摘要
簡(jiǎn)要分析了引風(fēng)機(jī)和排粉風(fēng)機(jī)的磨損機(jī)理。介紹了耐磨工程陶瓷的特性，及其采用機(jī)械卡接、粘接工藝和在防磨風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用
關(guān)鍵詞：
引風(fēng)機(jī) 排粉風(fēng)機(jī) 磨損 耐磨工程陶瓷
Application of Anti-abrasion Ceramics in Induced Draft Fan and Powder Exhaust Fan
Abstract: Mechanism of the abrasion on induced draft fan and powder exhaust fan is introduced briefly. The characteristics of anti-friction ceramics and the technology using mechanical joint and clinging on anti-abrasion fans are introduced
Key words: Induced draft fan Powder exhaust fan Abrasion Anti-abrasion ceramics Engineering
1引言
引風(fēng)機(jī)和排粉風(fēng)機(jī)由于磨損而嚴(yán)重影響其強(qiáng)度，因而要頻繁地更新維修，不但影響了其機(jī)械性能，而且縮短了使用壽命，有時(shí)甚至引發(fā)重大事故，這已成為火力發(fā)電廠安全運(yùn)行的主要隱患之一。
多年來(lái)，用過(guò)許多表面強(qiáng)化方法，包括表面堆焊耐磨材料、熱噴涂、噴焊、表面涂覆各種高分子涂料、表面淬火或化學(xué)熱處理等。以上各種工藝中，使用較多的是表面噴涂（如鎳基碳化鎢等）、噴焊（如Fe-05等）和堆焊（如 Fe-05 、3A 焊條等）等工藝。但表面噴涂所使用的材料硬度不是太高，耐磨能力也不太強(qiáng)，對(duì)于引風(fēng)機(jī)和排粉風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，防磨能力很難令人滿意。噴焊工藝是在葉輪葉片上加焊防磨襯板，然后在其上噴焊耐磨材料（如 Fe-05 等），這樣做易使風(fēng)機(jī)葉輪產(chǎn)生較大的變形，且局部的高溫也易產(chǎn)生應(yīng)力集中，這勢(shì)必影響葉輪的機(jī)械性能和強(qiáng)度，縮短葉輪的使用壽命。堆焊工藝（如Fe-05 、3A 焊條等），雖然熱影響及變形小于噴焊工藝，但因其防磨層面積有限，其耐磨效果也不太好。
與以上的這幾種防磨方式相比較而言，表面機(jī)械式固定加粘接陶瓷塊的新工藝由于不必輸入熱量，而且陶瓷塊的耐磨性能也比其它材料優(yōu)異，所以得到了廣泛的應(yīng)用。
引風(fēng)機(jī)和排粉風(fēng)機(jī)的工況特點(diǎn)
由于引、排粉風(fēng)機(jī)工作的介質(zhì)中含有大量的固體粒子（煤粉、粉塵等），而且很多是硬度較高的硬質(zhì)顆粒，它們以極高的速度運(yùn)動(dòng)，在風(fēng)機(jī)葉輪葉片進(jìn) (氣) 風(fēng)口、工作面、中（后）盤(pán)端面、葉片工作面與中（后）盤(pán)之間的焊縫等表面碰撞和摩擦，致使風(fēng)機(jī)快速磨損。由于很多電廠除塵效果不好，介質(zhì)中含塵量較大，葉輪在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下磨損加劇，而磨損破壞了風(fēng)機(jī)葉輪的運(yùn)轉(zhuǎn)平衡，降低了葉輪的強(qiáng)度，造成風(fēng)機(jī)劇烈振動(dòng)，甚至發(fā)生嚴(yán)重的飛車(chē)事故。
風(fēng)機(jī)的磨損部位及磨損機(jī)理
3.1風(fēng)機(jī)的磨損部位
如圖 1 所示，風(fēng)機(jī)葉輪磨損的部位是靠近中（后）盤(pán)區(qū)域的葉片進(jìn)氣端、工作面、出口端、主焊縫及中（后）盤(pán)端面，其中進(jìn)氣端磨損最為嚴(yán)重。當(dāng)介質(zhì)氣體進(jìn)入葉輪時(shí)，運(yùn)動(dòng)方向由軸向轉(zhuǎn)為徑向，且受其自身慣性的影響，較多的大直徑顆粒移動(dòng)到中（后）盤(pán)，與中（后）盤(pán)端面發(fā)生碰撞，使之產(chǎn)生磨損。大部分小直徑顆粒由于自身慣性力較小，氣流粘性作用的影響相對(duì)較大，使顆粒與氣流的跟隨性增強(qiáng)，因此顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡與氣流子午流線十分相似，使之沿與葉片進(jìn)口氣流角十分接近的角度
進(jìn)入葉輪。由于葉片進(jìn)口氣流角并不等于葉片進(jìn)口幾何角，因而存在著氣流沖角，所以仍有少量小直徑顆粒會(huì)同葉片進(jìn)氣端產(chǎn)生碰撞，從而造成葉片進(jìn)氣端的磨損。對(duì)于大直徑顆粒，因自身的慣性較大，與氣流的跟隨性較差，故以不同于葉片進(jìn)口氣流角的方向沖向葉輪，使得較多的大直徑顆粒與葉片進(jìn)氣端、工作面等發(fā)生碰撞，從而造成葉片進(jìn)氣端、工作面的磨損。由于葉輪葉片對(duì)氣體介質(zhì)不間斷地做功，使氣體介質(zhì)不斷沖刷葉片工作面及出口端，造成葉片工作面及出口端的劇烈磨損。
風(fēng)機(jī)葉輪的磨損過(guò)程可分為3個(gè)階段，第一階段：飽和磨損階段。風(fēng)機(jī)葉輪由鋼板焊接而成，流道表面存在一定的粗糙度。當(dāng)風(fēng)機(jī)最初運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在顆粒的碰撞磨損下將表面磨得比較光滑，因而磨損速度也由開(kāi)始的較快而變得穩(wěn)定；第二階段：穩(wěn)定磨損階段。由于第一階段磨損后葉輪流道表面已被磨得比較光滑，所以在第二階段，磨損比較穩(wěn)定，持續(xù)的時(shí)間也比較長(zhǎng)，因而是通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的最佳階段；第三階段：急劇磨損階段。雖然第二階段的磨損比較穩(wěn)定，但由于風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，致使葉輪磨損達(dá)到一定程度后，流道的尺寸和角度將與氣動(dòng)設(shè)計(jì)工況下的尺寸和角度產(chǎn)生較大差別，造成氣體介質(zhì)沖擊、脫流漩渦等的強(qiáng)度增大，磨損速度也急劇加快，這就影響了風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。
風(fēng)機(jī)的磨損機(jī)理
磨料磨損
與葉輪碰撞后沿葉片工作面滑動(dòng)或滾動(dòng)的大直徑顆粒對(duì)工作面產(chǎn)生了一定的壓應(yīng)力，使?jié)L動(dòng)的顆粒壓出印痕，滑動(dòng)的顆粒形成微觀犁削。犁削后堆積在兩旁和前緣的材料，在受到隨后顆粒的反復(fù)作用下，導(dǎo)致材料產(chǎn)生加工硬化或其它強(qiáng)化作用，因而造成葉片工作面的低應(yīng)力擦傷型磨料磨損。
腐蝕磨損
風(fēng)機(jī)使用過(guò)程中，由于介質(zhì)中含有少量爐氣、水份等，且引風(fēng)機(jī)工作溫度通?？蛇_(dá)250℃ 、排粉風(fēng)機(jī)工作溫度可達(dá)150℃ ，受溫度的影響，很容易在內(nèi)金屬表面形成水汽露點(diǎn)，為腐蝕提供了條件。由于發(fā)生化學(xué)作用而產(chǎn)生一層松脆腐蝕物，當(dāng)腐蝕物被磨掉，露出新鮮表面又很快腐蝕磨掉，腐蝕加速磨損，磨損加速腐蝕。
3.2.2沖蝕磨損
風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，流經(jīng)葉輪的介質(zhì)處于紊流狀態(tài)，介質(zhì)中顆粒的形狀處于隨機(jī)取向。其中以小角度沖擊葉輪表面的顆粒，在以尖角與表面接觸時(shí)，接觸點(diǎn)很小的面積上將集中很高的沖擊壓力。沖擊壓力的垂直分量使顆粒壓入材料表面，沖擊壓力的水平分量使顆粒沿大致平行于材料表面的方向移動(dòng)，使材料表面接觸點(diǎn)產(chǎn)生橫向塑性變形，從而切出一定量的微體積材料，造成了葉輪流道表面的微切削磨損。其中以大角度沖擊葉輪表面的顆粒，在沖擊壓力垂直分量作用下，使顆粒壓入材料表面而形成彈塑性變形。到顆粒停止壓入運(yùn)動(dòng)為止，最終形成了不能恢復(fù)的塑性變形沖擊凹坑，在凹坑邊緣還有塑性變形擠出的堆積物。由于沖擊坑邊緣堆積物重新受到擠壓變形和位移而從材料表面剝落。從而引起了一定量的微體積材料損失，并造成葉輪流道表面的變形磨損。實(shí)際上，顆粒對(duì)葉輪流道表面的磨損常與微切削磨損及變形磨損同時(shí)存在。磨損量為兩種磨損復(fù)合作用的結(jié)果。小沖角時(shí)以微切削磨損為主，變形磨損為輔；大沖角時(shí)以變形磨損為主，微切削磨損為輔；30°~40° 沖角時(shí)復(fù)合磨損量達(dá)最大值。值得注意的是：當(dāng)顆粒的水平?jīng)_擊壓力（取決于顆粒的硬度、形狀、沖角、沖擊速度、葉輪材料的表面硬度等）較小時(shí)，顆粒不能壓入材料表面而直接產(chǎn)生塑性變形或塑性流動(dòng)。但大量的顆粒反復(fù)沖擊，也將造成材料的疲勞剝落，即疲勞磨損。
綜上所述，引風(fēng)機(jī)和排粉風(fēng)機(jī)葉輪磨損的原因是很復(fù)雜的，可看作是介質(zhì)顆粒的沖蝕磨損、低應(yīng)力擦傷型磨損和腐蝕磨損聯(lián)合作用的結(jié)果。三種磨損形式中以沖蝕磨損為主，低應(yīng)力擦傷型磨損和腐蝕磨損為輔；同時(shí)低應(yīng)力擦傷型磨損和腐蝕磨損將加劇沖蝕磨損。
耐磨工程陶瓷的選擇
工程陶瓷材料具有密度小、熔點(diǎn)高、硬度大、化學(xué)穩(wěn)定性好和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，并且在一定程度上克服了傳統(tǒng)陶瓷的脆性，提高了材料使用的可靠性，可用它制成各種耐磨件，并在摩擦學(xué)領(lǐng)域中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。自2003年開(kāi)發(fā)出陶瓷耐磨風(fēng)機(jī)以來(lái)，它的耐磨性較其它耐磨風(fēng)機(jī)有了大幅度的提高，并具其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，有廣闊的發(fā)展前景。
常用的工程陶瓷主要有兩類(lèi)：一類(lèi)是金屬與碳、硅、氧、氮等非金屬的化合物；另一類(lèi)是非金屬之間的化合物，包括硼或硅的碳化物、氮化物等。用于陶瓷風(fēng)機(jī)中的工程陶瓷，要求具有高硬度、高強(qiáng)度并還應(yīng)有優(yōu)良的耐磨蝕性能。同時(shí)，根據(jù)風(fēng)機(jī)的磨損特征、葉輪所要求的耐磨壽命、工程陶瓷的價(jià)格等多種因素綜合考慮，選擇了氧化鋁 Al2O3 工程陶瓷作為引風(fēng)機(jī)和排粉風(fēng)機(jī)防磨用的陶瓷材料。其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表 1 。
耐磨工程陶瓷在風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用
根據(jù)相關(guān)資料介紹，目前陶瓷與葉輪的連接大概有3種型式。
;粘接型
主要采用有機(jī)或無(wú)機(jī)粘接劑將耐磨工程陶瓷塊粘接在葉輪的葉片及中（后）盤(pán)等極易磨損的部位。
由于粘接劑在高溫下粘接強(qiáng)度急劇下降，且葉輪轉(zhuǎn)速較高，線速度較大（通常大于 120 m/s ），故此類(lèi)型陶瓷防磨葉輪僅能應(yīng)用于低溫工作環(huán)境，并且其工作穩(wěn)定性較差，安全性也不太可靠。據(jù)電廠反饋的信息來(lái)看，此類(lèi)葉輪若應(yīng)用于引風(fēng)機(jī)和排粉風(fēng)機(jī)，則陶瓷塊易脫落，陶瓷塊脫落后影響葉輪平衡，造成風(fēng)機(jī)振動(dòng)值增大，最終導(dǎo)致風(fēng)機(jī)不能正常運(yùn)行。
釬焊型
這是在葉輪的表面上，釬焊工程陶瓷后制成的高溫陶瓷耐磨風(fēng)機(jī)。它的制作工藝比較復(fù)雜，首先要在陶瓷接合面上，印刷噴鍍金屬膠并在干燥后作燒結(jié)處理，然后將一塊銅板置于做過(guò)表面處理后的金屬襯板與陶瓷之間，銅板的兩面均敷有銀焊料，最后將它們焊接成一體。
這種風(fēng)機(jī)的陶瓷片與金屬基體的結(jié)合強(qiáng)度非常高，耐熱性能也顯著提高，普遍應(yīng)用在氣體溫度為 400~ 500℃ 的場(chǎng)所。但此類(lèi)風(fēng)機(jī)制作工藝很復(fù)雜，造價(jià)很高，且通常的引風(fēng)機(jī)和排粉風(fēng)機(jī)的工作溫度僅為 250℃ 、 150℃ ，因此這類(lèi)陶瓷防磨工藝較少應(yīng)用于引風(fēng)機(jī)和排粉風(fēng)機(jī)上。
整體型
風(fēng)機(jī)葉片或葉輪采用燒結(jié)整體成型的工藝，全部用工程陶瓷制作。由于陶瓷葉片或葉輪從成型到燒結(jié)、加工、制作工藝都極為復(fù)雜，故一般只用于機(jī)號(hào)不大的軸流式風(fēng)機(jī)。
綜合考慮，以上 3 種型式的陶瓷耐磨風(fēng)機(jī)均不宜應(yīng)用于引風(fēng)機(jī)和排粉風(fēng)機(jī)，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)查、研究、考證，最后選擇了一種有別于現(xiàn)有的陶瓷防磨工藝，采用機(jī)械式連接＋粘接劑粘接的工藝來(lái)制作陶瓷耐磨葉輪。其制作工藝為 葉輪→拼裝金屬卡條→卡條焊接→清理卡條表面→涂粘接劑→安裝陶瓷塊→陶瓷塊止退處理→外露焊縫防磨處理→葉輪動(dòng)平衡→超速試驗(yàn)→整體檢查
葉輪具體防磨型式見(jiàn)圖2。
耐磨葉輪在制造過(guò)程中，進(jìn)氣端金屬卡條塞焊于葉片進(jìn)氣端部，U型陶瓷塊卡接在上面。葉片工作面上的金屬卡條垂直于葉輪中、后盤(pán)，塞焊于葉片上，陶瓷塊卡接在上面，其中，靠近中、后盤(pán)為一件J型陶瓷塊，用于保護(hù)主焊縫及中、后盤(pán)端面，其余為直條型陶瓷塊。每一陶瓷塊與金屬卡條的結(jié)合部均涂抹耐高溫的粘接劑，用于實(shí)現(xiàn)陶瓷塊的機(jī)械卡接、粘接雙重保護(hù)。
此種工藝制作的陶瓷耐磨葉輪，葉輪與金屬卡條為焊接、陶瓷塊與卡條采用機(jī)械式卡接，連接安全可靠。在陶瓷塊與卡條的結(jié)合部，涂覆粘接劑，使陶瓷塊與卡條的連接更為可靠，即使陶瓷塊破裂，也不會(huì)脫落，增加了葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性、穩(wěn)定性?？l處于陶瓷塊內(nèi)側(cè)，氣體介質(zhì)不會(huì)直接沖刷卡條，卡條不存在磨損問(wèn)題。這種工藝制作的陶瓷耐磨葉輪，制作工藝簡(jiǎn)單，陶瓷塊與葉輪的連接安全可靠，幾乎無(wú)熱影響區(qū)，不會(huì)造成應(yīng)力集中，且工程陶瓷密度?。?.5g/cm3），質(zhì)量遠(yuǎn)低于通常使用的鋼質(zhì)防磨襯板，葉輪總質(zhì)量減輕，增加了風(fēng)機(jī)主軸承的使用壽命。由此可見(jiàn)，此種陶瓷耐磨葉輪與其它類(lèi)型的耐磨葉輪相比，具有很大的優(yōu)越性。
應(yīng)用耐磨陶瓷后其風(fēng)機(jī)性能及效果
為驗(yàn)證陶瓷耐磨葉輪的使用性能，在某電廠對(duì)陶瓷防磨葉輪與堆焊Fe-05防磨的葉輪進(jìn)行了使用對(duì)比。經(jīng)過(guò)半年的運(yùn)行，檢查發(fā)現(xiàn)，引風(fēng)機(jī)葉輪上的陶瓷塊幾乎未磨損，排粉風(fēng)機(jī)葉輪上的陶瓷塊磨損也十分輕微。而堆焊Fe-05防磨的葉輪，引風(fēng)機(jī)葉輪的 Fe-05 防磨層大部分磨損，必須重新堆焊Fe-05；排粉風(fēng)機(jī)葉輪不僅Fe-05防磨層已磨光，防磨襯板也磨得變成很薄，特別是葉輪進(jìn)口端，葉片已磨掉了100mm×50mm ，必須修補(bǔ)葉片、更換防磨襯板、重新堆焊Fe-05防磨層才能繼續(xù)運(yùn)行。
試驗(yàn)證明，在引風(fēng)機(jī)和排粉風(fēng)機(jī)葉輪上加裝耐磨工程陶瓷塊，是一項(xiàng)可靠和有效的耐磨防磨措施。只要施工仔細(xì)，嚴(yán)格按工藝操作，就可以保證陶瓷塊不會(huì)脫落，可確保風(fēng)機(jī)安全和穩(wěn)定運(yùn)行。
文 獻(xiàn)
［1］劉寶楦.冶金機(jī)械檢修手冊(cè).冶金工業(yè)出版社，1992
［2］沈鴻.機(jī)械工程師手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社，1995
［3］陳文戚,李玉剛，董大軍等.風(fēng)機(jī)葉片的表面強(qiáng)化技術(shù).焊接，1997(1).
［4］許曄，姚承范，朱營(yíng)康等.固粒直徑對(duì)含塵風(fēng)機(jī)磨損惡化規(guī)律的影響.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)， 1995,12(4)
［5］劉家浚 . 材料磨損原理及其耐磨性 . 清華大學(xué)出版社， 1993.
［6］李玉華 . TC9-26 型陶瓷耐磨風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究 . 流體工程， 1991(11).
［7］趙世海，梁小平 . 工程陶瓷在除塵耐磨風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用 . 風(fēng)機(jī)技術(shù)， 2003(2).
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