谈金军
（华电青岛发电有限公司，青岛 266031）
摘 要：本文首先简要介绍了磨损机理和热态及冷态防磨技术特点。结合排粉风机的运行工况与环境，选用耐磨陶瓷贴片的方法增强排粉风机叶轮的耐磨性，以延长排粉风机叶轮的使用寿命，后期运行效果表明排粉风机叶轮防磨效果显著，可以显著减少排粉风机叶轮的磨损。排粉风机采用耐磨陶瓷贴片的方法简单易行、效果显著，值得进一步推广应用。
关键词：排粉风机叶轮；磨损机理；磨损率；陶瓷防磨
Wear Prevention and Strengthening Technique for 6-30NO.20D Type Pulverized Coal Exhauster Impellor Surface and its Application
TAN Jin-jun
(Huadian Qingdao Power Generation co., Ltd,?Qingdao 266031,China )
Abstract：This paper first briefly introduced the wear mechanism and the characters in wear prevention technique of pulverized coal exhauster impellor in hot and cold conditions. Considered with the operation condition and the environment of pulverized coal exhauster , ceramics wear prevention technique was proposed to extend the life of pulverized coal exhauster impellor, The results show that ceramics wear prevention technique has good wear resistance, which can significantly reduce the wear of pulverized coal exhauster impellor. The method is simple and effective and worth further promoting in application.
Key words：pulverized coal exhauster impellor; wear mechanism; wear rate; ceramics wear prevention technique
1 引言
华电青岛发电有限公司（以下简称青岛公司）#1、#2锅炉采用单进单出钢球磨煤机中间仓储式制粉系统，每台机组配4台钢球磨煤机、4台排粉风机，煤粉经细粉分离器分离后进入粉仓，由热一次风送入炉膛燃烧，细粉分离器的排气（乏气）经排粉风机升压后作为三次风送入炉膛燃烧，其中三次风中含有10%~20%左右的超细煤粉。排粉风机是中间仓储式制粉系统中的主要配套设备，工作温度在90 ℃ 左右，因叶轮直径大、转速高， 在煤粉的冲刷下叶轮易出现磨损现象，常常破坏转子动平衡，造成风机剧烈振动，严重时可导致轴、轴承及电机的损坏，影响锅炉的安全运行。为了延长风机服役周期，降低发电成本，国内的燃煤电厂对排粉风机叶轮需实施防磨处理。本文从磨损机理出发，对叶轮常用的防磨技术进行了比较分析，从技术角度对采用陶瓷防磨的可行性进行了分析论证，并对排粉风机叶轮应用陶瓷防磨后的效果进行了验证。
2 磨损机理
离心风机叶轮磨损是个复杂的物理过程，它与流体流速、流动形式、颗粒粒度、形态、浓度及叶轮的结构设计和所用材料都有关系。林建忠等[1]采用数值模拟的方法得到离心风机叶轮叶片的冲蚀磨损规律，通过与实际磨损对照、分析后认为，叶片磨损主要由固粒对叶片的冲蚀磨损和固粒在叶片表面运动的擦伤式磨粒磨损组成。
2.1 冲蚀磨损
冲蚀磨损是指流体或固体粒子以松散的小颗粒按照一定速度和角度对材料表面进行冲击所造成的材料表面流失的现象。1958年Finnie[2]提出关于冲蚀磨损的微切削理论，1963年比特（J.G.A.Bitter）提出把冲蚀磨损分为变形磨损、切削磨损两部分，两者的区别主要在于材料在磨损前是否存在塑性变形。实际遇到的冲蚀磨损大部分都同时存在变形磨损和切削磨损。
2.2 磨粒磨损
磨粒磨损是指由外界硬质颗粒或硬表面的细微凸起在摩擦副对偶表面相对运动过程中引起表面擦伤与表面材料脱落的现象。
2.3 磨损过程分析
排粉风机为离心式，含粒介质在进入排粉风机后进行一个90°的转向，质量较大的粒子加速向叶片工作面与后盘的交界处、叶片工作面流动，也有少量粒子向叶片非工作面流动。粒子在气流夹带及自身惯性的综合作用下以非零冲击角碰撞壁面，引起壁面材料的磨损，属于典型的冲蚀磨损；到出口区域时粒子已与壁面发生多次碰撞，且在流道内运动了较长一段距离，粒子基本上沿着压力表面滑动或滚动，并对壁面产生一定的压力作用，使工作面出现压痕和微观犁削，造成叶片工作面擦伤式磨损，前者主要发生在叶片的进口，后者主要发生在叶片的出口。实际磨损过程以冲蚀磨损为主，低应力擦伤式磨损为辅，同时低应力擦伤式磨损又将加剧冲蚀磨损。经过长时间运行，排粉风机叶轮出口端部将磨成锯齿状，叶片工作面与后盖板相交处将形成条状沟纹，叶片入口形成带状凹坑、轮毂与后盘的铆接螺钉也会出现磨损现象。
2.4 粒子特性影响
粒子的硬度、大小、形状、浓度、入射角与叶轮磨损均有直接关系。一般来说，粒子硬度越高、粒径越大对所接触的流道壁面磨损越严重；相同条件下，尖角形粒子造成的冲蚀磨损远大于圆形粒子造成的磨损；粒子浓度越大，单位时间内固体颗粒装机叶轮叶片壁面的次数和频率越高，叶轮叶片磨蚀越严重；此外，粒子的入射角与磨损量的大小密切相关，对于塑性材料，主要表现为切削磨损，入射角在15~25°时磨损量最大，对于脆性材料，主要表现为疲劳剥落，入射角越大磨损量越大。
2.5 气流流速影响
叶轮的磨损量与气流速度的n次方成正比（n一般取2.0～3.0），速度越大，粒子的离心力和动能越大，对叶轮的冲击越大，磨损越严重。
2.6 叶轮材料影响
一般而言，材料的硬度越高，抗冲击能力越强，表现出的耐磨性越好。但材料的耐磨性不仅取决于材料的硬度，而且还与材料的化学成分、显微组织有关。
2.7 叶轮形状影响
风机叶片是叶轮中磨损最严重的零件，合理地选择叶片型线对提高耐磨性有很大的作用。前弯型叶片安装角为钝角，粒子与叶片的碰撞机会增大，以及速度不均匀较高是造成叶片快速磨损的原因。后弯型叶片只要安装角合理，气流在其流道中就比较通畅，旋涡也较少，粒子与叶片表面的正面冲击概率就会降低，陈汝刚等[3]研究表明后弯型叶片比前弯型叶片抗磨损能力要高。
青岛公司排粉风机型号为6-30NO.20D型，叶轮直径2020mm，转速1480r/min，风量115500m3/h，风压14k Pa，12个叶片，叶型为后弯型直叶片，其材质为16Mn 钢，厚度12mm。因煤粉的冲刷磨损，叶轮的使用寿命平均只有6个月，成为机组安全运行的严重隐患之一。
3 叶轮常用防磨技术比较
多年来，国内外为延长风机叶轮的使用寿命进行了大量研究，归纳起来主要有以下几种：
a) 表面涂覆，在叶片表面磨损部位涂覆或粘接高分子耐磨材料；
b) 热喷涂(焊)，采用等离子喷涂方法或氧乙炔火焰, 在叶片磨损表面喷涂陶瓷或碳化钨或者喷焊镍基+碳化钨合金；
c) 表面化学热处理，对叶片表面进行渗碳或多元共渗；
d) 表面堆焊，采用耐磨电焊条、耐磨粉块在风机叶片磨损部位堆焊耐磨合金；
e) 表面粘贴或焊接陶瓷，将耐磨工程陶瓷利用高强度耐高温胶粘剂或特殊焊接工艺复合在风机叶片表面上。
按防磨工艺可划分为热态和冷态两种防磨技术。其中热态防磨技术主要采用耐磨焊条电弧堆焊、合金粉块碳弧堆焊、合金粉末火焰喷焊、多元共渗等，冷态防磨技术主要采用耐磨涂料粘涂、粉末亚音速火焰喷涂、丝材高速电弧喷涂、镶嵌耐磨陶瓷等。电厂风机叶轮常用防磨技术的分类和特点如表1（a）、表1（b）所示。
表1（a）叶轮常用防磨技术的分类和特点
以上各种工艺中表面喷涂(如镍基碳化钨等)、喷焊（如Fe-05）、堆焊（如Fe-05）和表面复合陶瓷工艺使用较多，但表面喷涂存在所用材料硬度不高和耐磨能力不强的问题，喷焊工艺易引起风机叶轮变形、局部应力集中，影响叶轮的机械性能和强度，堆焊虽然热影响及变形小于喷焊工艺，但因其防磨层面积有限，因而其使用受很大限制；相对来讲，表面粘贴或焊接陶瓷工艺因不必输入热量，陶瓷的耐磨性均比其它材料优异，所以得到广泛的使用。
表1（b）叶轮常用防磨技术的分类和特点
4 风机叶轮粘贴陶瓷片的可行性分析
4.1 陶瓷防磨的可行性
一般认为当冲击角较小时（通常认为小于25°），磨损形式以切削机理为主，此时增加硬度是提高材料耐磨性的有效方法，当冲击角较大时，主要靠材料的变形来吸收粒子的冲击功，此时变形能力对材料的耐磨性起决定性作用。橡胶、陶瓷、金属材料的磨损率与冲击角的关系如图表1所示。
图 1 冲击角与不同材料磨损率的关系
由图1可知，在冲击角较小时，陶瓷和金属、橡胶相比，其磨损程度最小。
叶雯等[4]研究表明当粒子硬度Ha与叶片材料硬度Hm的比值Ha/Hm≤0.64时表现为软磨料磨损，在此区域内材料几乎不发生磨损，所以叶轮的磨损率较低；当Ha/Hm＞0.64时表现为硬磨料磨损，叶轮的磨损率较大，对于特定的磨粒，可通过提高材料的硬度增强材料的耐磨性。
青岛公司设计煤种为山西晋中贫煤，哈氏可磨系数HGI为64，依据GB/T 7562 煤的可磨性分级标准属于中等可磨。煤种工业分析表明，灰分占比约为29.91%，煤中含有大量硬质矿物质，如二氧化硅、氧化铝、方解石、磁铁矿等。
表 2(b) 煤中硬质物质主要成分硬度和陶瓷、碳钢、高铬铸铁材料硬度比较
由上表可知陶瓷硬度较高，通过表面粘贴陶瓷提高叶轮工作面硬度可增强叶轮的耐磨损能力。
4.2 耐磨陶瓷的选用 ? ?
作为耐磨材料使用的陶瓷主要有氧化铝、碳化硅、氮化硅及氧化锆等。用于风机叶轮中的耐磨工程陶瓷要求具有高硬度、高强度和优良的耐磨等特点，同时，根据风机的磨损特征、叶轮所要求的耐磨寿命、价格等多种因素综合考虑，选择冷压烧结氧化铝陶瓷作为排粉风机叶轮防磨用的陶瓷材料。主要技术指标如表3所示。
表 3 氧化铝工程陶瓷主要技术指标
经实测，采用冷压烧结的氧化铝陶瓷块硬度为HRA88，比重3.5，耐磨性是高铬铸铁的3倍左右，普通碳钢的10倍左右。
4.3 技术关键
陶瓷作为高硬度低韧性材料，一般很难作为结构承载使用。如果将陶瓷材料与金属材料粘接复合使用，便可达到金属承载陶瓷材料抗磨的良好统一。技术的关键在于能否解决以下两个问题，以达到在运行过程中耐磨陶瓷不脱落。
4.3.1解决陶瓷材料与钢材料膨胀差异的问题
排粉风机叶轮材质为16Mn，其线性膨胀系数为11.8×10-6 ℃-1，氧化铝陶瓷的线性膨胀系数为6.5×10-6 ℃-1，两种材料的膨胀系数差距比较明显。《电站锅炉风机选型与使用导则》指出排粉风机允许最高进口气体温度为150℃，可通过减小耐磨陶瓷片的尺寸来减小陶瓷与金属因温度变化造成的位移量。对于10mm×10mm×1.5mm的陶瓷元件，按150℃的温差计算，陶瓷与金属的位移量仅为7.95×10-3mm，如此小的位移量可以通过增加复合胶层的韧性来吸收。
4.3.2金属与陶瓷粘接的复合强度要足以保证耐磨陶瓷在运行中不脱落的问题
一般来说，排粉风机的运行温度在90℃左右，但排粉风机叶轮的转速较高，而且是在带硬质颗粒的高速冲刷气流作用下工作。因此要求胶粘剂必须具备一定的耐高温性能，同时具有一定的抗剪强度和抗老化性能。为确保粘接强度最好采用专用耐磨陶瓷胶粘剂粘贴，粘接剂的主要性能指标如下：
a) 长期使用最高温度180℃
b) 抗剪切强度≥26.6Mpa
c) 抗拉强度≥35.4Mpa
在排粉风机高速旋转过程中，耐磨陶瓷元件主要受离心力F1、粘接力F2、粒子撞击力、增压效应造成的压力等。显然当陶瓷与金属之间的复合强度F2大于其他各力的合力时，叶片上的陶瓷元件才不会发生脱落。为了简化计算过程，只考虑离心力F1、粘接力F2，只有当始终保持F2〉F1成立并留有一定安全裕度时，陶瓷元件才不会脱落。叶轮轮缘R处的离心力最大，此处离心力F1（单位：N）大小为：
式中：
ρ——耐磨陶瓷的密度，kg/m3
S——耐磨陶瓷的平面面积， m2
δ——耐磨陶瓷的厚度， m
n——风机转速，r/min
粘结力 F2为：F2=Sσ
式中：σ——抗剪切强度，N/m2
考虑到高温作用和老化等因素，取保守数据的σ的40%计算
取粘接力与离心力的比值为安全系数Nb，即Nb=F2/F1,当δ=3.0mm时，Nb≈60，当δ=1.0mm时，Nb≈180。
由计算可知排粉风机叶片末端最大离心力处的最小安全系数为60和180。只要在施工过程中严格执行粘接工艺规程，按照技术要求认真操作，且耐磨叶轮能保证在正常的工况条件下工作，就不会发生陶瓷元件脱落的可能。
4.4 防磨陶瓷工艺改进
为增强陶瓷元件与金属的复合能力，经过调查、研究，采用机械式连接+粘接剂粘贴的工艺来制作耐磨叶轮。制作工艺为：叶轮→表面清理→涂粘接剂→安装陶瓷片→叶轮动平衡→整体检查。
叶轮表面清洁度对陶瓷与金属的复合能力影响十分重要，涂粘接剂前应用喷砂等方式处理金属表面，直至表面呈现金属光泽，并用专用清洗剂清洗表面达到彻底清除油污。
依据叶轮磨损机理对易磨损部位，视不同部位磨损量的不同采用U型陶瓷块+U型卡件机械固定、局部增厚处理等方式确保防磨效果。具体实施方案如下：除叶片进口采用U型陶瓷块外，叶轮后盘、叶片工作面、叶片非工作面靠近后盘部位均采用陶瓷元件粘接、其中对焊缝区域陶瓷进行加厚处理、进口与后盘交角处U型卡件机械固定，以达到增强耐磨损能力和机械强度的目的，而后弯型直叶片结构也使得陶瓷与金属的贴合更加紧密。
5 陶瓷耐磨叶轮技术应用与效果验证
青岛公司于2013年利用机组检修机会，对磨损严重的2B、2C排粉风机叶轮首先进行了陶瓷贴片防磨处理，经过一年半多时间的运行，经检查未发现有明显磨损现象，实测磨损只有0.1～0.2mm。除入口的U型夹棱角有所磨损外，叶轮上的陶瓷片基本完好无损。按实际运行时间计算，每年最多磨损0.1mm。磨损量为粘瓷片厚的1/15。
分析不同部位的陶瓷片磨损情况发现，在沿气流流动方向的平面上瓷片磨损平均不到0.1mm，越靠近叶轮外圆，磨损越严重，平均磨损0.2mm,明显比轮毂两侧磨损严重。这是由于越靠近叶轮的外圆周，气流流速愈大，因而磨损就愈严重。
与沿气流方向相比，在沿气流垂直方向上（入口处）的瓷片磨损最为严重，最多可达0.2～0.4mm。实际上这正符合了陶瓷冲刷机理，即气流入射角愈大，磨损愈严重。排粉风机叶轮由于采用了精度更高的陶瓷片和专用耐磨陶瓷胶粘剂，陶瓷片之间的间隙更小，而且复合层厚度更薄，基本消除了因陶瓷底层复合层冲蚀磨损导致陶瓷元件脱落的现象。
6 结论
实践表明排粉风机叶轮表面粘贴陶瓷防磨是一项可靠、有效的耐磨防磨措施。随着陶瓷加工精度的提高、专用耐磨陶瓷胶粘剂韧性不断增强，严格粘接复合工艺过程质量控制，陶瓷片脱落的情况已鲜有发生。如果能从气固两相流动力学特性入手，对流体机械本身进行抗磨损等优化设计，运行人员再根据运行工况精细操作对流动参数进行控制与优化配置，相信将取得更加明显的效果。
参考文献 (References)
[1] 林建忠,梁新南. 气固两相流离心叶轮机械磨损特性研究[J]. 流体机械，1994，（1）：12-16
[2] Finnie. The mechanism of erosion of ductile metals[M]. London: Pergamon Press, 1958.
[3] 陈汝刚等.含尘离心风机不同叶型磨损特性的可视化实验研究[J]. 流体机械，2000,28（4）：210
[4] 叶雯等.含尘风机中颗粒运动规律和叶片磨损的研究 [J]. 化工机械，1988,15（4）：210
作者简介：
谈金军（1983-），男，山东德州市，工程师，硕士研究生，从事锅炉检修工作。