文/胡為峰，黃齊文，蔣昱，尹麗亞，魏木盂，李行志·北京賽億科技股份有限公司

北京賽億科技股份有限公司董事長、總經(jīng)理胡為峰

　　工業(yè)鍋爐是我國耗能大戶，每年燃用全國燃煤產(chǎn)量的1/3。目前，鍋爐運(yùn)行效率不高，能源浪費(fèi)相當(dāng)嚴(yán)重。同時(shí)，又排放大量廢渣、煙塵以及SO₂和NO_X等污染物，成為我國大氣主要煤煙型污染源之一。

　　節(jié)約能源已經(jīng)是被我國專家視為在繼煤炭、石油、天然氣和電力等四種重要能源之后的 “第五能源”。以中國目前能源利用效率的現(xiàn)狀來看，節(jié)能比新建鍋爐房、增加供熱機(jī)組、發(fā)展水電、火電、核電都要經(jīng)濟(jì)。因此，國家把“資源能源：節(jié)約和環(huán)境保護(hù)”定為基本國策，加大治理的力度，通過采取煤炭綜合利用、粉煤技術(shù)等各種新技術(shù)措施提高煤的利用效率，采取除硫、除塵設(shè)備等進(jìn)行環(huán)保治理。但各類工業(yè)鍋爐、燃燒爐均存在冷凝壁嚴(yán)重磨損和腐蝕的狀況，而目前還沒有有效的辦法來進(jìn)行防護(hù)，少量的鍋爐采用噴涂鎳基涂層或其他金屬涂層的進(jìn)行解決，雖有一定效果，但成本高昂。

　　陶瓷被公認(rèn)為是一種穩(wěn)定的抗氧化、抗腐蝕、抗磨損的材料。但對(duì)于各種工業(yè)鍋爐難以做到金屬冷凝壁的表面，往往燒結(jié)溫度很高，不具備現(xiàn)場(chǎng)燒結(jié)可行性，如氧化鋯涂層、氧化鋁涂層雖具有很好的耐溫能力，但通過各種噴涂的方法難以做到冷凝壁上，結(jié)合力低，熱膨脹系數(shù)不匹配，因此需要開發(fā)新型的耐高溫腐蝕陶瓷涂層材料。

　　目前國內(nèi)外使用的高溫耐磨蝕涂層雖各有優(yōu)勢(shì)，但往往顧此失彼，不能同時(shí)滿足耐高溫磨損、腐蝕、氧化和良好的導(dǎo)熱性、低廉的成本等各項(xiàng)要求。國外的高溫耐磨蝕涂層的性能雖好，但噴涂成本太高，不適合在國內(nèi)推廣使用；國內(nèi)自行研制的涂層適應(yīng)了我國國情，但涂層使用性能并不理想。因此，要解決我國鍋爐的高溫磨蝕問題，還必須尋找既適合本國國情又同時(shí)具備優(yōu)良使用性能的涂層材料和工藝。

涂層研發(fā)內(nèi)容

　　新型耐高溫磨蝕陶瓷涂層是利用陶瓷材料優(yōu)異的高溫綜合性能對(duì)金屬表面進(jìn)行高溫防腐蝕耐磨保護(hù)，屬于高溫腐蝕屏蔽和高溫磨粒磨損犧牲復(fù)合型金屬高溫防護(hù)涂層。鍋爐用20^#鍋爐鋼在高溫條件下其強(qiáng)度急劇下降，如400℃時(shí)強(qiáng)度僅為常溫時(shí)的50%.工業(yè)高溫?zé)煔庵泻辛蜓趸铩⒙入x子等腐蝕介質(zhì)和對(duì)鍋爐產(chǎn)生嚴(yán)重高溫磨損的礦物顆粒物，對(duì)鍋爐產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕，造成水冷壁、水冷管金屬減薄至爆管、穿管。

　　鍋爐水冷壁等受熱面表面制備耐高溫腐蝕的陶瓷涂層，能保護(hù)水冷壁在一定時(shí)間內(nèi)（約為一年）免于高溫腐蝕，并定期對(duì)陶瓷涂層的磨損減薄進(jìn)行補(bǔ)涂，使金屬始終處于陶瓷涂層的保護(hù)之中。

　　為了滿足在火力發(fā)電鍋爐、煤炭焦化余熱鍋爐、生物質(zhì)能燃料鍋爐、垃圾焚燒鍋爐、鋼鐵行業(yè)熱能源循環(huán)利用、節(jié)能減排設(shè)備、其他有色金屬冶煉余熱鍋爐等應(yīng)用要求，項(xiàng)目重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容如下。

　　（1）型耐高溫磨損腐蝕陶瓷涂層材料體系的確立。Al₂0₃、Si0₂、Cr₂0₃是公認(rèn)的氧擴(kuò)散阻擋材料，均具有很低的氧擴(kuò)散系數(shù)，本項(xiàng)目開發(fā)的耐高溫腐蝕陶瓷涂層以Al₂0₃、Si0₂、Cr₂0₃為主要陶瓷相，以碳化鈦、氮化硅為耐高溫腐蝕氧化物復(fù)合陶瓷涂層彌散強(qiáng)化相，以涂層抗高溫腐蝕性能為制備確定復(fù)合陶瓷涂層材料體系及其配比。

　　（2）陶瓷涂層的粒徑可以實(shí)現(xiàn)不同粒徑間空隙的填補(bǔ)，對(duì)涂層的性能有非常重要的影響，粒徑配比是陶瓷涂層材料開發(fā)中僅次于材料選取的一項(xiàng)因素。在復(fù)合陶瓷涂層材料體系下，以陶瓷粒徑5~30μm范圍內(nèi)設(shè)計(jì)涂層材料的粒徑級(jí)配，以涂層力學(xué)性能為指標(biāo)，通過正交試驗(yàn)法確立涂層材料的最佳粒徑配比。

　　（3）設(shè)計(jì)具有微孔熱應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)的耐高溫磨損腐蝕陶瓷涂層。由于陶瓷材料與鋼鐵材料的熱膨脹系數(shù)差異巨大，在高溫條件下，陶瓷涂層中將產(chǎn)生導(dǎo)致涂層開裂、剝落的熱應(yīng)力，因此涂層熱應(yīng)力釋放決定涂層對(duì)金屬的保護(hù)能力。氧化物陶瓷由于其熔點(diǎn)極高，無法在隨爐熱工況條件下完全燒結(jié)，氧化物陶瓷顆粒之間在溶膠一凝膠的媒介條件下產(chǎn)生燒結(jié)縮頸，縮頸處為熱應(yīng)力釋放區(qū)。通過研究陶瓷微孔釋放應(yīng)力的機(jī)理和控制微孔尺寸數(shù)量分布和應(yīng)力釋放效果的關(guān)系（圖1），研究調(diào)控?zé)Y(jié)工藝參數(shù)控制微孔尺寸獲得優(yōu)化致密涂層的技術(shù)。

圖1陶瓷涂層微孔

　　（4）開展耐高溫磨損腐蝕陶瓷涂層耐生物質(zhì)燃料腐蝕的機(jī)理研究。重點(diǎn)模擬生物質(zhì)燃料產(chǎn)生的堿金屬腐蝕和氯離子腐蝕機(jī)理，優(yōu)化陶瓷涂層體系和制備工藝。

　　①酸露點(diǎn)腐蝕區(qū)（200℃以下）。

　　通過控制陶瓷材料的粒徑分布，使涂層的微孔通道直徑小于50%硫酸由于表面張力無法潤濕的毛細(xì)管孔徑。G20鋼裸管與耐高溫磨蝕涂層50%硫酸腐蝕480h對(duì)比如圖2所示，陶瓷涂層置于50%硫酸中480h后陶瓷涂層宏觀監(jiān)測(cè)無剝落破損現(xiàn)象產(chǎn)生。

　　②200℃以上高溫腐蝕區(qū)。

　　圖2 G20鋼裸管與耐高溫磨蝕涂層50%硫酸腐蝕480h對(duì)比

　　200℃以上區(qū)域，硫氧化物不能形成硫酸露點(diǎn)，該區(qū)域?yàn)楦邷馗g（沖蝕）。其高溫腐蝕機(jī)理為金屬表面被腐蝕產(chǎn)生可以緩解腐蝕的復(fù)試產(chǎn)物，被高溫?zé)煔饬髦袛y帶的硬質(zhì)礦物顆粒沖刷掉，從而將金屬基本表面暴露在高溫腐蝕性氣氛中，如此惡性循環(huán)。高溫腐蝕失重減速率遠(yuǎn)大于單一方式的高溫磨損和高溫腐蝕速率的加成。在此區(qū)域陶瓷涂層屏蔽了高溫氣氛腐蝕。腐蝕性氣體雖然可以通過陶瓷涂層少量微小通水孔進(jìn)入金屬界面，但其腐蝕性過程是體積增加的，即其腐蝕產(chǎn)物封堵了涂層中的微小通孔。從而屏蔽了高溫腐蝕氣氛因此壓高于200℃的溫度區(qū)間，涂層承受高溫氣流中的磨粒磨損的性能至關(guān)重要。

　　（5）實(shí)現(xiàn)新型耐高溫磨損腐蝕陶瓷涂層的工程應(yīng)用。開展陶瓷涂層在電力鍋爐及冷凝設(shè)備，以及生物質(zhì)燃料鍋爐上的工程應(yīng)用。涂層在汽車排氣歧管道上的應(yīng)用如圖3所示。

　　圖3耐高溫磨蝕涂層在汽車排氣歧管道上的應(yīng)用

實(shí)施方案

　　從2011年第四季度到2012年第四季度，項(xiàng)目組陸續(xù)完成了具體實(shí)施工作。

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