摘要
简要分析了引风机和排粉风机的磨损机理。介绍了耐磨工程陶瓷的特性，及其采用机械卡接、粘接工艺和在防磨风机中的应用
关键词：
引风机 排粉风机 磨损 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
引风机和排粉风机由于磨损而严重影响其强度，因而要频繁地更新维修，不但影响了其机械性能，而且缩短了使用寿命，有时甚至引发重大事故，这已成为火力发电厂安全运行的主要隐患之一。
多年来，用过许多表面强化方法，包括表面堆焊耐磨材料、热喷涂、喷焊、表面涂覆各种高分子涂料、表面淬火或化学热处理等。以上各种工艺中，使用较多的是表面喷涂（如镍基碳化钨等）、喷焊（如Fe-05等）和堆焊（如 Fe-05 、3A 焊条等）等工艺。但表面喷涂所使用的材料硬度不是太高，耐磨能力也不太强，对于引风机和排粉风机来说，防磨能力很难令人满意。喷焊工艺是在叶轮叶片上加焊防磨衬板，然后在其上喷焊耐磨材料（如 Fe-05 等），这样做易使风机叶轮产生较大的变形，且局部的高温也易产生应力集中，这势必影响叶轮的机械性能和强度，缩短叶轮的使用寿命。堆焊工艺（如Fe-05 、3A 焊条等），虽然热影响及变形小于喷焊工艺，但因其防磨层面积有限，其耐磨效果也不太好。
与以上的这几种防磨方式相比较而言，表面机械式固定加粘接陶瓷块的新工艺由于不必输入热量，而且陶瓷块的耐磨性能也比其它材料优异，所以得到了广泛的应用。
引风机和排粉风机的工况特点
由于引、排粉风机工作的介质中含有大量的固体粒子（煤粉、粉尘等），而且很多是硬度较高的硬质颗粒，它们以极高的速度运动，在风机叶轮叶片进 (气) 风口、工作面、中（后）盘端面、叶片工作面与中（后）盘之间的焊缝等表面碰撞和摩擦，致使风机快速磨损。由于很多电厂除尘效果不好，介质中含尘量较大，叶轮在高速运转下磨损加剧，而磨损破坏了风机叶轮的运转平衡，降低了叶轮的强度，造成风机剧烈振动，甚至发生严重的飞车事故。
风机的磨损部位及磨损机理
3.1风机的磨损部位
如图 1 所示，风机叶轮磨损的部位是靠近中（后）盘区域的叶片进气端、工作面、出口端、主焊缝及中（后）盘端面，其中进气端磨损最为严重。当介质气体进入叶轮时，运动方向由轴向转为径向，且受其自身惯性的影响，较多的大直径颗粒移动到中（后）盘，与中（后）盘端面发生碰撞，使之产生磨损。大部分小直径颗粒由于自身惯性力较小，气流粘性作用的影响相对较大，使颗粒与气流的跟随性增强，因此颗粒的运动轨迹与气流子午流线十分相似，使之沿与叶片进口气流角十分接近的角度
进入叶轮。由于叶片进口气流角并不等于叶片进口几何角，因而存在着气流冲角，所以仍有少量小直径颗粒会同叶片进气端产生碰撞，从而造成叶片进气端的磨损。对于大直径颗粒，因自身的惯性较大，与气流的跟随性较差，故以不同于叶片进口气流角的方向冲向叶轮，使得较多的大直径颗粒与叶片进气端、工作面等发生碰撞，从而造成叶片进气端、工作面的磨损。由于叶轮叶片对气体介质不间断地做功，使气体介质不断冲刷叶片工作面及出口端，造成叶片工作面及出口端的剧烈磨损。
风机叶轮的磨损过程可分为3个阶段，第一阶段：饱和磨损阶段。风机叶轮由钢板焊接而成，流道表面存在一定的粗糙度。当风机最初运转时，在颗粒的碰撞磨损下将表面磨得比较光滑，因而磨损速度也由开始的较快而变得稳定；第二阶段：稳定磨损阶段。由于第一阶段磨损后叶轮流道表面已被磨得比较光滑，所以在第二阶段，磨损比较稳定，持续的时间也比较长，因而是通风机运转的最佳阶段；第三阶段：急剧磨损阶段。虽然第二阶段的磨损比较稳定，但由于风机长时间运转，致使叶轮磨损达到一定程度后，流道的尺寸和角度将与气动设计工况下的尺寸和角度产生较大差别，造成气体介质冲击、脱流漩涡等的强度增大，磨损速度也急剧加快，这就影响了风机的正常运行。
风机的磨损机理
磨料磨损
与叶轮碰撞后沿叶片工作面滑动或滚动的大直径颗粒对工作面产生了一定的压应力，使滚动的颗粒压出印痕，滑动的颗粒形成微观犁削。犁削后堆积在两旁和前缘的材料，在受到随后颗粒的反复作用下，导致材料产生加工硬化或其它强化作用，因而造成叶片工作面的低应力擦伤型磨料磨损。
腐蚀磨损
风机使用过程中，由于介质中含有少量炉气、水份等，且引风机工作温度通常可达250℃ 、排粉风机工作温度可达150℃ ，受温度的影响，很容易在内金属表面形成水汽露点，为腐蚀提供了条件。由于发生化学作用而产生一层松脆腐蚀物，当腐蚀物被磨掉，露出新鲜表面又很快腐蚀磨掉，腐蚀加速磨损，磨损加速腐蚀。
3.2.2冲蚀磨损
风机正常运转过程中，流经叶轮的介质处于紊流状态，介质中颗粒的形状处于随机取向。其中以小角度冲击叶轮表面的颗粒，在以尖角与表面接触时，接触点很小的面积上将集中很高的冲击压力。冲击压力的垂直分量使颗粒压入材料表面，冲击压力的水平分量使颗粒沿大致平行于材料表面的方向移动，使材料表面接触点产生横向塑性变形，从而切出一定量的微体积材料，造成了叶轮流道表面的微切削磨损。其中以大角度冲击叶轮表面的颗粒，在冲击压力垂直分量作用下，使颗粒压入材料表面而形成弹塑性变形。到颗粒停止压入运动为止，最终形成了不能恢复的塑性变形冲击凹坑，在凹坑边缘还有塑性变形挤出的堆积物。由于冲击坑边缘堆积物重新受到挤压变形和位移而从材料表面剥落。从而引起了一定量的微体积材料损失，并造成叶轮流道表面的变形磨损。实际上，颗粒对叶轮流道表面的磨损常与微切削磨损及变形磨损同时存在。磨损量为两种磨损复合作用的结果。小冲角时以微切削磨损为主，变形磨损为辅；大冲角时以变形磨损为主，微切削磨损为辅；30°~40° 冲角时复合磨损量达最大值。值得注意的是：当颗粒的水平冲击压力（取决于颗粒的硬度、形状、冲角、冲击速度、叶轮材料的表面硬度等）较小时，颗粒不能压入材料表面而直接产生塑性变形或塑性流动。但大量的颗粒反复冲击，也将造成材料的疲劳剥落，即疲劳磨损。
综上所述，引风机和排粉风机叶轮磨损的原因是很复杂的，可看作是介质颗粒的冲蚀磨损、低应力擦伤型磨损和腐蚀磨损联合作用的结果。三种磨损形式中以冲蚀磨损为主，低应力擦伤型磨损和腐蚀磨损为辅；同时低应力擦伤型磨损和腐蚀磨损将加剧冲蚀磨损。
耐磨工程陶瓷的选择
工程陶瓷材料具有密度小、熔点高、硬度大、化学稳定性好和耐腐蚀等优点，并且在一定程度上克服了传统陶瓷的脆性，提高了材料使用的可靠性，可用它制成各种耐磨件，并在摩擦学领域中得到了越来越广泛的应用。自2003年开发出陶瓷耐磨风机以来，它的耐磨性较其它耐磨风机有了大幅度的提高，并具其独特的优点，有广阔的发展前景。
常用的工程陶瓷主要有两类：一类是金属与碳、硅、氧、氮等非金属的化合物；另一类是非金属之间的化合物，包括硼或硅的碳化物、氮化物等。用于陶瓷风机中的工程陶瓷，要求具有高硬度、高强度并还应有优良的耐磨蚀性能。同时，根据风机的磨损特征、叶轮所要求的耐磨寿命、工程陶瓷的价格等多种因素综合考虑，选择了氧化铝 Al2O3 工程陶瓷作为引风机和排粉风机防磨用的陶瓷材料。其主要技术指标见表 1 。
耐磨工程陶瓷在风机上的应用
根据相关资料介绍，目前陶瓷与叶轮的连接大概有3种型式。
;粘接型
主要采用有机或无机粘接剂将耐磨工程陶瓷块粘接在叶轮的叶片及中（后）盘等极易磨损的部位。
由于粘接剂在高温下粘接强度急剧下降，且叶轮转速较高，线速度较大（通常大于 120 m/s ），故此类型陶瓷防磨叶轮仅能应用于低温工作环境，并且其工作稳定性较差，安全性也不太可靠。据电厂反馈的信息来看，此类叶轮若应用于引风机和排粉风机，则陶瓷块易脱落，陶瓷块脱落后影响叶轮平衡，造成风机振动值增大，最终导致风机不能正常运行。
钎焊型
这是在叶轮的表面上，钎焊工程陶瓷后制成的高温陶瓷耐磨风机。它的制作工艺比较复杂，首先要在陶瓷接合面上，印刷喷镀金属胶并在干燥后作烧结处理，然后将一块铜板置于做过表面处理后的金属衬板与陶瓷之间，铜板的两面均敷有银焊料，最后将它们焊接成一体。
这种风机的陶瓷片与金属基体的结合强度非常高，耐热性能也显著提高，普遍应用在气体温度为 400~ 500℃ 的场所。但此类风机制作工艺很复杂，造价很高，且通常的引风机和排粉风机的工作温度仅为 250℃ 、 150℃ ，因此这类陶瓷防磨工艺较少应用于引风机和排粉风机上。
整体型
风机叶片或叶轮采用烧结整体成型的工艺，全部用工程陶瓷制作。由于陶瓷叶片或叶轮从成型到烧结、加工、制作工艺都极为复杂，故一般只用于机号不大的轴流式风机。
综合考虑，以上 3 种型式的陶瓷耐磨风机均不宜应用于引风机和排粉风机，经过反复调查、研究、考证，最后选择了一种有别于现有的陶瓷防磨工艺，采用机械式连接＋粘接剂粘接的工艺来制作陶瓷耐磨叶轮。其制作工艺为 叶轮→拼装金属卡条→卡条焊接→清理卡条表面→涂粘接剂→安装陶瓷块→陶瓷块止退处理→外露焊缝防磨处理→叶轮动平衡→超速试验→整体检查
叶轮具体防磨型式见图2。
耐磨叶轮在制造过程中，进气端金属卡条塞焊于叶片进气端部，U型陶瓷块卡接在上面。叶片工作面上的金属卡条垂直于叶轮中、后盘，塞焊于叶片上，陶瓷块卡接在上面，其中，靠近中、后盘为一件J型陶瓷块，用于保护主焊缝及中、后盘端面，其余为直条型陶瓷块。每一陶瓷块与金属卡条的结合部均涂抹耐高温的粘接剂，用于实现陶瓷块的机械卡接、粘接双重保护。
此种工艺制作的陶瓷耐磨叶轮，叶轮与金属卡条为焊接、陶瓷块与卡条采用机械式卡接，连接安全可靠。在陶瓷块与卡条的结合部，涂覆粘接剂，使陶瓷块与卡条的连接更为可靠，即使陶瓷块破裂，也不会脱落，增加了叶轮运转的安全性、稳定性。卡条处于陶瓷块内侧，气体介质不会直接冲刷卡条，卡条不存在磨损问题。这种工艺制作的陶瓷耐磨叶轮，制作工艺简单，陶瓷块与叶轮的连接安全可靠，几乎无热影响区，不会造成应力集中，且工程陶瓷密度小（3.5g/cm3），质量远低于通常使用的钢质防磨衬板，叶轮总质量减轻，增加了风机主轴承的使用寿命。由此可见，此种陶瓷耐磨叶轮与其它类型的耐磨叶轮相比，具有很大的优越性。
应用耐磨陶瓷后其风机性能及效果
为验证陶瓷耐磨叶轮的使用性能，在某电厂对陶瓷防磨叶轮与堆焊Fe-05防磨的叶轮进行了使用对比。经过半年的运行，检查发现，引风机叶轮上的陶瓷块几乎未磨损，排粉风机叶轮上的陶瓷块磨损也十分轻微。而堆焊Fe-05防磨的叶轮，引风机叶轮的 Fe-05 防磨层大部分磨损，必须重新堆焊Fe-05；排粉风机叶轮不仅Fe-05防磨层已磨光，防磨衬板也磨得变成很薄，特别是叶轮进口端，叶片已磨掉了100mm×50mm ，必须修补叶片、更换防磨衬板、重新堆焊Fe-05防磨层才能继续运行。
试验证明，在引风机和排粉风机叶轮上加装耐磨工程陶瓷块，是一项可靠和有效的耐磨防磨措施。只要施工仔细，严格按工艺操作，就可以保证陶瓷块不会脱落，可确保风机安全和稳定运行。
文 献
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