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、總經理胡為峰

　　工業鍋爐是我國耗能大戶，每年燃用全國燃煤產量的1/3。目前，鍋爐運行效率不高，能源浪費相當嚴重。同時，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。

　　節約能源已經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狀來看，節能比新建鍋爐房、增加供熱機組、發展水電、火電、核電都要經濟。因此，國家把“資源能源：節約和環境保護”定為基本國策，加大治理的力度，通過采取煤炭綜合利用、粉煤技術等各種新技術措施提高煤的利用效率，采取除硫、除塵設備等進行環保治理。但各類工業鍋爐、燃燒爐均存在冷凝壁嚴重磨損和腐蝕的狀況，而目前還沒有有效的辦法來進行防護，少量的鍋爐采用噴涂鎳基涂層或其他金屬涂層的進行解決，雖有一定效果，但成本高昂。

　　陶瓷被公認為是一種穩定的抗氧化、抗腐蝕、抗磨損的材料。但對于各種工業鍋爐難以做到金屬冷凝壁的表面，往往燒結溫度很高，不具備現場燒結可行性，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，結合力低，熱膨脹系數不匹配，因此需要開發新型的耐高溫腐蝕陶瓷涂層材料。

　　目前國內外使用的高溫耐磨蝕涂層雖各有優勢，但往往顧此失彼，不能同時滿足耐高溫磨損、腐蝕、氧化和良好的導熱性、低廉的成本等各項要求。國外的高溫耐磨蝕涂層的性能雖好，但噴涂成本太高，不適合在國內推廣使用；國內自行研制的涂層適應了我國國情，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具備優良使用性能的涂層材料和工藝。

涂層研發內容

　　新型耐高溫磨蝕陶瓷涂層是利用陶瓷材料優異的高溫綜合性能對金屬表面進行高溫防腐蝕耐磨保護，屬于高溫腐蝕屏蔽和高溫磨粒磨損犧牲復合型金屬高溫防護涂層。鍋爐用20^#鍋爐鋼在高溫條件下其強度急劇下降，如400℃時強度僅為常溫時的50%.工業高溫煙氣中含有硫氧化物、氯離子等腐蝕介質和對鍋爐產生嚴重高溫磨損的礦物顆粒物，對鍋爐產生嚴重的腐蝕，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，能保護水冷壁在一定時間內（約為一年）免于高溫腐蝕，并定期對陶瓷涂層的磨損減薄進行補涂，使金屬始終處于陶瓷涂層的保護之中。

　　為了滿足在火力發電鍋爐、煤炭焦化余熱鍋爐、生物質能燃料鍋爐、垃圾焚燒鍋爐、鋼鐵行業熱能源循環利用、節能減排設備、其他有色金屬冶煉余熱鍋爐等應用要求，項目重點研究內容如下。

　?。?）型耐高溫磨損腐蝕陶瓷涂層材料體系的確立。Al₂0₃、Si0₂、Cr₂0₃是公認的氧擴散阻擋材料，均具有很低的氧擴散系數，本項目開發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合陶瓷涂層彌散強化相，以涂層抗高溫腐蝕性能為制備確定復合陶瓷涂層材料體系及其配比。

　?。?）陶瓷涂層的粒徑可以實現不同粒徑間空隙的填補，對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中僅次于材料選取的一項因素。在復合陶瓷涂層材料體系下，以陶瓷粒徑5~30μm范圍內設計涂層材料的粒徑級配，以涂層力學性能為指標，通過正交試驗法確立涂層材料的最佳粒徑配比。

　　（3）設計具有微孔熱應力釋放結構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差異巨大，在高溫條件下，陶瓷涂層中將產生導致涂層開裂、剝落的熱應力，因此涂層熱應力釋放決定涂層對金屬的保護能力。氧化物陶瓷由于其熔點極高，無法在隨爐熱工況條件下完全燒結，氧化物陶瓷顆粒之間在溶膠一凝膠的媒介條件下產生燒結縮頸，縮頸處為熱應力釋放區。通過研究陶瓷微孔釋放應力的機理和控制微孔尺寸數量分布和應力釋放效果的關系（圖1），研究調控燒結工藝參數控制微孔尺寸獲得優化致密涂層的技術。

圖1陶瓷涂層微孔

　?。?）開展耐高溫磨損腐蝕陶瓷涂層耐生物質燃料腐蝕的機理研究。重點模擬生物質燃料產生的堿金屬腐蝕和氯離子腐蝕機理，優化陶瓷涂層體系和制備工藝。

　?、偎崧饵c腐蝕區（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管孔徑。G20鋼裸管與耐高溫磨蝕涂層50%硫酸腐蝕480h對比如圖2所示，陶瓷涂層置于50%硫酸中480h后陶瓷涂層宏觀監測無剝落破損現象產生。

　?、?00℃以上高溫腐蝕區。

　　圖2 G20鋼裸管與耐高溫磨蝕涂層50%硫酸腐蝕480h對比

　　200℃以上區域，硫氧化物不能形成硫酸露點，該區域為高溫腐蝕（沖蝕）。其高溫腐蝕機理為金屬表面被腐蝕產生可以緩解腐蝕的復試產物，被高溫煙氣流中攜帶的硬質礦物顆粒沖刷掉，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。高溫腐蝕失重減速率遠大于單一方式的高溫磨損和高溫腐蝕速率的加成。在此區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入金屬界面，但其腐蝕性過程是體積增加的，即其腐蝕產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℃的溫度區間，涂層承受高溫氣流中的磨粒磨損的性能至關重要。

　?。?）實現新型耐高溫磨損腐蝕陶瓷涂層的工程應用。開展陶瓷涂層在電力鍋爐及冷凝設備，以及生物質燃料鍋爐上的工程應用。涂層在汽車排氣歧管道上的應用如圖3所示。

　　圖3耐高溫磨蝕涂層在汽車排氣歧管道上的應用

實施方案

　　從2011年第四季度到2012年第四季度，項目組陸續完成了具體實施工作。

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