摘要：本文分析了循環(huán)流化床鍋爐用特殊熱電偶保護(hù)套管的磨損機(jī)理，并從選材和新材料新工藝的應(yīng)用兩個(gè)方面闡述了如何有效的提高熱電偶保護(hù)套管的性能。文中還介紹了特種耐磨熱電偶保護(hù)套管的發(fā)展動(dòng)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(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，我國在環(huán)保方面的要求也進(jìn)一步嚴(yán)格，循環(huán)流化床燃燒技術(shù)作為一項(xiàng)新型燃燒技術(shù)，在節(jié)約能源、調(diào)節(jié)負(fù)荷、控制污染及燃料適應(yīng)性等方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)，在電力工業(yè)、垃圾焚燒、水泥工業(yè)等許多領(lǐng)域中得到日益廣泛的應(yīng)用。目前全國已有20多個(gè)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(jì)有近3000多臺(tái)工業(yè)流化床鍋爐在運(yùn)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(yùn)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(yīng)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(cè)溫問題目前是一個(gè)暴露比較突出的需要亟待解決的問題。由于高溫沖蝕嚴(yán)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(hù)套管來解決該問題，經(jīng)過研究發(fā)展，其在制備技術(shù)上有了較大的進(jìn)步，性能價(jià)格比也在不斷的提高。本文就該問題進(jìn)行討論，試圖引起大家的注意。共同為提高我國熱電偶技術(shù)的測(cè)量水平作出貢獻(xiàn)。 2 循環(huán)流化床鍋爐燃燒及磨損機(jī)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(nèi)床料在煙氣攜帶下沿爐膛上升，經(jīng)爐膛上部出口進(jìn)入分離器，在分離器中進(jìn)行氣、固兩相分離，分離后的煙氣經(jīng)上部出口，進(jìn)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(yùn)行中，含有燃料、燃料灰、石灰石及其反應(yīng)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(dòng)中，并在爐內(nèi)以 850℃～950℃進(jìn)行高效率燃燒及脫硫反應(yīng)。床料除在這一回路中作外循環(huán)流動(dòng)外，其在重力作用下，在爐內(nèi)不斷地進(jìn)行內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。因此，在循環(huán)回路的相應(yīng)部位必然產(chǎn)生嚴(yán)重磨損。[2、3] 以上分析表明，熱電偶保護(hù)套管在爐內(nèi)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(yīng)當(dāng)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(fù)變形引起的疲勞磨損；另一類則是材料在自由運(yùn)動(dòng)的顆粒的切削作用下引起的破壞，稱之為鑿削式磨損。爐內(nèi)的高溫可改變材料的組織結(jié)構(gòu)，使其硬度大大下降，從而加重了磨損。同時(shí)，材料的高溫氧化也降低了其韌性，沖擊時(shí)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(guān)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(dāng)沖擊角度為 20°～50°時(shí)磨損最嚴(yán)重。因此保護(hù)管的插入方向與流速方向夾角應(yīng)避開這個(gè)角度范圍。[ 4 ] 仔細(xì)觀察分析熱電偶保護(hù)套管的失效部位，大致有兩個(gè)部位比較容易失效，一是熱電偶保護(hù)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(yán)重。另一部位則是熱電偶保護(hù)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(hù)套管的主要失效原因，這是在保護(hù)套管的選材和制備中首先應(yīng)當(dāng)注意的問題。 3 熱電偶保護(hù)套管的選材及其發(fā)展 熱電偶采用保護(hù)套管主要有兩種用途，一是防止遭受機(jī)械損壞，二是在熱電偶及其周圍之間插入一個(gè)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(hù)套管對(duì)于延長熱電極的使用壽命以及提高測(cè)溫的準(zhǔn)確度是相當(dāng)重要的。[5] 3.1選材的原則及常用材料的優(yōu)缺點(diǎn) 根據(jù)熱電偶保護(hù)套管在循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)所處的環(huán)境，在其選材上應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）材料的氣密性好（即氣孔率小）；（2）應(yīng)有足夠的強(qiáng)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(xué)腐蝕性能好，因?yàn)槿济航橘|(zhì)中含有ＳＯ2、 ＳＯ3 、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ等腐蝕性氣體；（5）導(dǎo)熱性好。 目前已在工業(yè)上應(yīng)用的熱電偶保護(hù)套管材料按其材質(zhì)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(fù)合材料三大類。 1、 金屬保護(hù)管材料 應(yīng)用較多的有不銹鋼和高溫合金，這類材料的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度高，耐腐蝕性能與導(dǎo)熱性能好，但其高溫?zé)釓?qiáng)性差，故高溫耐磨性較差。不銹鋼保護(hù)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(gè)月。近年來國內(nèi)外一直沒有理想的解決辦法，在困擾中只好采取加厚保護(hù)管管壁的方法，有的熱電偶保護(hù)套管的壁厚已達(dá)到了10余毫米。因此，在循環(huán)流化床鍋爐中應(yīng)用效果不是很理想，性能價(jià)格比差。 2、 非金屬保護(hù)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(diǎn)是高溫耐磨性好，耐腐蝕性能良好，但缺點(diǎn)也是很明顯的，首先是導(dǎo)熱率差，熱響應(yīng)敏感性差，因此管壁不能做的很厚，而管壁的減薄又給應(yīng)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(dǎo)致脆裂，特別是在循環(huán)流化床鍋爐中使用由于強(qiáng)烈的沖蝕作用而易早期失效。 3、 復(fù)合材料保護(hù)套管 近年來發(fā)展較快的有金屬陶瓷復(fù)合材料和特殊復(fù)合涂層材料保護(hù)套管。金屬陶瓷復(fù)合材料是由金屬基體、陶瓷成分和潤滑劑等組成的多元復(fù)合材料。這類材料制造的熱電偶保護(hù)套管具有導(dǎo)熱性好、抗熱震性強(qiáng)耐熱、耐磨等優(yōu)點(diǎn)。特殊復(fù)合涂層材料保護(hù)套管目前大多是將硬度高耐磨的復(fù)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(fù)合材料保護(hù)套管，其優(yōu)點(diǎn)是綜合了兩種不同材料的特點(diǎn)，具有一定的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)性，缺點(diǎn)則是由于兩種材料特殊的復(fù)合機(jī)制而使得制造過程太復(fù)雜。[6 7 8] 3.2耐磨材料的發(fā)展及其在熱電偶保護(hù)套管中的應(yīng)用 經(jīng)過30余年的研究與應(yīng)用，國外耐磨材料的研究與應(yīng)用已趨于穩(wěn)定，發(fā)達(dá)國家已有自己的系列產(chǎn)品和國家標(biāo)準(zhǔn)。 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(dǎo)熱性能相對(duì)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(hù)套管在循環(huán)硫化床中應(yīng)用效果不是很好。目前，國內(nèi)外在陶瓷材料領(lǐng)域的應(yīng)用研究趨勢(shì)大多為發(fā)展金屬與陶瓷的復(fù)合材料，既金屬陶瓷材料，或采用表面涂層技術(shù)，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(gè)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(diǎn)，但從成本、抗磨性方面遠(yuǎn)不如白口鑄鐵，因此，后者應(yīng)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(diào)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(shí)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(yīng)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(duì)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(shí)要求碳含量很低，其結(jié)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(duì)材料綜合考慮，才可能正確設(shè)計(jì)和選擇所使用的材料。高鉻鑄鐵凝固時(shí)形成(Cr, Fe)7C3 型碳化物，這種碳化物的硬度高(1500～1800HV)，遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)相當(dāng)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(jìn)入碳化物，另一部分進(jìn)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(diǎn)中可以看出，將其用作耐磨用熱電偶保護(hù)套管材料是完全可行的，如何調(diào)整成分使其達(dá)到最佳的耐磨抗蝕效果還需要進(jìn)一步的研究和實(shí)驗(yàn)。 3.3新材料涂層技術(shù)在熱電偶保護(hù)套管上的應(yīng)用 新材料涂層技術(shù)在熱電偶保護(hù)套管上有著極其廣泛的應(yīng)用前景。其特點(diǎn)是可以將兩種不同的材料進(jìn)行組合，充分發(fā)揮基體和涂層的特性，有效的滿足實(shí)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(yīng)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(shù)中，大多