资源描述:
2 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增聱j 热喷涂技术在循环经济中的作用 任先京1 ,章德铭1 ,方波2 1 .北京矿冶研究总院,北京1 0 0 0 4 4 ;2 .申簖一航沈阳黎蹈航空发动机 集蕊 有限责任公司,沈芦匿1 1 0 0 4 3 摘熏综述了熟喷涂技术在循环经济中的作用,重点介绍了热喷涂技术对推动我国汽车、电力、葫油化工 和镪铁冶金等领域秘德萱l 经济发曩所发箨豹重要终薅。热唆涂作势零部终嚣镪造豹主要技零筝段,符 合“缀臻经济、可持续发袭”翦基本匿策,其有广麓懿泰甥鞍发蔑前景。 关键词热喷涂技术;循环经济;再制造 中圈分类号T G l 7 4 .4文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 8 S 0 0 0 0 2 0 5 T h eR o l eo fT h e r m a lS p r a y i n gT e c h n o l o g yi nR e c y c l eE c o n o m y R E NX i a n - ji n 9 1 ,Z H A N GD e - m i n 9 1 ,F A N GB 0 2 1 .B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ,B e i j i n g1 0 0 0 4 4 。C h i n a 2 .A v i clS h e n y a n gL i m i n gA e r o - - E n g i n e G r o u p C o r p o r a t i o nL t d .,S h e n y a n g1 1 0 0 4 3 ,C h i n a A b s t r a c t T h er o l eo ft h e r m a ls p r a y i n gt e c h n o l o g yi nr e c y c l ee c o n o m yi so v e r v i e w e d .T h ei m p o r t a n te f f e c t s o ft h e r m a ls p r a y i n gt e c h n o l o g yo np r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to fr e c y c l ee c o n o m yi nd i f f e r e n tf i e l d s ,s u c h a sa u t o m o b i l e ,e l e c t r i cp o w e r ,p e t r o c h e m i c a le n g i n e e r i n g ,f e r r o u sm e t a l l u r g ya n dS Oo n 。a r ei n t r o d u c e d e m p h a t i c a l l y .A st h em a i nr e m a n u f a c t u r i n gm e t h o do fc o m p o n e n t s ,t h e r m a ls p r a y i n gt e c h n o l o g ya c c o r d s w i t ht h eb a s i cn a t i o n a lp o l i c yo f “r e c y c l ee c o n o m ya n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ”,a n dh a sw i d em a r k e ta n d d e v e l o p i n gp r o s p e c t . K e y w o r d s ;T h e r m a ls p r a y i n gt e c h n o l o g y ;R e c y c l ee c o n o m y ;R e m a n u f a c t u r i n g 节约资源,发震循繇经济,保护生态巧境,臻快 建设资源节约型、环境友好蹩社会,促进经济发展与 人口、资源、环境相协调,已经成为我国的綦本国 策[ 1 ] 。改革开放以来,中国经济走上了快速发展的 道路,也西睡着经济发展中如影隧形鲍高消耗、高污 染和资源环境约束离题,我豳拜始寻求经济增长模 式的全面转变,走节约型发展道路。循环缀济是一 种以资源的离效利用和循环利用为核心的新的发展 理念,是兼顾发展经济、节约资源和保护环境的一体 仡战略。它以“减量化、再零l 麓、资源纯”秀琢慰,叛 “低消耗、低排放、高效率”为基本特征,符会可持续 发展理念的经济增长模式,是对“大量生产、大量消 费、大量废弃”的传统增长模掰的根本变革瞳q ] 。全 匿人大常委会刘委受长盛华仁指塞【引“我隧懿循环 作者简介任先京 1 9 5 9 一 ,粥,北京市人.研究员. 经济正处在一个驮理论骚究、战略规鲻蠢生产实黢 转化,从小范围试点和示范向较大藏匿推广的发屣 过程中。” 盒属材料表面性能的破坏是造成金属材料失效 和避翠摄废鳇主要原因,全国每年因腐蚀和磨损所 导致的材料经济损失约占王监G D P 的3 %“ - - 5 %。 采取有效的表面工程手段可减少腐蚀损失1 5 %~ 3 5 %,减少磨损损失1 /3 左右口] 。热喷涂技术是袭 瑟王程领域内赋予材料表面新功麓最有效的技术之 一,通过热囔涂技术对零箨表露进行预强纯爵延长 零部件的使用寿命,降低零部件的使用量,符合“减 量化”的原则;而对磨损的零部件修复,使其获得新 的使用性能,符合“再利用”的原则;采用表面强化和 修复技术,可瑗节约资源、减少蓑} 教瓣繇境懿污染, 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 3 。 符合“资源化”的原则。由此可以看出,热喷涂技术 是金属零部件在制造过程中“降低消耗、降低排放、 提高效率”的重要手段,在循环经济中占据不可替代 的位置。 热喷涂技术是表面工程的重要组成部分,是实 现零件再制造的主要技术手段,通过分析、研究、设 计强化涂层,可最大限度的提高零部件的使用寿命, 充分有效、合理的利用资源,将在汽车、电力、冶金、 石油和机械等工业循环经济领域中发挥节约资源、 节能减排的重要作用I S , 7 ] 。 造的主要技术手段,将发挥举足轻重的作用。 表1汽车发动机再制造的综合效益 T a b l el C o m p r e h e n s i v eb e n e f i to ft h e r e m a n u f a c t u r e de n g i n e s 贡献项目2 0 0 5 ~2 0 1 0 年2 0 1 0 ~2 0 1 5 年2 0 1 5 ~2 0 2 0 年 l 热喷涂技术在汽车循环经济中的作用 2 热喷涂技术在电力循环经济中的作用 先进的汽车零部件中许多部件是通过热喷涂技 术对其表面进行预强化或修复再制造,特别是磨损 的部件经过修复和强化,不但达到了新部件的性能, 而且还超过了新部件。这意味着,如果能继承老产 品附加值的7 0 %,磨损补偿仅需本体材料的1 %~ 2 %,修复的零部件质量和性能就能达到或超过原型 新品,总体成本不超过新品5 0 %。如此迅速的废物 利用,将节能6 0 %、节材7 0 %以上,达到节约资源和 保护环境的目的口] 。 2 0 0 0 年,我国生产的各类汽车为2 0 0 余万辆, 共消耗钢材近2 9 0 万t ,生铁近4 0 万t 。这些车辆将 在2 0 0 8 年至2 0 1 4 年前后进入报废期,如果采用回 收回炉的方式处理废旧汽车,不仅会将可留存的有 用材料付之一炬,造成社会财富的极大浪费,而且也 会给环境造成严重污染。如果其中2 0 %的钢制件、 7 0 %的铁制件成为再制造产品,每年则可节约近5 8 万t 钢材和2 7 万t 铁[ 。] 。根据有关部门统计,截止 到2 0 0 7 年,我国汽车保有量已达到56 9 6 万辆,报 废车辆近3 0 0 万辆。据预测,2 0 1 0 年我国汽车保有 量可能突破80 0 0 万辆,每年报废量将超过4 0 0 万 辆。按照这个趋势测算,到2 0 1 0 年若我国报废车辆 的1 5 %用于再制造,则年均销售额可创3 6 0 亿元, 回收附加值4 9 0 亿元,解决就业1 8 万人,减少二氧 化碳排放量2 3 0 万t [ 1 0 ‘。 其中,发动机再制造,从社会的需求性、技术的 先进性、效益的明显性等几个方面来说,是废旧汽车 产品再制造工程中最典型的应用实例。再制造发动 机的能源消耗只为制造发动机的一半,劳动价值为 制造的2 /3 ,而材料消耗仅为制造的2 0 %。消费者 购买一台性能并不低于新品的再制造发动机,能少 花5 0 %~7 5 %的钱。表1 为汽车发动机再制造的 综合效益分析D ;- 1 2 ] 。其中,热喷涂作为零部件再制 磨损、腐蚀和蠕变是电站设备失效的3 种主要 方式,其导致电站设备的损耗相当可观,特别是这些 设备的材料多为昂贵的合金金属,因此,采用先进的 热喷涂表面强化和修复技术对失效的电站设备进行 绿色再制造就显得迫切而重要。 电厂锅炉“四管” 即水冷壁管、过热器管、再热 器管和省煤器管的总称 ,在冲蚀、磨蚀和高温腐蚀 作用下工作,常因高温腐蚀和磨损而减薄失效,造成 泄露爆管事故。传统的解决办法只有停炉修补,甚 至是大面积换管,这不仅要耗费大量的人力物力,还 要遭受停产带来的损失。采用热喷涂技术对锅炉 “四管”表面进行强化处理,能够延长抗磨寿命2 ~4 倍,有效提高其运行的可靠性和经济性[ 1 s - i s ] 。以目 前我国电厂大型锅炉1 万台、小型锅炉1 0 万台的保 有量计算,如果每年有1 5 %的锅炉“四管”报废并且 用于表面热喷涂修复再制造,则年均锅炉“四管”表 面热喷涂面积约为5 4 0 万平方米,产值近1 5 0 亿元, 年均节约钢材1 3 万t ,年均节电2 3 1 0 8k W h , 年均减少C O 排放1 .1 万t 。表2 为电厂锅炉“四 管”表面热喷涂修复再制造的综合效益分析。 送风机、引风机、排粉风机是电厂燃煤锅炉的主 要设备,而风机叶片是风机的心脏,也是事故最多的 关键部件。叶轮运行时受飞灰颗粒的冲刷和撞击, 并受烟气、水蒸气腐蚀,导致频繁的更新维修并成为 火力发电厂锅炉安全运行的隐患之一。采用热喷涂 技术在叶片表面喷涂防腐、耐磨、抗微振的保护涂 层,是减轻叶片损坏的最有效方法之一[ 16 ‘。另外, 发电机转子轴颈的磨损是电站设备中轴类磨损的一 个典型事例。采用火焰线材喷涂钼合金或电弧喷涂 高铬合金,不仅可以实施现场修复,同时还可以取得 非常好的强化效果。对于一些磨损严重的报废轴类 万方数据 4 有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年增刊 件,经过热喷涂修复后,不仅可以重新起用,其使用 寿命还会成倍延长m ] 。而进行能量转换的汽轮机 由于在高温、高压等苛刻条件下工作,因此极易出现 损伤。采用超音速火焰喷涂技术对汽轮机的一些关 键零部件,如汽轮机轴颈、末级叶片和隔板等进行性 能恢复和提升,不仅可以节约大量资金和原材料,也 可以缓解我国汽轮机供需紧张的矛盾。此外,使用 超音速火焰喷涂技术在阀门密封面喷涂碳化钨合金 涂层来修复、再制造电站阀门,也可获得良好的使用 效果C 1 8 ] 。 表2电厂锅炉“四管”再制造的综合效益 T a b l e2 C o m p r e h e n s i v eb e n e f i to ft h er e m a n u f a c t u r e db o i l e r “f o u rp i p e s ”i np o w e rp l a n t 3 热喷涂技术在石油化工循环经济 中的作用 腐蚀和磨损是危害石油化工设备的主要问题, 伴随我国油气田开发年限和设备使用年限的增长, 因腐蚀和磨损对设备安全稳定运行带来的不利影响 会越来越突出,热喷涂技术在石油化工循环经济中 发挥的作用也日益显著。 石油钻机等设备中的曲轴等磨损后,可采用电 弧喷涂3 C r l 3 涂层或等离子喷涂陶瓷涂层进行修 复,既显著降低成本又能延长设备使用寿命。油田 使用的各类泵的柱塞、缸套、叶轮等零件可采用超音 速火焰喷涂W C 一1 2 C o 或等离子喷涂A l z O 。等来 修复和强化,也可采用电弧喷涂1 C r l 3 钢丝进行修 复。采用热喷涂 喷焊 技术修复后的柱塞使用寿命 优于表面淬火柱塞;油田注水泵电动机及炼油、盐化 系统使用的大功率电动机转子,则可采用热喷涂技 术对其磨损的轴颈部位进行修复。用于炼油厂的烟 气轮机是在带有固体催化剂微粒及有腐蚀介质的高 温烟气流环境下工作,其动、静叶片等零部件易受冲 蚀,使用寿命只有2 ~1 2 个月。若采用等离子喷涂 技术在动、静叶片表面喷涂合金涂层,可提高叶片的 抗冲蚀磨损性能,从而延长烟气轮机的使用寿 命[ 1 引。 对于工作温度达5 4 0 ℃、压力达1 4 0M P a 的含 有腐蚀性砂浆的管道中的金属座球阀,应用超音速 火焰喷涂W C C o 涂层、C r C 3 一N i C r 涂层、F e C r N i M o 涂层或W C N i 涂层,可大幅度改善 球阀的耐腐蚀和耐冲蚀性能,提高使用可靠性和寿 命。对普通抽油杆进行等离子喷涂不锈钢涂层,防 腐性能可与不锈钢抽油杆相媲美,但成本却要便宜 得多。采用热喷涂技术在柱塞表面喷涂A l O 。一 1 3 %T i O 陶瓷涂层制造的抽油泵柱塞,其寿命为传 统柱塞的两倍。爆炸喷涂W C C o 涂层成功地用 于钻头,提高了钻头的抗磨损、抗腐蚀和抗冲蚀能 力;也可采用等离子喷涂工艺在人造金刚石钻头表 面制备复合合金涂层[ 2 引。 由于我国以加工进口原油为主,硫含量较高,液 化石油气球罐的腐蚀破坏及开裂问题备受关注。球 罐本身较高的焊接残余应力是产生裂纹的主要原 因,进而会造成脆性破坏;而球罐大多用于储存易 燃、易爆或有毒的液体或气体介质,其安全使用至关 重要。热喷涂是在焊缝及其热影响区和附近的母材 上喷涂一层电位比基体金属更低的金属,被喷涂上 的金属在介质中成为新的阳极,则可以用牺牲阳极 的方式保护基体金属。我国南京化工学院针对四川 某化工厂的液氨球罐采用金属热喷涂技术进行再制 造,对避免产生应力腐蚀裂纹起到了非常好的效 果‘2 1 1 。 4 热喷涂技术在钢铁冶金循环经济中 的作用 在钢铁企业中,大量设备工件处于高温、高速、 重载荷或腐蚀环境工况条件下运行,因此对钢铁冶 金设备的使用与消耗量巨大,一个大型钢铁企业每 年为此要付出几亿元以上的资金,严重影响着生产 效率的提高和产品的优化。钢铁冶金设备往往需要 承受高温氧化、冷热疲劳与应力变形、钢液和各种渣 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 5 氛导致的化学腐蚀,以及拉坯、牵引等操作对其产生 的摩擦与磨损。这就要求钢铁冶金设备表面需具备 高的机械强度、良好的导热性以及较好的耐磨、耐腐 蚀性能。采用先进热喷涂技术和先进设计与管理方 法,可以使钢铁冶金设备不断得到技术改造,延长 其寿命和报废期限,从而降低新产品制造过程中造 成的能源消耗和环境污染,大量减少了废弃产品对 环境的污染以及处理工业固体垃圾的费用,节能节 材、降低污染和创造更多的利润,并且减少了设备维 修和停机时间,提高了生产效率[ 2 2 - 2 引。可见,热喷 涂技术是实现高效、绿色钢铁发展模式的重要途径。 热喷涂技术主要应用于特殊工况和表面有特殊要求 的场合,典型应用如各种退火炉中的炉底辊、热镀锌 生产线的沉没辊、结晶器短边铜板及冷热轧工艺辊 道。上海宝钢机械厂为此做了许多有益的探索与实 践‘2 引。 钢板表面的氧化物在炉内气氛下会还原成铁, 并粘附在炉底辊辊面上形成积瘤,严重影响钢板的 表面质量。为此,炉底辊采用等离子喷涂具有较高 硬度、耐热性和抗热冲击性能的材料,可适于高达 11 0 0 ℃的炉内气氛。日本钢铁企业应用超音速火焰 喷涂修复退火炉底辊,修复率从2 0 世纪8 0 年代中期 的3 0 %上升到9 0 年代后期的8 0 %,而带钢因结瘤等 引起的次品率则由8 5 %下降到零。输送辊采用火焰 喷焊N i 基系列材料涂层,硬度可达H R C 5 5 以上,涂 层与基体之间为冶金结合,能承受冲击载荷且具有 较高的耐磨和耐蚀性。电镀生产线镀锡和镀锌用的 导电辊,在电镀过程中受到腐蚀、磨损及附着的异物 等影响,其寿命很短,通过热喷涂非晶态涂层可望获 得良好效果。采用热喷涂技术在结晶器表面喷涂自 熔性合金涂层,并辅以增强涂层与基体结合的措施 后,其耐用性为镀铬结晶器的1 0 倍以上[ 2 引。 沉没辊是热镀锌机组的一个重要组成部分,工 作时沉浸在4 6 0 ~4 8 0 ℃左右的锌液中,在钢板的驱 动下旋转,起导向作用。沉没辊受液态锌腐蚀每年 带来的损失是巨大的,例如美国大约有5 7 条连续热 镀锌生产线,由此产生的损失每年高达5 亿美元左 右。根据最新调查显示,2 0 0 6 年中国已拥有热镀 锌板生产线1 8 6 多条,每年造成的经济损失达到十 几亿美元。随着国民经济的持续稳定发展,镀锌板 需求量必将继续增长,抑制或减少腐蚀的发生,可缩 短停产时间、降低维修和更换辊子等费用,节约能源 和改善环境。沉没辊通常采用超音速火焰方法喷涂 对熔融锌和锌铝有较低润湿性、不形成脆性金属间 化合物相且有较高耐磨性的材料∞] 。 5 热喷涂技术在其它再制造循环经济 中的作用 国外从2 0 世纪8 0 年代即开始从事工程机械的 修复再制造,北美的工程机械已经要求全部实现修 复再制造。2 0 0 4 年,我国工程机械保有量为2 0 0 万 台,报废量达8 .7 万台;预计至2 0 1 0 年工程机械的 报废量将达到4 3 万台,2 0 2 0 年将达到1 2 0 万台。 因此,工程机械领域的再制造市场巨大。截止至 2 0 0 5 年底,中国有液压挖掘机2 6 ~3 0 万台,7 3 .5 k W 以上推土机5 .5 ~6 .5 万台,装载机5 0 ~5 5 万 台,平地机1 .4 ~1 .8 万台,铲运机1 .2 ~1 .4 万台, 摊铺机0 .8 5 ~0 .9 万台,压路机8 ~9 万台,轮式起 重机6 .5 ~7 万台,塔式起重机9 ~1 0 万台,叉车3 2 ~3 5 万台,混凝土搅拌输送车3 .2 “ - 3 .5 万台,混凝 土泵车0 .4 ~O .5 万台,混凝土拖泵0 .4 ~2 .8 万台, 混凝土搅拌站0 .6 ~0 .7 万台,电梯及扶梯5 8 ~6 5 万台。此外,工程机械每年的产量与销量都在不断 增长,使得工程机械每年额定报废数量完全可以满 足工程机械再制造市场的原料供应,这就为热喷涂 技术在工程机械循环经济中发挥作用提供了广阔的 发展空间L 2 引。 我国是世界上的机床制造和使用大国,但现有 机床的构成还不合理,与发达国家存在较大的差距。 目前,我国机床保有量为5 5 0 万台,并以每年3 0 万 台的数量递增;但机床数控化率小到3 %,仅为工业 发达国家的十几分之一。据统计,我国每年需要大 修、中修的机床约4 0 多万台,按照报废率为年均保 有量的3 %计算,每年将有1 6 万台机床进入淘汰阶 段[ 27 | 。因此,采用热喷涂技术开展机床装备修复再 制造的市场前景广阔。目前,一个新型航空发动机 需要喷涂的表面达30 0 0 多处,应用主要包括热障 涂层、封严涂层及耐磨涂层。此外,热喷涂技术对于 造纸、印刷、纺织以及生物工程等领域的循环经济发 展也具有重要的推动作用[ 2 引。 总之,“循环经济、可持续发展”是我国下一步经 济发展的方针和国策,发展符合这一战略方针的以 热喷涂技术为代表的表面强化与修复技术,有着广 阔的市场和发展前景。目前我国正处在起步阶段, 是一个非常好的发展时机。因此,应抓住这一时机, 进行科学的规划和布局,迅速提高我国表面强化工 程的综合能力,在国家新的经济增长模式中发挥其 更大的作用。 万方数据 6 有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年增刊 参考文献 [ 1 ] 马凯.贯彻落实节约资源基本国策,加快建设节约型社 会[ J ] .管理与财富,2 0 0 7 , 3 6 9 . 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