据水泵抗磨蚀的基本要求,我们对喷焊用合金粉末进行了大量筛选并优化。主要优化出Fe基、Ni-Cr基和WC系列的材料,其主要成分和配比如表1中所示。213 合金粉末的优化选择选择使用何种粉末材料,是根据水泵工作状况、喷焊工艺及经济性来决定的。值得注意的是,喷焊层的耐磨蚀性和其宏观硬度并不成线性比例,而是和其显微硬度成正比例,故而选择焊层时不应过分强调其宏观硬度的高低,这一点已在大量耐磨蚀性能对比试验中获得证实。对水泵抗汽蚀、抗磨损合金粉末选择一般应满足下列原则[4]:对中小型水泵的叶片和叶轮室,处理较轻微的汽蚀损坏或泥沙磨损件可用Fe30、Fe280、Fe250等进行喷涂处理。修复水泵的铸件铸造缺陷或损坏,可选用喷焊性能和韧性及加工性能较好的Ni25、Ni20,用这种喷焊法代替焊接工艺,可避免铸铁在热影响区内形成Fe3C脆性相,防止焊层开裂。对于中等磨损并要求较好抗汽蚀性能的使用条件,可考虑选用Ni35喷焊。它对基体金属适应性强,不致引起开裂,喷焊层富有韧性,可车削加工。对于汽蚀侵蚀或泥沙磨损严重的水泵叶片、叶轮室可选用Ni55或Ni60,它们具有很高的硬度、韧性和抗冲击能力及良好的抗汽蚀、抗磨损性能。对要求在常温下承受强烈磨损和侵蚀而工作表面要求不高的水泵,可采取廉价的Fe60、Fe-WC25合金粉末,喷焊后无需加工可直接使用。对于高应力磨粒磨损或冲刷磨损以及严重汽蚀侵蚀和要求严格的使用工况,可选用含WC的Fe-WC35,Ni-WC25、Ni-WC35合金粉末进行喷焊。22 喷焊加工关键技术高硬质抗汽蚀、磨蚀材料在加工过程中,必须重点解决喷焊所引起的工件变形和喷层裂纹问题[5]。变形和裂纹的主要原因有:在加工过程中的高温引起了内应力的产生,这种内应力随着喷层厚度的增加而叠加。涂层金属凝固结晶时,由于低熔点共晶体的大量存在形成金属偏析,给裂纹的生成创造了条件。加之硬质相合金结晶时引起的晶粒粗大及晶界脆化使材料韧性大大降低,裂纹一旦产生极易扩展。涂层和基体热物理性能的差异,特别是所选用的粉末与金属基体膨胀系数相差较大时,会导致冷却过程中基体金属出现较大的相变和层间应力,导致变形和涂层开裂。材料加工过程中环境拘束度的影响,例如周围的空气温度和湿度的大小,操作人员的熟练水平,施喷的速度快慢、喷敷和重熔的温度高低以及预热、加温和冷却的速度等因素都直接影响到喷层的质量和变形裂纹的产生。针对喷焊层裂纹和工件变形问题,制定了严格的工艺流程和技术参数,包括送粉的速度、气源的压力、喷嘴的孔径和距工件的距离、每次喷层的厚度、覆盖的方式、温度的控制、冷却速度、保温时间及措施等。23 试验研究结果在实验室利用汽蚀圆盘机对6种不同配比和不同成分的试块进行试验并与其它防护材料试块进行对比测试,以普通碳素钢为标准材料,见表1。它表明采用Ni-Cr基60系列喷焊的涂层抗汽蚀能力为普通碳素钢的195倍。NiCr基合金是在Ni、B、Si中加入了15%~18%的Cr,在涂层的显微金相组织可见大量硬质相加入细化晶粒元素使组织细小,分布均匀。在熔合区有共晶体析出,边界可见扩散层。图1为喷焊组织金相照片。的显微金相组织可见大量硬质相加入细化晶粒元 表1汽蚀试验结果对比材料名称基本成分连接方式抗蚀系数碳素钢环氧金刚砂电火花强化Ni222Fe30AFe30ANi55Ni55Ni60Fe、C环氧基液、金刚砂Fe、C、NiC05%、Cr15%、A145%、Fe8%、Si08%、Ni余量C06%、Ni345%、Cr13%、B15%、Si3%、Mo45%、Fe余量C06%、Ni346%、Cr13%、B15%、Si3%、Mo45%、Fe余量C06%、Cr15%、B4%、Si4%、Mo3%、Cu25%、Fe<12%、Ni余量C06%、Cr15%、B4%、Si4%、Mo3%、Cu25%、Fe><12%、Ni余量C09%、Cr15%、B4%、Si4%、Co15%、Fe><14%、Ni余量2030HB2503030555560板材涂抹渗入喷涂喷涂喷焊喷涂喷焊喷焊10试验中脱落529996125136184195> 表2 1990~2000年工艺试验研究内容及阶段性成果江苏房山泵站江苏凌城泵站皂河泵站江都三站湖北凡口泵站试验室水泵型号28ZLB-7040ZLB-506HL-70ZL135-840CJ-95扬程H851215895流量Q112510013550叶轮直径7001000600020004000试验日期1990年4月1991年11月1992年4月1993年7月1997年12月2000年7月重点试验内容及目的 进行8种喷焊层方案比较,在相同汽蚀工况下运行 研究喷焊材料和叶片、叶轮室的防护技术,解决喷焊加工工艺的开裂和变形问题 研究大型泵叶片喷焊工艺,解决预处理、预热、控温、变形等工艺问题 研究大型泵ha1f叶轮室喷焊时极限变形量,以便采取控制措施 ①全面检验防护工艺、变形控制措施;②真机应用试验研究;③研究喷焊大型工件的预热方式和热传导的影响 ①研究激光熔覆材料添加方式;②研究激光熔覆加工工艺参数包括:激光功率P,光斑尺寸d,光腔输出构型和聚焦方式,激光扫描速度v,激光多道搭接系数a等;③研究激光加工后材料抗汽蚀能力试验部位 叶片正、反面全部喷焊加工10台水泵叶片正反两面汽蚀区及叶轮室200mm宽度汽蚀带 叶片进水侧正面沿叶片宽度方向长条区域宽约250mm 叶轮室300mm宽度汽蚀带 叶片正面进水侧750×1500mm2汽蚀区和叶轮室330mm宽度汽蚀带 铸铁和铸钢表面试验结果 至1993年5月拆泵检查,每台累计运行时间3288h。未经过处理的叶片汽蚀面积达到2800mm2,深度5mm。喷涂叶片在汽蚀区有脱落。喷焊叶片均未发生变化 为验证试验结果,喷焊加工后,将叶片角度从原来-10°增至0~2°。至1996年12月检查,平均每台运行2860h,叶片、叶轮室表面光滑,无汽蚀破坏痕迹 用Ni基碳化钨二步法喷焊,至今效果良好,无汽蚀破坏痕迹 在不采取任何措施的情况下,harf叶轮室极限变形量可达03%D,经采取措施,可控制变形量在±01%D以内 叶片变形量控制在±01%D以内,叶轮室变形量控制在±005%D以内。喷焊过程中,经采取措施,热量对水泵油轴承无影响 采用与喷焊同一种Ni基和WC涂层材料,经激光熔覆处理后,铸铁和铸钢的平均抗汽蚀能力分别提高1591倍和2143倍。与喷焊工艺相比,平均抗汽蚀能力提高了13倍和15倍 23 现场试验及应用1990年开始我校率先在国内开展了水泵过流部件表面喷焊防护材料和关键技术的试验研究。通过不断地改进材料配方,并完成了泵站泵实施的试验工作,基本解决了大型轴流泵、混流泵叶片、叶轮室汽蚀区的严重破坏及大工件实施中的涂层脱壳、工件变形、裂纹等关键技术。1990~2000年工艺试验研究内容及取得的阶段性成果见表2。由于大量的试验研究工作在泵站泵上进行,成果经多年验证,已具备了推广应用的条件。试验研究和实际应用证明喷焊技术是目前解决大中型水泵汽蚀、磨蚀破坏的较好方法之一。3 激光熔覆表面改性技术研究31 激光表面熔覆工艺的特点激光熔覆技术是指在被熔覆基体表面放置选择的涂层材料后,经过激光辐照使之和基体表面同时熔化,并快速凝固后形成稀释度极低,与基体材料成冶金结合的表面涂层,从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀性能的工艺方法[6]。与喷焊熔覆相比,它具有以下特点:冷凝速度快,产生快速凝固组织特征,可获得致密、均匀、高硬度的涂层;热变形极小,特别适合于对变形量有严格要求的叶轮、叶轮室;光束瞄准,能进行选区熔覆和修复其它方法难以接近的加工区域;工艺过程易于实现自动化,便于质量控制。32 试验研究结果[7]利用2kWCO2连续横流激光器,采用Ni基和Ni基WC合金粉末,对铸铁和铸钢试样进行了激光表面改性技术的研究。用J93025型磁致伸缩仪对试样的抗汽蚀性能进行了测试。试验结果表明,经激光熔覆表面改性后的试样抗汽蚀性能有较大幅度的提高。激光熔覆层比喷焊层更为细密、均匀,热影响区更窄。由于激光功率高,扫描作用时间短,涂层和基体表层加热后熔化速度快,急速冷却时过冷度大,熔池中的合金元素能迅速形成多种化合物而增加非自发晶核的数量,使形核率大为提高,形成细小均匀的显微组织。组织细密可以提高晶界结合力,增强材料强度和韧性,不但减少了单位晶界上的杂质含量,而且在快速冷却过程中成分偏析程度减少,从而在整体上保证了加工质量。激光熔覆表面改性是利用激光束对熔池进行搅拌,使得熔池中气体夹杂物能上浮析出,形成较为致密的涂层,保证了熔层的质量。而喷焊过程是利用氧乙炔火焰使喷射到基材表面的粉末熔化,在加工过程中伴随有空气混入焊层,在喷层及界面部位往往存在较多的气孔与夹杂物分布在粗大的枝晶之间。化学成分和金属组织的不均匀性都降低了喷焊层的抗蚀能力。铸钢和铸铁表面在采用与喷焊同一种涂层材料经激光熔覆处理后,抗汽蚀能力分别提高了1591倍和2143倍。与喷焊相比,抗汽蚀能力分别提高了13和15倍。激光熔覆本身的热变形小、与涂层能产生良好的冶金结合、加上速度快、光束瞄准加工灵活、自动化程度高等特点使得激光熔覆具有其它工艺方法所无法比拟的优势。随着激光技术的成熟、价格的降低、材料研究的深入以及宽带扫描激光设备的研制,激光熔覆技术将能为水泵抗汽蚀、磨损预防护和维修提供更好的解决方案。4 结语表面保护技术可以节约优质材料,较大限度地改善和大幅度地提高普通母材的表面性能,显著地提高水泵叶片、叶轮室的抗汽蚀、磨蚀性能,延长其使用寿命。参考文献1刘朝福水力机械过流部件表面涂护技术的应用研究泵站技术,1997;:29~312储训大中型泵站水泵汽蚀防止措施和损坏修补水泵技术,1994;:37~403储训水泵叶片和叶轮室抗汽蚀喷焊保护材料及工艺研究课题报告水泵技术,1999;:18~224储训,陈履大型泵站建设和更新改造对策南京:河海大学出版社,2000:90~925陈晓平水轮机抗磨防护技术进展水利水电技术,1996;:33~346谢沛霖,吴新跃汽轮机叶片表面激光熔覆抗汽蚀研究海军工程学院学报,19997马援东水泵抗汽蚀激光熔覆预防护研究扬州大学水利建筑工程学院硕士学位论文,2000

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