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1、国内图书分类号:T K 3 9 国际图书分类号:6 2 1 1 硕士学位论文 学校代码:1 0 0 7 9 密级:公开 C F B 锅炉水冷壁磨损机理与防磨措施研究 硕士研究生:张华磊 C l a s s i f i e dI n d e x :T K 3 9 U D C :6 2 1 1 T h e s i sf o rt h eM a s t e rD e g r e e l I i l l l l lIlkI II1 1 1 1 1 1 1 1lllllIIllI I I I I I I 删 Y 19 5 4 8 7 0 R e s e a r c ho nW e a rm e c h
2、a n i s m a n dR e s i s t a n tm e a s u r e s o fC F Bb o i l e r C a n d i d a t e : S u p e r v i s o r : A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r : S p e c i a l i t y : S c h o o l : D a t eo fD e f e n c e : Z h a n gH u a L e i P r o f L i uZ o n gD e M a s t e ro fE n g i n e e r i n g
3、E n e r g yE n g i n e e r i n g S c h o o lo fE n e r g y , P o w e ra n dM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g M a r c h ,2 0 1 1 。 D e g r e e C o n f e r r i n g I n s t i t u t i o n :N o r t h C h i n aE l e c t r i cP o w e rU n i V e r s i t y 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文( C F B
4、 锅炉水冷壁磨损机理与防磨 措施研究,是本人在导师指导下,在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知,论文中除已注明部分外不包含他人已发表 或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体,均已在文 中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名: 缎乏日期:聊7 年弓月知日 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 C F B 锅炉水冷壁磨损机理与防磨措施研究系本人在华北电力大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力 大学所有,本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电 力大学关于保存
5、、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关部门送交论文的 复印件和电子版本,允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学,可以采用 影印、缩印或其它复制手段保存论文,可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于( 请在以上相应方框内打“ ) : 保密口,在年解密后适用本授权书 不保密 作者躲彳饵荔日期训年罗月知日 导师签名: 日期:7 叼f 年弓月了口日 华北电力大学硕十学位论文 摘要 循环流化床锅炉水冷壁管磨损是目前阻碍循环流化床锅炉发展的主要瓶颈, 研究其磨损机理和采取有效的防磨措施是现在的研究热点。本文首先分析了循环 流化床锅炉的磨损机理,以白马电厂锅炉实际数据为基础模拟其内部流场,得出
6、 内部流场流动特性,为进一步分析磨损机理提供了依据。通过分析,得到煤粉浓 度沿炉膛轴向方向呈上稀下浓及煤粉颗粒沿径向方向呈环一核流动分布。颗粒速 度在中心区域较高且方向向上,边壁区速度方向向下这就形成了炉膛物料的内循 环流动。计算结果与文献相符。还可以看出在炉膛四角和底部密相区煤粉颗粒速 度和浓度都较大,这也是这些部位容易受磨损的主要原因。通过氩弧熔覆的方法, 制备出了高性能的F e C r B 系耐磨熔覆层。对在不同电流熔覆下制备的熔覆层的 硬度和热影响深度做了分析。分析表明:熔覆层表面硬度高达1 2 0 0 H V ,组织均匀, 与基体之间冶金结合。对熔覆层做了高温冲蚀实验,结果表明熔覆层
7、的耐磨性能 是2 0 G 钢的6 倍,在高温环境下具有极高的耐磨性能。 关键词:循环流化床;磨损机理;防磨措施;氩弧熔覆;水冷壁 华北电力大学硕士学位论文 A b s t r a c t A tp r e s e n t ,t h ew e a ro fw a t e rw a l lt u b ei st h em a j o rb o t t l e n e c kw h i c hr e s t r i c tt h e d e v e l o p m e n to fC F B b o i l e r s I th a sb e c o m et h ef o c u so fC F
8、Br e s e a r c ht os t u d yt h e w e a rm e c h a n i s ma n dl o o kf o re f f e c t i v ea n t i - w e a rm e a s u r e s I no r d e rt oa n a l y z et h e w e a rm e c h a n i s mo fC F Bb o i l e rt u b e ,t h i s o ft h ef u r n a c eo nt h eb a s i so fa c t u a ld a t a p a p e rf i r s ts i
9、 m u l a t et h ei n t e r n a lf l o wf i e l d o fB a i m aP o w e rP l a n t S i m u l a t i o nr e s u l t s r e v e a l e dat y p i c a lc o r e a n n u l u sf l o wp a t t e r na l o n gt h er a d i c a ld i r e c t i o n T h e p a r t i c l e sf l o wu p w a r dw i t hh i g hv e l o c i t ya
10、tt h ec e n t r a lr e g i o na n dd o w n w a r dw i t h l o wv e l o c i t yn e a rt h ew a l l ,f o r m i n gt h ei n n e rc i r c u l a t i o no fg a s - s o l i df l o w T h ea x i a l d i s t r i b u t i o np r o f i l eo fp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o ns h o wh i g hv a l u ea tt h e
11、b o t t o mo ft h e f u r n a c ew h i l el o wi nt h eu p p e rz o n e I na d d i t i o n ,m u c hh i g h e rp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n a n dv e l o c i t yw e r eo b s e r v e da tt h ec o r n e ro ft h ef u n a c ea n dt h eb o t t o mp a r t T h a ti S w h yt h et u b e si ns u c h
12、a r e a sa r es u b j e c tt ow e a r T h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t sa g r e e d w i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t ar e p o r t e di nt h el i t e r a t u r e I nt h i ss t u d y , t h ea n t i - a b r a s i v e c o a t i n g sw e r ep r e p a r e db yu s i n gas e l f - m a d eT
13、I Gc l a d d i n gs y s t e m R a p i dw a t e r c o o l i n gc o n d i t i o nw a sa p p l i e di no r d e rt od e c r e a s et h ed e f o r m a t i o nd u r i n gw e l d i n g p r o c e s s ,t h u se n h a n c e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o a t i n g s T h em i c r o - h a r d n e s sa n
14、 d h e a ta f f e c t e dd e p t ho ft h ec o a t i n g sw e r ec o m p a r e du n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o nc u r r e n t w i t ht h ea i mo fo b t a i n i n go p t i m a lo p e r a t i o np a r a m e t e r s F u r t h e ra n a l y s i ss h o w e d t h a tt h em i c r o s t r u t u r e
15、 so ft h ec o a t i n g sa r eu n i f o r m M e t a l l u r g i c a lb o n d i n gw a s f o r m e db e t w e e nt h ec o a t i n ga n dt h es u b s t r a t e M o r e o v e r , t h em i c r o h a r d n e s so ft h e c o a t i n gi su pt o1 2 0 0 H V , w h i c hi ss i xt i m e sh i g h e rt h a nt h a
16、 to f2 0 G T h e r e f o r e ,t h e c o a t i n gh a sp e r f e c tw e a rr e s i s t a n c eu n d e rt h ee n v i r o n m e n to fh i g ht e m p e r a t u r e K e y w o r d s :C F B :W e a rm e c h a n i s m ;A n t i w e a r i n g ;a r g o na r cc l a d d i n g ;w a t e r w a l l 华北电力大学硕十学位论文 目录 摘要
17、I A B S T R A C T I I 第1 章引言1 1 1 课题背景及研究的目的和意义1 1 2 国内外对水冷壁管防护措施现状3 1 3 防护涂层技术的优缺点分析4 1 4 涂层技术的局限性实例4 1 4 1 机械结合涂层较易脱落4 1 4 2 局部区域达不到效果5 1 4 3 涂层厚度受限5 1 4 4 二次喷涂效果更差5 1 5 本论文研究的主要内容。6 第2 章实验装置及理论原理介绍 2 1 钨极氩弧焊原理及特点一 2 1 1 钨极氩弧焊原理 2 1 2 钨极氩弧焊特点 2 2 磨损理论概述 2 2 1 磨料磨损 2 2 2 腐蚀磨损 2 2 3 冲蚀磨损 2 3 循环流化床锅炉
18、简介 2 3 1 循环流化床锅炉的工艺流程 2 3 2 循环流化床锅炉的工作原理 2 3 3 循环流化床锅炉的磨损部位和磨损机理 2 4 小结 第3 章白马电厂循环流化床锅炉数值模拟 3 1 白马电厂3 0 0 M W 循环流化床锅炉简介 7 华北电力大学硕。卜学位论文 3 2F L U E N T 简介1 6 3 3 国内为对循环流化床锅炉模拟简介1 7 3 4 模型的求解步骤1 8 3 4 1 网格的划分1 8 3 4 2 F l u e n t 求解过程2 0 3 5 计算结果及分析2 5 3 5 1 炉膛内速度场分布研究2 5 3 5 2 不同炉膛高度时均固含率研究2 6 3 5 3
19、不同高度处颗粒轴向速度研究2 7 3 5 4 二次风穿透能力研究一2 7 3 6 小结2 8 第4 章熔覆层设计和制备方案。2 9 4 1 炉膛实际工况分析和熔覆层性能研究2 9 4 1 1 水冷壁管所处工况。2 9 4 1 2 熔覆层性能的要求3 0 4 2 熔覆层设计和制备方法3 0 4 3 氩弧熔覆实验3 0 3 0 3 1 3 2 3 2 3 2 3 2 3 2 3 4 3 5 3 5 3 6 3 7 3 8 3 8 3 9 华北电力大学硕七学位论文 6 1 2 电流对硬度和熔覆深度的影响4 0 6 2 熔覆层耐磨性能研究4 1 6 2 1 实验设备与实验参数4 1 6 2 2 实验结
20、果分析4 1 6 3 卅、结4 3 第7 章总结与展望 参考文献 4 4 4 6 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果。 致谢 4 9 5 0 华北电力大学硕士学位论文 华北电力大学硕十学位论文 第1 章引言 1 1 课题背景及研究的目的和意义 能源和环境问题是现在社会发展所需要重点解决的问题,越来越多的人意 识到其重要性。全世界都在为更好的解决经济发展,能源消耗,环境污染之间 的矛盾而不懈努力着。我国是煤产大国,同时煤消耗总量也十分惊人。目前一 次能源消耗中煤炭占7 6 ,预计在2 1 世纪中叶,如果人类无法找到大规模的 替代能源的话,人类还必须重新依赖煤炭作为最主要的能源f 。尤其是在电力
21、 行业燃煤发电在我国国民经济中具有极其重要的地位和作用,全国发电用煤占 煤炭总消费量的l 3 ,燃煤发电约占全国总发电量的7 0 【甜。我国的煤大部分是 直接燃烧的,不仅效率低下而且容易产生大量的污染,其中危害最大的就是 N O x 和S 0 2 等气体的排放。高硫煤是我国的主要煤质,其燃烧后产生的污染是 相当严重的,随着这些年环保意识的不断增强,开发高效的清洁能源技术越来 越受到社会的重视。 循环流化床技术是为了解决大气污染严重,能够有效燃烧低热量的煤质近 年来快速发展的一项洁净煤燃烧技术,由于循环流化床燃烧方式的快速发展, 循坏流化床锅炉技术也得到快速的发展【3 l 。流化床燃烧技术是介于
22、层燃燃烧和 煤粉燃烧之间的一种燃烧技术,层燃燃烧和煤粉燃烧都有自己的优缺点。层燃 燃烧效率较低,煤粉燃烧相对于层燃燃烧效率较高但是其排放物中有害物质含 量高。循环流化床技术的发展基本上克服了二者的缺点,并保留了其优点。并 且已经在多个方面尤其是在电力和工业锅炉方面得到广泛的应用。它通过燃料 和脱硫剂的多次循环,反复进行低温燃烧和脱硫反应,达到了燃料适应性强、 燃烧效率高、污染控制性好和易于调节负荷等优点【4 1 。 上世纪2 0 年代德国人温克勒发明第一台流化床锅炉以来,流化床技术一直 都是电力专家所研究和深入探索的问题。1 9 3 8 年在麻省理工学院的W a r r e n ,K L e
23、w i s 和吉里兰E d w i n ,RG i l l i l a n d 的共同努力研发下,发明了快速流化床。 在上世纪5 0 年代,循坏流化床技术真正进入工业运用。上世纪八十年代左右, 循环流化床锅炉技术的实验成功,鼓舞了各国的科研工作者。各主要发达国家 投入大量的人力,物力加快此项技术的理论研究和工业应用。国内对循环流化 床锅炉技术的研究起步较晚,但是由于我国特殊的国情:环境污染严重、煤质 差、导致了循环流化床锅炉技术的飞速发展。到上世纪9 0 年代木我国的循环流 华北电力大学硕一E 学位论文 化床锅炉在工业应用和理论研究上已经取得了重大的成绩。1 9 9 2 年,东方锅炉 厂和A
24、h l s t r o m 公司合作并引进了4 1 0 t h 循环流化床锅炉示范项目,该项目在 1 9 9 6 年投产。2 0 0 3 年,哈尔滨锅炉厂有限责任公司具有自主知识产权的4 1 0 t h 循环流化床锅炉试运行成功。目前国内运行的循环流化床锅炉大概有3 0 0 0 多 厶 口。 现在国内几大锅炉厂已经能自主生产3 0 0 M W 的循环流化床锅炉。其中 6 0 0 M W 的循环流化床锅炉也进入了研发最后阶段。国外从上世纪7 0 年代循环 流化床技术开始进入半工业性研究,8 0 年代进入高发展期发展的方向是高参 数,大容量,强化内部循环和去掉庞大的分离装置。经过这么多年的发展国外
25、 的技术已经同益成熟。无论是锅炉本身的容量,运行,还是污染物排放量和各 种技术配置来说已经能满足不同要求。目前对床内流动特性、传热传质、燃烧 特性、脱硫脱硝特性和变负荷特性均已进行了深入的研究,不但开发出了不同 特色的循环流化床锅炉,而且发表了为数众多的科学论文【5 l 。但是,由于循环 流化床内颗粒与气体流动为复杂的湍流两相流动,研究床内的传热、传质特性、 气固两相流动、非线性动力学特性、气固两相的宏观运动控制以及对煤燃烧、 气化的影响等有很大的困难,其中核心问题是床内气固两相的湍流特性以及通 过实验和理论研究正确预报其中的流动特性、热传递性能和反应规律等【6 】。 循环流化床锅炉在燃烧方式
26、方面与传统的煤粉锅炉有着截然不同的区别。 它是通过底部的一次风( 风速大于流化风速时) 使炉内的煤粉处于流态化并在 炉膛内循环燃烧。经过物料分离器和输送装置将未燃烧的煤粉送回炉膛,以实 现其高效的循环燃烧。然而由于其特殊的燃烧方式导致其内部受热面很容易磨 损,当受热面磨损到一定程度的时候就必须停炉维修,造成重大损失。这也是 制约循环流化床锅炉发展的一大瓶颈。 据统计,一台7 5 t h 的锅炉,每小修一次需停炉1 0 1 4 天,每大修一次需 要停炉2 0 “ - 3 0 天,每停炉一天,将少发电近3 0 万度,若按每度电0 6 元计, 将造成直接经济损失1 8 万元天,而由于停电给工农业生产
27、带来的间接损失往 往比直接损失还要大几十倍I 列。因此寻求一种低成本能够解决内部受热面磨损 严重的方法迫在眉睫。除此之外循环流化床锅炉另一个比较主要的缺点是现在 投产的大多是3 0 0 M W 以下的小型循环流化床锅炉,其控制系统也是一大顽症。 燃烧控制系统不能实现自动控制或者说很少实现,实际运行中需要手动操作。 造成这一现象的主要原因是循环流化床锅炉燃烧过程和燃烧系统的复杂性,它 比煤粉炉要求更多的输入和输出变量,耦合关系复杂。当其中一个参数发生改 变的的时候其他参数也随之变化,但程度有所不同,所以很难实现自动操作。 在我国目前环保要求同益严格,煤种变化较大和电厂负荷调节范围较大的情况 华北
28、电力大学硕十学位论文 下,C F B 成为发电厂和热电厂优选的技术之一,C F B 燃烧技术已被运行实践证 明是可靠的洁净煤燃烧技术,受到人们的高度重视,近年来得到迅速发展【引。 要想从根本上解决循环流化床锅炉磨损的问题,必须对其内部流场,速度场以 及浓度场的分布特点有进一步的了解。因为以上几个数据和磨损类型以及磨损 量密切相关。但是现实工况太复杂,有的数据在现实中很难测量准确。本课题 以商业应用流体软件F l u e n t 对白马电厂的3 0 0 M W 循环流化床锅炉做模拟,所 用数据是由厂家提供。通过模拟结果得其磨损特点,进一步探讨水冷壁磨损问 题。本课题另一任务是以较为低廉的成本,较
29、为简单的制作工艺来制作出耐磨 性能高,热传导性高的熔覆层。以期待能够提高锅炉受热面的寿命,进而能够 有效的解决锅炉内磨损问题。其研究意义在于:从小方面讲就是减少停炉次数, 提高寿命长度,提高电厂的经济效益。从而进一步为循环流化床锅炉的推广和 大型化发展打下基础。从大的方面来说循环流化床锅炉受热面问题磨损问题一 旦解决必将带来清洁燃烧技术的飞速发展。对节省煤耗,保护环境,和人类的 可持续发展做出一定的贡献。 1 2 国内外对水冷壁管防护措施现状 国内对循环流化床锅炉受热面的防护也在不断发展当中,总体来说大体经 历了两个阶段,一是非表面防护法,二是表面防护法【叭。非表面防护法主要包 括改变锅炉运行
30、参数和改进设备结构两方面,如降低物料浓度、控制一次风流 量、在水冷壁外安装防磨板、改善水冷壁管结构等【1 0 l 。对于具体锅炉来说上述 情况实施有些困难,主要是因为锅炉一旦投入运行其运行参数很难随便改动, 而且这些参数的变动往往影响到锅炉的安全性和经济性。直接换掉受热面代价 太高,因为往往受热面只是部分磨损,其他部分性能完好。覆盖耐火材料会使 主要磨损区域上移,同时也会影响炉内的传热情况。因此相对于非表面技术表 面技术有其独特的优点。表面技术相对于非表面防护方法来说设备简单、成本 低、适合现场操作,尤其适用于锅炉受热面管等大型设备的防护和修复,是一 种节省资源、效果显著的直接有效的方法【1
31、。热喷涂是实现表面防护的重要手 段,是发展表面工程在电厂应用的基础。热喷涂是利用热源将喷涂材料加热熔 化或软化,靠热源的动力或外加的压缩气流,将熔滴雾化并推动熔粒成喷射的 粒束,以一定的速度喷射到基体表面形成涂层的工艺方法【1 2 J 。近几十年来国内 外开发了各种类型的涂层,但是由于各种原因到目前为止还没有特别适合的。 许多受热面作完涂层防护耐磨寿命往往不到3 个月的时间【1 3 】。存在的主要问题 为: 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 国外有些涂层虽然性能好,耐冲蚀腐蚀能力强,涂层均匀等优点,但 是由于其高昂的价格,让国内的许多电厂望而止步。 ( 2 ) 国内的涂层虽然价格便宜,但是
32、在性能上稍差,而且大多是耐腐蚀性 能强,耐磨损性能差。这种涂层抗磨损性能难以满足当前循环流化床内部高磨 损的工况。 1 3 防护涂层技术的优缺点分析 如何更有效的采取热喷涂的办法来实现对受热面的保护一直都是锅炉界和 材料界所讨论的热点问题【1 4 l 。从原理上讲,它可以喷涂除极易升华物质外的任 何材料,具有施工灵活、节省材料、节省能源等特点1 1 5 l 。在国内,主要有以下 几种热喷涂方法:等离子喷涂陶瓷粉末;H V O F 喷涂碳化物陶瓷粉末; 热喷熔镍基自熔性合金粉末;亚音速火焰喷涂金属陶瓷粉末;电弧喷涂耐 磨丝材;超音速喷涂耐磨丝材【1 6 】。以上所述喷涂方法喷涂涂料大都是“粉末“
33、 因此会产生大量浪费。其次因为其设备大,投资成本高,现场操作难度大等原 因,上述所有方法都不能完全有效的解决炉膛内受热面磨损严重的问题。 1 4 涂层技术的局限性实例 1 4 1 机械结合涂层较易脱落 一般的热喷涂结合强度在1 0 4 0 M P a 之间;涂层在受到煤粉气流冲刷或者 热变形较大时,运行一段时间容易脱落。 图1 - 1 某电厂水冷壁管涂层局部脱落照片 由上图可以看出涂层出现大量的成片脱落,这主要是因为涂层的结合不紧 密,在一部分被磨损的情况下,随着煤粉气流逐渐冲刷,涂层会成片的脱落。 华北电力大学硕十学位论文 脱落的部分由于产生了凹坑,煤粉在冲刷此处的时候产生漩涡,加剧煤粉的冲
34、 刷。由上图右边照片还可以看出有的地方的磨损只是局部的,如果要修复这一 部分脱落的涂层难度大。如果要处理整个受热面又会产生极大的浪费。 1 4 2 局部区域达不到效果 对于磨损比较严重的区域防磨效果不明显不如耐火材料浇筑区的上部,对 于这种现象,现在还没找到理想的喷涂办法和相应的材料能够解决使磨损严重 的区域和其他部分寿命相同I l 刀。 1 4 3 涂层厚度受限 由于热喷涂的特殊性,当喷涂涂料达到一定厚度时,后面的涂料将不能继 续粘附前面的涂料上。这也就限制了其喷涂厚度。一般的涂层厚度大约为 2 0 0 4 0 0 um 。涂层厚度难以准确的测量。炉管和多数涂层都含F e 、N i 等元素,
35、 属导磁材质,欲用非磁性、磁性、碣流及超声等原理制作的测厚仪,都不能准 确地给出厚度值,这是国内外普遍遇到的尚待解决的问题【1 8 】。 1 4 4 二次喷涂效果更差 在接口处,废旧涂层很难去除掉。以L X 8 8 A 涂层为例,在锅炉运行三个月 时,有一处磨损严重需要停炉维修。用常规方法很难将该涂层除去,重新喷涂。 并且涂层内部存在孔隙严重影响耐磨、防腐效果。 j 、暑| 囊遵 热簸篓零 ! ,冀、:鹣謦妒。 ? 0 蚰岁蠢、 蛲凉缀楔藏蘅幺缓缀织 驺l 。坼 1 2 电弧喷涂涂层断面 由上图所示,一般的热喷涂涂层有2 1 0 孔隙率。即使使用一些补救措施 如涂封孔剂,这也能形成腐蚀通道,影
36、响整体的耐腐蚀性。同时空隙也是造成 加剧磨损的主要原因。 5 华北电力大学硕士学位论文 1 5 本论文研究的主要内容 本论文的内容主要包括以下几个方面: 1 、本论文首先从能源和环境方面分析了循环流化床锅炉磨损机理探索及防 护措施的意义。然后分析讨论了现在水冷壁管防磨的主要措施及其优缺点。到 目前为止还没有一项能够完全解决循环流化床锅炉水冷壁管磨损的措施。 2 、本文在磨损机理探索方面分两步:第一步搜集文献资料,对循环流化床 锅炉磨损机理有初步了解。第二步利用C F D 模拟软件F l u e n t 采用白马电厂 3 0 0 M W 循环流化床锅炉实际运行参数模拟炉膛内流场。模拟结果与文献记
37、载 较好的符合。 3 、在水冷壁管防护措施方面利用氩弧制备防磨熔覆层,研究熔覆层的显微 组织与显微硬度,并对熔覆层和2 0 G 钢微观组织及耐磨性能进行比较分析。结 论是用氩弧熔覆可以制备性能优良的防护涂层。 华北电力大学硕士学位论文 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼量量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇! 曼皇量鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼舅, I NI, I 皇曼鲁曼量曼曼 第2 章实验装置及理论原理介绍 2 1 钨极氩弧焊原理及特点 2 1 1 钨极氩弧焊原理 钨极氩弧焊( G T A W ) 是一种使用氩气作为保护气体的惰性气体保护焊。钨极 氩弧焊是在枪口喷出的氩气气流的保护下,使用或者不使用填
38、充焊丝的焊接方 法,其原理简单描述为利用钨极与基体之间产生的电弧所发出的高热量,熔化 基体和焊丝1 1 引。其原理图如下所示:焊接时氩气从焊枪喷嘴中连续不断的喷出 其主要目的有两个:一,保护钨极不被氧化,二,保护熔池及附近区域不受有 害气体的影响,以确保获得优质焊缝1 2 们。在焊接时应该特别注意两个方面:一, 工件的焊接变形,二,焊缝数量的控制。如对焊接有特殊的要求,需要用一些 防变形措施。通常的办法有提前预热和机械紧固等方法。 图2 - 1 钨极惰性气体保护焊示意图一 1 喷嘴2 一钨极3 一电弧4 一焊缝5 _ 工件一 6 一熔池7 _ 填充焊丝8 一惜l 生气体一 2 1 2 钨极氩弧
39、焊特点 由于钨极氩弧焊独特的工作方式所以其有以下优点:( 1 ) 由于氩气的惰性 性质,其既不参与反应,也不能溶于金属溶液,很好的保护了整个工作区域, 能够获得质量较高的焊缝。( 2 ) 钨极氩弧焊电流很稳定,即在电流小于1 0 A 的 情况下,也能稳定的燃烧,这一特性决定了其在焊接较薄金属板的时候不至于 华北电力大学硕十学位论文 焊穿板体。( 3 ) 与其他表面技术相比如热喷涂,激光熔覆,氩弧熔覆成本低, 设备简单。( 4 ) 氩弧焊道与基体是冶金结合,熔覆层没有空隙,组织较为均匀。 考虑到氩弧焊的上述优点,及实验室的条件决定将钨极氩弧熔覆作为制作熔覆 层的手段。 2 2 磨损理论概述 磨损
40、是一个非常复杂的过程,根据不同的标准分类,有着不同的磨损形式。 在众多的分类标准中根据磨损破坏机理的分类更有利于分析解决问题。1 9 5 7 年 ( B u r w e l l ) 按照磨损破坏机理将磨损分成了以下四大类型( 1 ) 粘着磨损( 2 ) 磨 料磨损( 3 ) 表面疲劳磨损( 4 ) 腐蚀磨损【2 u 。 粘着磨损的基本概念是:由于粘着作用使材料由一表面转移到另一部分表 面所引起的磨损1 2 2 1 。物体表面都存在一定的粗糙度,所以即使两个表面光滑的 物体接触,其实际接触面积也很小。在外力的作用下,接触点将产生很高的压 力,以至于超过材料本身的屈服极限,从而产生塑性变形。在能够
41、产生高温的 情况下如:高速运动,重载和摩擦剧烈的地方金属直接接触,表面点可能软化 或者融化产生“热粘着“ 形成粘结点,在之后的反复运动中,上述过程重复进 行,热粘点不断的形成脱落,于是就发生了材料的转移,此现象叫做粘着磨损 1 2 引。粘着磨损根据破坏程度不同可以分为轻微磨损、涂抹、划伤、交合、与咬 死等几种破坏形式,这些形式主要取决于粘结点的强度和两表面金属强度之间 的关系1 2 训。总之粘着磨损的过程是个相当复杂的过程,其磨损效果和很多因素 有关系。较软的材料比较硬的材料多转移一些,转移后的金属呈现出薄片或者 圆形颗粒状。通过显微硬度仪及结合一些实验可以得出这些颗粒具有较强的硬 度且其内部
42、晶粒很细。另一部分没有转移到表面的脱落的材料则形成了游离的 磨粒,这种磨粒也能引起极大的磨损,其磨损的主要形式是磨料磨损。 2 2 1 磨料磨损 在工业中最常见也是破坏力最大的磨损就是磨料磨损,在各个行业中如矿 山机械,农业机械,电力机械,工程运输等磨料磨损是主要的失效形式。据有 关数据统计磨料磨损造成的损失占整个磨损造成损失的5 0 【2 引。无处不在的磨 料物质,是磨料磨损危害力大的主要原因,这些磨料物质如二氧化硅、氧化铝 和氧化铁等。含有大量尘埃的空气一旦进入摩擦副就会对磨损产生很大的影响。 通常磨损分为以下三类:( 1 ) 凿削式磨料磨损,主要的表现形式是,磨料具有 华北电力大学硕十学
43、位论文 量璺舅曼皇曼曼皇曼曼曼曼鼍n:- 曼曼曼皇曼舅舅曼曼吕 较高的动能,能够对表面产生强大的冲击应力,从而使金属表面大量金属脱落, 留下较深的沟槽。( 2 ) 擦伤式磨料磨损,这种磨损动能较低,产生的局部应力 也较低,只能在材料表面产生较轻微的擦伤。( 3 ) 轧碎式磨料磨损,这种磨损 也是一种高应力磨损如钢球磨损。在轧碎式磨料磨损中压力载荷超过了压溃强 度后,对于塑性材料将产生塑性变形,对于脆性材料将使材料的表面产生剥落 现象。需要指出的是上述磨损形式有可能同时出现在一个零件上,只是有的磨 损形式占主要作用。 2 2 2 腐蚀磨损 在摩擦副工作的时候,金属表面与周边坏境介质发生化学或者电
44、化学反应, 产生的生成物,在摩擦的过程中由于机械作用使其脱落。这种以腐蚀为主导作 用的磨损叫做腐蚀磨损。如果周围是高温,高湿度特别是有腐蚀气氛的环境, 腐蚀磨损有可能产生较高的危害。腐蚀磨损的化学过程和机械过程是交替进行 的而且相互促进。首先通过化学作用对金属表面产生腐蚀,生成腐蚀产物,然 后由于机械作用的摩擦使其脱落。因摩擦材料,周围介质气氛,和介质在金属 表面上造成的腐蚀情况不同,可将腐蚀磨损分成以下四种类型:1 氧化磨损2 微动腐蚀磨损3 氢致磨损4 特殊介质腐蚀磨损【2 引。 2 2 3 冲蚀磨损 , 人们能够通过认识冲蚀磨损来指导选择耐磨材料和采取有效的耐磨措施, 其根本点还是对冲蚀
45、磨损机理的研究。到目前为止人们对低角度的冲蚀磨损机 理进行了不少的研究,但是还没有取得一致性的看法【2 7 】。 1 冲蚀微切削理论 F i n n i e 是第一个根据冲蚀磨损的实验现象和各种结果总结提出了冲蚀磨损 的微切削机理的1 2 引。他认为磨粒就像一把尖锐的切削刀具,在以具有一定初速 度和角度下冲击材料表面,在材料表面划过从而把材料切除。由于这种解释物 理意义明确,同时也因为根据这种机理所提出的实验模型得到一些实验现象的 进一步验证,因此它在其后的2 0 年中得到了许多冲蚀磨损研究者的赞许【2 9 J 随 着电子科学技术的不断发展,电子显微镜极大的开阔了人类的视野,这样就使 冲蚀的微观形貌,得以在人们面前以宏观的图片展示,同时人们也看到了切削 磨损产生的磨屑。材料的切削痕迹是F i n n i e 的冲蚀磨损理论的有力证明。大量 的实验证明F i n n i e 的冲蚀微切削理论在解释冲蚀角较小的情况下是比较准确 华北电力大学硕十学位论文 的,但是在解释较大的冲蚀角的金属磨损时还是有很大的缺陷的。 2 变形磨损理论 1 9 6 3 年B i t t e r 提出冲蚀的变形磨损理论,
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