火力发电厂输煤系统金属衬板与陶瓷衬板性能对比与选型探究

孟立军，张孟昆

（国能粤电台山发电有限公司，广东 台山 529228）

1 前言

火力发电厂输煤系统落煤管工作时长时间受到煤流冲击、摩擦，因此内部需要加装耐磨衬板防止煤流磨穿管壁，造成撒漏煤，因此，衬板的耐磨性能尤为重要，作为易损件，衬板的消耗量十分巨大，常用的落煤管衬板有金属衬板和陶瓷衬板。本文将对比金属与陶瓷2 种材质的衬板的特性，结合国能台山电厂输煤系统具体工况如磨损介质硬度及性质、冲击力高低、腐蚀情况等现场实际，对比分析2 种材质的衬板在不同使用场景下各自优缺点，为同行在衬板选型上提供参考借鉴。

2 磨损机理及影响因素

磨损是一种常见的零件失效基本类型，磨损是指物体或零件相互接触并相对运行的系统中发生的一种现象，导致材料接触面物质的脱落或位移。在微观上磨损主要表现为4 种机制，分别为（a）犁沟、（b）切削、（c）疲劳、（d）启裂。根据磨损形式不同又可分为黏着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损、微动磨损、冲击磨损与磨蚀等，本文所探讨的输煤设备衬板的磨损情况，主要磨损形式有煤流与衬板间的磨粒磨损与磨蚀，以及煤中夹杂的石块铁块等异物造成的冲击磨损。

材料硬度是影响耐磨性的重要指标。当耐磨材料硬度Hb 与磨料硬度Ha 比值Hb/Ha 大于1.25 时，磨损很慢，当比值Hb/Ha 介于0.80～1.25 之间时，磨损逐渐加快，当比值Hb/Ha 小于0.80 时，将出现高速磨损。此外，影响耐磨性的另一个重要因素是材料的韧性，尤其是对于冲击力较大的场合，高的韧性能够有效降低材料表面裂纹的产生与扩散，从而有效抵抗冲击磨损。不同工作环境下，耐磨衬板磨损速度有所不同，有研究表明，湿态及腐蚀状态下的耐磨材料，较干态下磨损加剧明显，2 种因素相互促进加速磨损进程，尤其对于硬度及屈服强度不足的材料，磨料在耐磨材料表面更容易划出沟槽，使材料表面出现极大的应力集中，在腐蚀环境下易出现应力腐蚀，从而加剧磨损，因此，保证材料的硬度与屈服强度是对抗腐蚀的重要前提。

综上所述，并结合输煤设备现场使用实际，可得出评价衬板耐磨性指标主要为材料的硬度与屈服强度、材料的韧性、耐腐蚀性能。

3 衬板简介

3.1 金属衬板

目前常用的金属衬板材料为合金白口铸铁、奥氏体钢和低中合金钢。铸铁中常见的有普通白口铸铁，碳含量达到3.5%时，硬度可以达到600HBW，其优点为价格低廉硬度高，缺点是韧性差，且不能做成薄细长的形状，在落煤管中已经很少使用。

在铸铁中加入金属元素铬，可有效降低材料的脆性，提高耐磨性能，根据铬含量可分为低铬铸铁、中铬铸铁以及高铬铸铁，低铬铸铁含铬量为1%～5%范围内，其价格低廉，但只适用于较低冲击载荷的场所，中铬铸铁含铬量为5%～10%之间，可应用于中等冲击载荷场所，具有一定的耐蚀性，其中高铬铸铁为最为常见的铸铁衬板材料，其铬的含量一般大于12%，具有良好的硬度、耐蚀性以及抗氧化性，但即使是高铬铸铁材料，其低韧性、较高的成本以及湿态磨损寿命较低等缺点也限制了其应用范围，现在主流的金属耐磨衬板材质为铸钢类。

常见的耐磨铸钢可分为锰钢与铬钢，其综合耐磨性能优于铸铁。按合金含量可再细分为奥氏体中锰钢、奥氏体高锰钢，马氏体中铬钢、马氏体高铬钢，2 种基体是由于不同的热处理工艺所导致的。高锰钢为碳含量0.9%～1.4%、锰含量10%～15%的奥氏体钢，高锰钢有良好的韧性与加工硬化性能，在强烈的冲击载荷下表面硬度可以达到500HBW 以上，并且心部保持良好的韧性，适用于高冲击载荷的场所，在输煤系统通常不会用作落煤管中的衬板。高铬合金耐磨钢中碳含量为1%～2%、铬含量10%～15%的马氏体钢，其韧性显著优于高铬铸铁，且硬度较高，因此受到广泛的应用。

中低合金钢为了提高衬板硬度，使用合金材料取代部分碳作为钢的强化元素，制成稀土耐磨铸钢，硬度可达到HRC50，可用于制作耐磨衬板和碎煤机环锤。低中合金钢衬板组织类型为马氏体、马-贝、贝氏体等，常用的热处理工艺有水淬、油淬、空淬、等温淬火、分级淬火、亚临界处理等，使用寿命比锰钢衬板有较大幅度提高。

3.2 陶瓷衬板

陶瓷衬板以AL2O3 为主体材料高温烧结而成的陶瓷，通过橡胶与高强度无机粘合剂固定于底部钢板上，钢板再通过螺栓与被保护部位连接，其主体耐磨材料为陶瓷。陶瓷衬板硬度非常大，洛氏硬度可达HRA85-90，理论耐磨性能可达到锰钢的266 倍，高铬铸铁的171.5 倍，但其韧性相对较差，不能承受较大的冲击载荷。陶瓷衬板重量较轻，密度为3.6g/cm3，不及金属衬板的1/2，且表面摩擦系数小，运行时不易粘煤，陶瓷衬板在干摩擦、水润滑、油润滑3 种不同润滑条件下表现出不同的磨损机制与耐磨性能，干摩擦情况下陶瓷衬板表面表现为大量的脆性剥落与磨粒磨损，表面剥落的大块陶瓷颗粒不断被磨成较小的磨粒，加大对材料表面的磨损，而在水润滑与油润滑的工况下，材料表面会形成液体膜，在减轻载荷的同时，陶瓷衬板表面的摩擦因数降至0.1～0.2，且摩擦产生的磨屑能够被水或者油带走，很大程度的减少磨粒磨损，因此衬板表面磨损情况得到很大改善。此外在煤流冲击落煤管时，会产生巨大的噪音，陶瓷衬板上使用的硫化橡胶的消声效果好。

4 金属衬板与陶瓷衬板对比

作为衬板，其耐磨性将作为重点关注的指标，下面我们将围绕材料硬度、韧性、耐腐蚀性能等评价2 种衬板的耐磨性。

4.1 硬度

金属衬板硬度介于布氏硬度HBW400-600 之间，陶瓷衬板洛氏硬度可达HRA85-90，在特定情况下洛氏硬度可简单换算为1/10 的布氏硬度，即陶瓷衬板硬度介于布氏HBW850-900 之间，金属衬板中硬度达到HBW600 的为高碳含量的白口铸铁，其硬度虽高却脆性较大，实用价值很低，因此普遍使用的金属衬板布氏硬度介于HBW400-500 之间。陶瓷衬板硬度比金属衬板高80%，硬度是抵抗输煤系统最普遍的磨粒磨损形式的最重要指标，因陶瓷相当高的硬度，磨粒较难在其表面造成切削犁沟等损伤，其在磨粒磨损测试中，表现远超过所有常见的金属衬板，表现最好的堆焊类衬板对磨粒磨损下的磨损寿命为30h/mm,而陶瓷衬板则为50h/mm 以上,而磨粒磨损为输煤系统最为常见的磨损形式，说明陶瓷衬板在输煤系统工作环境下耐磨性能远好于金属衬板。

4.2 韧性

材料的韧性决定其抗冲击性能，作为衬板，在电厂燃煤输送的过程中，因落煤管较大的高度差或煤中含有杂物等，不可避免的将对衬板造成冲击，输煤系统运输的物料是煤炭，硬度较小，工况主要是滑动摩擦，冲击较小，即使落差大，也远远达不到碎煤机、磨煤机等设备的冲击力，金属衬板中的铸钢类衬板相较于陶瓷都具有较高的韧性，在相关的抗冲击测试中，金属衬板均表现为韧性内陷式压痕，而相同测试条件下陶瓷衬板则呈现出明显的非韧性压痕并伴随有明显的裂纹，结果表明金属衬板抗冲击性能好于陶瓷衬板。

4.3 耐腐蚀性能

衬板在输煤系统的使用环境中呈弱酸性，根据磨损理论，腐蚀环境下金属衬板的腐蚀将极大地促进磨损的进程。本电厂所处为沿海区域，空气湿度大，存在严重的盐雾腐蚀作用，盐雾中的氯离子能够穿透金属氧化层和防护层与内部金属发生电化学反应。金属衬板在磨粒磨损过程中，磨粒在金属表面犁沟、切削，使材料堆积产生较大的应力集中，材料表面化学位较高容易受应力腐蚀。此外，在磨损出的新金属表面与旧的钝化层之间也存在极电位差，金属多项组织中相与相之间、晶粒与晶界之间均存在电极电位差，这些都是金属发生电化学腐蚀的因素。以上介绍的腐蚀类型多为电化学腐蚀，相关研究表明，陶瓷的耐电化学腐蚀性能比钢高3 个数量级，因此，在沿海地区，使用陶瓷衬板将极大地减少盐雾腐蚀的危害。金属衬板想要增强抗腐蚀性能，应该选用单相组织的合金，并尽量提高材料的电极电位；减少材料内的杂质含量净化晶界；尽可能提高表面硬度以减少表面犁沟切削等损伤，降低应力集中减少应力腐蚀。

结合上述对比，我们可以得出以下结论，陶瓷衬板在对抗输煤系统中常规磨粒磨损的能力，以及耐弱酸性、盐雾环境腐蚀性远好于金属衬板，而在特殊的冲击载荷或剧烈震动的工况下陶瓷衬板由于其脆性，容易产生裂纹而发生失效，因此在常规落煤管中可选用陶瓷衬板提高设备寿命，大冲击力设备则应选用金属衬板。

5 结语

本文介绍了磨损机理在微观上4 种表现形式，硬度、韧性以及耐腐蚀性等对材料耐磨性的影响，2 种材质的耐磨衬板中，陶瓷衬板在对抗输煤系统常规磨粒磨损的性能远高于金属衬板，而在大的冲击载荷以及强烈振动的工况下不如金属衬板，因此常规落煤管选用陶瓷衬板效果更佳。金属衬板虽具有较好的加工性能，使用寿命与材料利用率却不及陶瓷衬板，综合来看，陶瓷衬板更换频次小于金属衬板，且具有较好的降噪性能，应用前景广阔。