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电厂烟囱用薄复层钛钢复合板的工艺研制及应用前景
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      钛是诞生于上世纪的新金属,钛在地壳中的含量极为丰富,位居Fe、Mg、Al之后的第四名,因其密度小、导热系数低、耐腐蚀、耐低温高温性能好等特性,作为一种新型结构金属被广泛应用于航空、航天、化工、石油、冶金、电力、建筑、生活日用品等领域,钛的需求及应用领域和范围还将日益扩大,被誉为“第三金属”“智慧金属”“战略金属”,随着我国国民经济的强劲增长,钛金属的应用范围还将不断拓展。

     近年来,钛在民用领域的应用迅速扩大,然而由于其较高的价格,需要大量的资金投入,限制了其在相关产业中的发展,而以钛做为复层的金属复合板,以其经济的价格和优良的防腐耐蚀性能已越来越受到众多用户的青睐。应用领域被迅速拓宽,在石油、化工、冶金、制盐、电力等众多行业得到了广泛使用,充分弥补了钛材在价格上的劣势,为钛及钛复合材的应用开辟了新天地,为众多设备制造及使用厂家选材提供了新的思路。

1、薄复层钛钢复合板在电厂烟囱领域的应用

    近年来,我国电力建设得到迅猛发展,随着国家环保标准的逐步提高和大众环境意识的增强,国内新建火力发电厂工程都要求进行烟气脱硫处理,电厂烟气湿法脱硫系统成为国家“十五”规划的重点环保领域。目前执行的国家新环保规定中,要求新建火力发电厂工程必须同时安装烟气脱硫设施,薄复层钛钢复合板在电厂烟囱领域的使用,为电厂烟囱的防腐设计提供了新的思路和经验,并取得了巨大的经济效益。

1.1湿法脱硫系统的烟气特点及腐蚀环境

    目前,国内采用的烟气脱硫处理通常是选用石灰石湿法脱硫处理方案,进行湿法脱硫处理后的烟气,水分含量很高,湿度大,温度低,易于出现烟气结露现象,烟气结露后形成具腐蚀性的水液,主要依附于烟囱排烟筒内侧壁流下来至专设的排液口再排到脱硫系统的废液池中。进行湿法脱硫处理后的烟气中还含有氟化氢(HF)、氯化物等强腐蚀性物质,烟囱内形成了腐蚀强度高、渗透性强,且较难防范的低温高湿稀酸型腐蚀环境,烟气脱硫后,对烟囱的腐蚀隐患并未消除,相反,脱硫后的烟气环境,低温高湿可能会使烟囱的腐蚀环境进一步恶化。按照“国际工业烟囱协会(CICIND)”的设计标准要求,燃煤电厂排出的烟气,经脱硫后,烟气湿度增大,温度降低,使烟气中单位体积的稀硫酸含量相应增加,其烟气通常被视为“高”化学腐蚀等级,即强腐蚀性烟气等级,因而电厂烟囱应按强腐蚀性烟气等级来考虑选材。

1.2钢内筒与砖内筒结构的经济性比较

    实现烟囱的防腐蚀设计制造是火力电厂配套设施的重要工程,从国外烟囱的设计资料看,湿法脱硫烟囱其结构形式多采用套筒式和多管形式,且以钢内筒多管式烟囱为主,砖内筒结构不多。

对于钢内筒结构,在烟气湿法脱硫(无GGH装置)的情况下,国际工业烟囱协会在其发布的《钢烟囱标准规程Model Code For Steel Chimneys》(1999年第1版)中建议采用普通碳钢板在内侧(与烟气接触侧)增加一层非常薄的合金板或钛板的方法进行防腐。对于砖内筒材料(加设GGH装置),采用自承重结构体系,且对砖和胶泥提出了很高要求,即必须是特殊的耐酸缸砖和硅酸钾耐酸胶泥砌筑,一般分两层错缝布置,并设封闭层。比较以上两种结构可发现,钢内筒的材料抗渗密闭性好,防腐性能好,造价稍高。寿命长;而砖内筒材料一次性投资较少,但防腐性、抗渗性、结构性均不及钢内筒,寿命短,且GGH的运行费用,每年的检修维护费用都很高。

1.4 钛钢复合材料在电厂烟囱结构中的应用优势

薄复层钛/钢复合板,材质为TA2/Q235B

其常用规格为: 1.2/12~18×(2000~3000)×(5000~14000)单张复合面积达到35㎡以上。

其主要特点是:

a、价格低廉,钛钢复合板的价格仅相当于纯钛的1/5~1/10;

b、降低了设备制造成本,又延长了使用寿命,节约了稀贵金属;

c、改善了材料的综合性能,解决了强度问题。

    江苏省常熟市华润电力常熟第二发电厂3×600MW超临界燃煤发电机组脱硫岛招标中,业主在综合安全、可靠、持久、适用、经济等方面考虑后,最终舍弃烟气加热系统(GGH)方案,而改用三管烟囱的钢内筒采用Q235B钢板与1.2㎜钛板复合而成的薄复层钛钢复合板方案。通过招标、核算,采用钛钢复合板做内筒的烟囱费用与省下的三套GGH设备费用相当,而节省下来的GGH运行费用,及烟囱的检修、维护费用更为可观,可见烟囱采用薄复层钛钢复合板具有无比的优越性,性价比极好。

     目前国内大部分火力发电厂工程,由于工程优化和降低成本的原因,都希望在满足环保要求的情况下,湿法脱硫系统不设烟气加热系统GGH,而优先选用抗渗密闭性好、整体性强、自重轻、耐腐蚀性高的钛钢复合材料。电厂烟囱在烟气湿法脱硫(无GGH装置)处理情况下,钢内筒采用钛钢复合材料进行防腐设计也是国际工业烟囱协会(CICIND)烟囱设计标准的推荐方案。


目前国内在建和已基本完工的火电厂,上海电力建筑工程公司承建的江苏常熟电厂、江苏太仓港环保发电有限公司、镇江广源电气有限公司高资电厂、广东国华粤电台山发电有限公司、西柏坡第二发电有限公司等都选用钛钢复合板作为烟囱钢内筒防腐材料,从制造、安装及使用的效果进行比较分析看:采用钛钢复合材料后的烟囱综合造价都比原有的烟囱造价加烟气加热系统造价之和要小,并且机组数量多,单机容量大,完全满足了设计要求,经济性高。


2  宝钛复合板公司在轧制生产薄复层钛/钢复合板上的工艺突破:


2.1  复合板生产工艺及特点

    从国内和国际复合板的生产情况看,主要由三条复合板生产工艺,即爆炸复合法、直接轧制复合法、爆炸-轧制复合法。

a、爆炸复合法,直接通过爆炸焊接生产复合板的工艺方法,这种工艺生产的复合板爆炸面积不很大,比较成熟的爆炸工艺复材厚度必须为1.5~12㎜,

面积不大于10㎡,且复板存在拼焊缝;

b、直接轧制复合法,直接通过轧机强大的轧制力生产复合板的工艺方法,这种工艺方法可直接生产出大面积、无焊缝金属复合板,但需选用合适的夹层材料,对轧制力(大于9000t)、加热温度、真空除污、叠合方式等技术要求高,目前国内厂家很少采用此种工艺;

c、爆炸-轧制复合法,先通过爆炸制坯,再将坯料加热轧制生产复合板的工艺方法。这种方法可得到大面积无焊缝薄复层金属复合板,效率高、质量稳定,工艺简便易行,但宽幅轧机是关键设备,否则无法实现。

比较以上三种工艺方法,由于薄复层钛钢复合板生产的工艺特殊性,复层厚度及爆炸板幅面积的限制,只能采取爆炸-轧制的工艺生产。宝钛集团在全国轧制复合板生产上处于明显装备、工艺及加工优势,并一直处于领先地位。

2.2  生产现状及生产潜力

     被誉为“中国钛城”的宝钛集团有限公司,经过近40年的建设和发展,已成为我国唯一的以钛为主的稀有金属材料科研和生产基地。集团现已形成了钛加工材、金属复合材等五条完整的生产线,集团拥有从美、日、德、法、奥等15个国家引进的一大批先进设备,具有较强的生产和技术开发能力,“宝鸡钛”在世界领域享有良好的声誉。

     金属复合板公司是宝钛集团下属的专门从事金属复合板材的开发、研制和生产企业,宝钛集团金属复合板公司是中国最早研制爆炸复合工艺的厂家,其爆炸焊接技术一直在国内处于领先地位。它也是全国唯一一家同时拥有爆炸复合、直接轧制复合、爆炸-轧制复合三种工艺生产复合板能力的企业。利用集团的装备优势和技术支持,特别是德国三米三轧机引进以后,更使宝钛复合材的生产迈上一个新台阶,实现了复合材产业的专业化、规模化生产,现已拥有以钛/钢复合板为主导的多种金属复合材生产线,形成了年产15000吨复合板的生产能力,并在宽幅、超宽幅钛/钢、不锈钢/钢复合板的生产上,取得了明显优势。薄复层钛/钢复合板是公司针对电力烟囱防腐要求引领市场需求而开发研制的新型材料,充分满足了新建火电厂的环保要求。

2.3 宝钛复合板公司在轧制生产薄复层钛/钢复合板上的工艺研制:

     2003年初,宝钛复合板公司在市场调研基础上,即成立工艺攻关组专门负责电力烟囱用薄复层钛/钢复合板的工艺攻关工作。在对三种工艺及装备水平的综合论证,进行了反复试验后,最终确定采用爆炸-轧制的工艺进行试制生产。

  采用工艺流程为: 原料验收-基、复板打磨抛光-爆炸复合-加热轧制-矫直-表面处理-成品检验。

2.3.1  采用爆炸-轧制工艺的不利因素:

    由于爆炸焊接是集压力焊、熔化焊和扩散焊“三位一体”的焊接技术,爆炸焊接时,在结合瞬间钛与钢中元素会在复合界面产生脆性金属间化合物,从而降低了结合强度,更重要的,在加热轧制时,加热会使结合强度进一步降低,加热会使金属间化合物继续生成,加热时间越长,温度越高,界面元素原子扩散愈严重,化合物愈多,轧制又会使金属间脆性化合物破碎,使结合强度显著降低,甚至开裂,这些,都是实行爆炸-轧制工艺的不利因素。

解决办法:为提高爆炸结合强度,阻止两种金属在界面相互扩散生成脆性化合物,参考国内外的生产实践,开发人员提出了在钛钢两种金属间加中间隔离层进行爆炸焊接,中间隔离层必须与钛和钢均能很好的结合。

2.3.2 研制过程:

    采用原材料:纯钛板TA2、钢板Q235B、中间过度层。通过爆炸所制的复合板坯为 85×2800×5200轧制规格:14×2400×28000将爆炸焊接制的复合板坯在电阻炉内加热,加热温度为900~950℃,加热时间为3~3.5h,然后在三米三轧机上进行轧制,确保终轧温度≥750℃。

在试制中,我们主要对炸药、爆炸焊接、加热轧制三个工艺参数进行了选择确定。

第一,炸药的选择。炸药是爆炸焊接的能源,它在外界能量的作用下发生高速化学反映并随即放出大量的热和气体,借助爆炸生成的气体膨胀对周围的物体发生作用,来实现两种金属的冶金结合,根据实践经验,炸药的爆速和布药密度是两个重要参数,爆速是炸药的主要性能之一,而密度则是影响爆速的一个重要指标,在实验中选用岩石2#为基体炸药,为了抑制炸药的猛度,同时为了减轻炸药对材料的破坏力,在岩石2#炸药中加入了一定量的食盐,有效地控制炸药的爆速,将其界定于一个合理的范围内。

第二、爆炸复合:在试验中,主要对一些关键工艺参数,如单位面积药量、间隙、药高进行了选择,利用中间层有效的防止界面生成脆性化合物,提高结合强度,在实验中也达到这一要求。

第三、轧制:将爆炸好的板坯在电阻炉内加热,出炉后在三米三轧机进行轧制,合理分配压下道次量控制板形,快速抢温轧制至成品厚度,保证终轧温度≥750℃,保证板形平直。

     经过了6次试制后,生产工艺趋于稳定,爆炸焊接的结合强度显著提高,进行轧制时通过压下量参数的合理配制,成品板形平直,较为理想,经过热矫直后,板形完全达到了施工要求。对成品进行检测,各项性能指标均超过 GB8547-87标准要求,通过对多批钛钢复合板成品的性能检测,其结合强度、剪切强度得到了显著增强。

由此可见:在钛和钢中间增加一层容易和基复材都能结合的中间层,能有效地抑制复合界面脆性金属化合物的生成,从而使钛钢达到良好的结合,在轧制时,随着变形量的增加,其弯曲性能也相应得到改善,经性能检测表明,试制出的复合板剪切强度远远高于GB8547标准要求,且弯曲性能良好。通过对复合板结合界面金相观察可知:采用这种工艺生产的复合板复合界面较为平直,中间层晶粒无长大现象,且界面无污染、无杂物,说明钛和钢完全达到了冶金结合,是一种理想的结合状态。

   2.3.3 结论

   经宝钛集团大批量的生产证明:

   a、采用爆炸-轧制复合工艺生产薄复层钛钢复合板工艺合理、技术可行,生产效率高;

   b、在钛和钢之间增加中间层的工艺方法提高了复合板的结合强度,使复合板具有良好的延展和弯曲性能;

c、此项工艺研制成功,填补了国内空白,可生产单张复合面积达35㎡的薄复层钛钢复合板,极大地满足了电厂烟囱用复合材料的需要。

从2003年下半年以来,宝钛复合板公司顺利完成试制,开始批量化生产这种薄复层钛钢复合板。

2.4  宝钛复合板公司在生产薄复层钛钢复合板方面具有三大优势:

a、原料供应优势,宝钛复合板公司拥有集团控股的宝钛股份为后盾,能够确保及时获得大量高品质的纯钛板,三米三轧机机列拥有年产10~20万吨钢板和1万吨钛板的生产能力,在国内原料供应持续紧张的情况下,钢材、钛材供应的便利条件确保了公司薄复层钛/钢复合板生产优势;

b、装备优势。公司利用集团的装备、爆破场地以及三米三轧机的轧制优势能迅速实现薄复层钛/钢复合板大规模生产,很好的满足市场需求;

c、技术支持及服务优势。集团拥有完整的钛设备制造生产线,宝钛复合板公司在钛材、钛钢复合材的焊接工艺上具有明显的技术优势,宝钛复合板公司在提供复合材的同时,免费为用户提供技术服务,培训焊接人员,派人现场进行技术指导,解决技术难题,以加快施工进度,保证施工质量。

      目前,宝钛复合板公司已通过招标向江苏常熟电厂、江苏太仓港环保发电有限公司、江苏镇江高资电厂提供了近3000吨钛钢复合板,即将开工的广州台山电厂、河北西柏坡电厂、江苏沙洲电厂的所有烟囱内衬用材也都全部由宝钛复合板公司提供,宝钛复合板公司现已拥有年产8000吨薄复层钛钢复合板的生产能力,完全能够满足国内电力建设需求。

2.5 制造、安装的标准及技术支持

宝钛复合板公司在钛材及薄复层钛钢复合板的制作、焊接方面具有成熟的操作工艺和实践经验,国内有配套完整的钛钢复合材制作、生产、施工和安装标准及规范,宝钛集团针对电力烟囱用钛材及薄复层钛钢复合板的焊接、施工专门编写了《电厂烟囱用钛钢复合板焊接施工指导规范》用以指导现场施工,更好地服务于用户,这都为薄复层钛钢复合板在电力烟囱领域的大量使用创造了条件。

3.  薄复层钛钢复合板在电厂烟囱领域的应用前景展望

     国内电力烟囱的防腐新要求催生了新型的薄复层钛钢复合板,由于薄复层钛钢复合板优良的防腐性能及极高的性价比,它必将在电力烟囱领域发挥自身优势,使用户受益,使社会受益,真正成为绿色环保新材料。宝钛复合板公司在薄复层钛钢复合板的生产方面技术力量雄厚、生产潜力巨大、技术支持完善配套,完全能满足国内电力建设需求。

    随着我国国民经济的持续发展及基础建设对原材料需求不断增长,必将使薄复层钛钢复合材料的应用领域进一步扩大,使这种新型材料焕发出新的生机和希望。

发布于:2012-5-18 已被阅读: 次