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发布时间:2024-01-09 09:51:15 阅读: 来源:储罐厂家

从叶轮表面处理着手提高叶轮抗磨性

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,陶瓷耐磨顶针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,它的高温强度称重系统好,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切割设备,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

在叶轮的表面上进口价格波动较大,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。

2.1.3 试验与应用

电站离心风机主要有送风机、吸风机、排粉机、一次风机等,需要进行抗磨处理的一般只有吸风机和排粉机,吸风机和排粉机的介质温度都在200℃以下,吸风机主要是受烟气中的尘粒的冲蚀,排粉机主要是受煤粉的冲蚀,他们的磨粒都是松散型的小颗粒,因此冲蚀性质是一样的,根据上文的分析,选用粘贴耐磨陶瓷作为抗磨手段是可行的。

1. 耐磨陶瓷实验

1) 磨料磨损对比试验

磨料为40~70目的石英砂,磨轮材料为氯化丁基橡胶邵尔A62±,轮缘线速度为140m/min,磨擦行程700m,载荷130N,磨料供给速率300g/min,试验结果如表所示:表 磨料磨损对比试验数据表

由表中可以看出,以重量磨损量为准,16Mn钢是95耐磨陶瓷的35.7倍,是99耐磨陶瓷的62.8倍。若换算成体积磨损量,则分别为16倍和32.7倍。

2) 冲刷磨损对比试验

电站离心风机的磨损是典型的喷砂磨损,因此有针对性地进行喷砂磨损试验是必要的。在实验室里利用风机及射吸冲刷试验台,将磨料以一定角度冲刷以不同材料和工艺制作的试片,冲刷角取90°、45°、30°三个典型数,磨料采用#46棕钢玉,风机压力0.5Mpa, 冲刷距离为50mm电阻表,喷射时间为3分钟。被冲刷试片有16Mn钢、99耐磨陶瓷,铁0502,铁0504,镍基碳化钨,耐磨焊条。试验地点为华中科技大学动力系汽轮机锅炉教研室射吸式试验台,其部分试验数据如表:表 靶材冲刷磨损对比试验数据表

在高冲刷角下16Mn钢表现出优良的耐磨性,而在低冲刷角下,耐磨陶瓷片、铁05及碳化钨等硬度高的材料的耐磨性则优于16Mn钢。因此硬度高的耐磨材料适宜在低冲刷角,尤其是在30°左右使用。而且耐磨陶瓷片的耐磨性优于另外两种材料。这种高硬度的脆性材料的适用范围与一般离心风机的冲刷角正好吻合。

2. 粘结剂的粘接强度试验

将耐磨陶瓷片与钢板表面采用不同的表面处理方法和固化方法后,在华中科技大学力学系力学中心实验室的万能试验机上进行剪切试验,试验条件为室温、静载、等速。试验结果如表:表 陶瓷粘结剂强度试验数据表

从表中可以看出,粘结剂的粘接强度足以抗衡耐磨陶瓷片在旋转时所受的离心力。最低的破坏载荷比离心力大2.99倍,高的达到100多倍。

3.试验风机上的试验

在试验室的两台试验风机的各叶片出口在室温下对称粘贴数片耐磨陶瓷片,在刚开机10分钟,即有一片耐磨陶瓷飞出,运行四小时后又有一片耐磨陶瓷片飞出,经停机检查,飞出的耐磨陶瓷片的部位表面处理工艺不够理想,这是致使耐磨陶瓷片粘接不牢以至飞出的主要原因。其它试片在继续的长期运行中经住了考验,再没有发现耐磨陶瓷片脱落飞出的现象。尽管该试验风机的叶轮较小,但其转速较高,因而其离心力很大,比电站上的吸风机、排粉机等离心风机的离心力还要大。试验数据如下:表 试验风机数据表

4.耐磨陶瓷的应用

耐磨陶瓷的耐磨性能是最好的,尤其是Al2O3纯度为99%以上的耐磨陶瓷,在30°左右的冲刷角时,其性能比任何其它的抗磨材料都要好,这从试验结果得到了证明,目前在南方的部分电厂如荆州发电厂、柳州发电厂、申阳岗发电厂、术木平发电厂等都取得了成功。

耐磨陶瓷的应用关键在于粘接剂的使用,本文中提到的例子中的粘结剂是经过多次试验后挑选的,HZ-1粘结剂A组和B组以一定比例混合,以达到最佳粘结强度,同时母材的表面也是经过特别处理,使母材的表面上的杂质及氧化层彻底去除干净,然后在以一定的工艺进行粘接,从而达到最佳的粘接效果。当耐磨陶瓷的粘接强度达到了一定的程度,不再有掉耐磨陶瓷片的可能时,耐磨陶瓷风机的应用才有可靠的保证,才能发挥出其高强的耐磨性的优势。

2.2 耐磨涂料的应用

这是一种最简单最直接的方法,就是在叶轮母材的表面进行处理,涂上一层约1mm的耐磨涂料,用耐磨涂料来替代叶轮母材以抵抗烟气对叶轮的冲刷。

上面介绍了耐磨陶瓷作为耐磨材料的应用,应该说耐磨陶瓷是一种优良的耐磨材料,它的应用是有广泛的前途和重要的意义的。但它也有它的缺点,工艺要求严格,如施工稍不注意,没有按照工艺要求严格进行,就有可能造成耐磨陶瓷片的脱落,而使叶轮失去平衡,而且耐磨陶瓷的粘贴也增加叶轮的重量,增加了电机的启动时间,也增加了风机的功耗。

耐磨涂料只是在叶片表面涂上一层不到1mm的涂层,本日对母材不造成任何的损坏,重量轻,粘涂工艺简单,且容易修复,利用机组大、小修的时机对磨损的部位进行修复,以保持叶片的“永”不磨损,耐磨性能良好,所涂部位不受几何形状约束,现逐步被国内外有关部门关注。

2.2.1耐磨涂料的选择与试验

市场上应用较多的有美国的NK-200耐磨涂料,该耐磨涂料在国外的应用还可以,但在国内的应用就受到了一定限制,主要原因是由于其高昂的价格,使国人难以接受。

针对这种情况,研制适合我国国情的耐磨涂料是非常必要的。为此,国内也在研制与应用耐磨涂料,主要有SR-1型、CY-22型和CY-23型等,SR-1型防磨涂料采用耐高温多官环氧脂胶与碳化硅非金属硬质粒子配制而成。其中加入了适量的偶联剂TN-。此种防磨涂料的冲蚀磨损率仅为叶片材质的 。表为其冲蚀磨损试验结果。表 冲蚀磨损试验结果(磨料:棕刚玉80目)

利用上节中提到的粘贴耐磨陶瓷用的HZ-1粘结剂,作为主要材料,添加耐磨材料等等成份研制成了HZ-2耐磨涂料。

2.2.2耐磨涂料的现场应用

HZ-2耐磨涂料最典型的应用是在柳州发电厂吸风机叶轮上,柳州发电厂的生产厂长及生技科都非常赞同这个方案,耐磨涂料的磨损性远不如陶瓷,但它修修复起来方便,柳州发电厂的吸风机叶轮抹耐磨涂料作为了类似于标准的大小修项目,根据使用情况定期抹耐磨涂料,这样就使得叶轮始终处于良好健康状态,即保证了安全运行,又做到了经济节约。

2.2.3结果分析

从试验结果可以看出,耐磨涂料的抗剪强度是完全可以抗叶轮的离心力,其耐冲蚀性也远优于16Mn钢,而且耐磨涂料还有许多优点,成本适中;易于固化;粘贴工艺简单,所粘涂部位不受几何形状约束;重量轻,从而不给风机造成额外负担,即使是部分脱落也不会影响风机的动平衡; HZ-2耐磨涂料是一层在叶轮上耐磨保护膜,它的耐磨性远不及耐磨陶瓷,需要根据情况利用大、小修的机会进行修复这即是它的优点也是它的缺点,优点在于它可很容易地反复修复,通过及时修复可以保证叶轮始终处于完好状态;缺点在于这样会给工人增加部分工作量。HZ-2耐磨涂料在其它电弹簧实验机使用的进程中会出现1系列的故障厂引风机上的使用也得到了良好的效果。

2.3 其它几种常规抗磨手段简介

2.3.1铁05粉块的应用

这是一种应用早,使用较广泛的一种抗磨措施,它是利用了铁05的耐磨性能,将铁05粉块制成5cm左右的小方块,由于粉块较脆不易附着,因此粉块与叶片的钎接问题是主要问题,使铁05粉块融化是最好的选择,实际施工中,使用碳棒,利用大型电焊机产生的大电流将铁05粉块融化在叶片上,由于电弧产生的巨大热量在融化粉块的同时也使叶片表面融化,从而使铁05与叶片融为一体,形成一个既有16Mn钢的母材又有铁05高硬度的表面的叶轮。从而使叶轮的寿命提高2~3倍。

由于铁05极脆,所以这种叶轮表面极易开裂,而且一旦叶片表面磨损,就不能修复,由于表面硬度高,且不平整,所以粉块无法再焊,耐磨焊条根本焊不上,其它的抗磨措施也都无法使用。因此只能更换叶轮,这样给生产带来了不安全的因素,经济上也有损失。

2.3.2耐磨焊条的使用

直接在叶片上使用耐磨焊条进行堆焊,这是一种较简单的措施,堆焊的方式可堆成条状的、间断的小块或直接全部堆满易磨损的部位。由于堆焊使叶片本身的厚度就增加了,可以抵抗一部份磨损,同时这种焊条是特殊的耐磨损焊条,使这部分堆焊层的抗冲蚀能力又提高了,从而提高了叶轮的寿命。

耐磨焊条有多种材料,有铁05、碳化钨、有硬质合金(例如:铬钼硼耐磨焊条)等。

耐磨焊条的应用比较方便,但效果不如前几种方法好。

2.3.3叶片渗碳

渗碳的目的是为了使金属表面形成硬而耐磨的碳化铁层,同时,保持钢材内部的柔韧性。由于钢材在组织状态呈奥氏体时,吸收碳的能力最强,因此,在渗碳过程中,必须把叶片加热到能使内部组织转变为奥氏体的温度。但渗碳温度过高,易引起晶粒变大和表面层含碳过高而出现脆性,致使叶片容易产生裂纹。因此,一般控制加热温度在900℃左右。渗碳层越深,防磨越好,但脆性越大,叶片易断裂。实际渗碳时,渗碳层多厚,渗碳的部位,要由叶片的厚度和磨损情况以及渗碳工艺来决定。

叶片渗碳后,表面硬度较高,提高了叶轮的抗磨性,但其有与铁05同样的优点与缺点。

3 结论与建议

气固两相流离心风机的抗磨研究是广大关心风机的技术人员的一个热门课题,也是电站实际运行中存在的需要逐步完善的课题,研究人员从各种途径,利用各方面的优势,经过大量的理论研究和实验验证,得出多种切实可行的抗磨手段,各有其优缺点。

本文介绍了对叶轮进行表面处理的几种防磨抗磨手段,叶轮表面提高硬度的抗磨技术,经过大量的理论与实验研究和实际运行,证明是一种可靠的抗磨技术。对于大多数的电厂来说,建议使用叶轮表面提高硬度的处理技术进行离心风机叶轮的表面抗磨工作。在诸多的叶轮表面抗磨技术中,建议使用粘贴耐磨陶瓷技术或涂抹耐磨涂料技术对叶轮表面进行抗磨处理,这两种技术比其它的表面处理技术有无可比拟的优点。粘贴耐磨陶瓷技术及涂抹耐磨涂料技术都是在不损伤叶轮及其内部组织的情况下对叶轮进行表面处理的,真正起到了对叶轮的保护作用。而且可以不断修复,以保证母材始终处于完好状态。而其它几种方法都对母材有伤害,使叶轮叶片母材内部组织结构发生变化,从而使叶片发脆,在磨损后不能修复,只能一次性使用。

从抗冲蚀性能上看耐磨陶瓷片也是最好的,特别是含量为99%的Al2O3耐磨陶瓷片,只要选好粘贴剂加上可靠的粘贴工艺,粘贴耐磨陶瓷不失为一种可靠的抗磨手段。耐磨涂料以其重量轻,对叶轮运行没有影响,施工简单,耐磨性能较好,可反复修复等优点,使其也得到广泛应用。

其实在电厂的实际运行中影响风机的因素有很多,如能综合治理将达到更佳的效果,例如在吸风机的磨损问题上,如果提高煤的发热量,降低煤的灰份,提高锅炉的燃烧效率,降低飞灰可燃物的含量,提高电除尘的投入率及除尘效率,从而降低吸风机入口烟气中的灰尘含量;在排粉机的磨损问题上,如能提高旋风分离器的效率则可以降低排粉机入口乏气中的煤粉的含量,风机的磨损与气体含尘量是成正比的,这样有利于从本质上降低风机的磨损负担,再配合使用一定的抗磨手段,电站离心风机磨损的问题将有了根本性改变,风机的抗磨工作将只是一个例行的检修工作,不会再影响机组的安全经济运行。

参考文献

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