1、第一章 緒論1.1 課題來源鍋爐高、低溫過熱器和再熱器受飛灰磨損及管面腐蝕引起的爆管和泄漏是我國電力鍋爐在運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生的事故之一。國內(nèi)外雖然經(jīng)過多年的研究，但是至今為止仍沒有從根本上解決這一問題，鍋爐管磨損爆管在不同容量的鍋爐均有發(fā)生，嚴(yán)重影響電廠機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。飛灰磨損是常見的造成鍋爐管面腐蝕的重要原因，行業(yè)內(nèi)這樣定義飛灰磨損Si02、Al2O3、 Fe203飛灰中含有等硬顆粒，這些硬質(zhì)顆粒高速?zèng)_刷電廠鍋爐管子管表面，使得鍋爐管管面磨損，最終造成鍋爐管爆管和以下幾個(gè)方面的是使鍋爐管產(chǎn)生失效的主要原因。Si02、Al2O3、 Fe203 等硬顆粒夾帶在燃煤鍋爐飛灰中；煙氣含灰濃度分布不均，局

2、部灰濃度過高；局部煙氣速度過高，如積灰時(shí)，煙氣通道變小，煙氣或管子的整體煙速偏高。速度得以增大；以鍋爐管面腐蝕為例進(jìn)行分析。當(dāng)燃用含有一定量硫、鈉和鉀等化合物的燃料時(shí)，在 550700的金屬管壁上還會(huì)發(fā)生高溫腐蝕，在過熱器與再熱器受熱面中易發(fā)生的主要是高溫腐蝕。受熱面管子磨損程度在同一煙道截面和同一管子圓周都是不同的。當(dāng)燃用 K、Na、S 等成分含量較多的煤時(shí)，灰垢中 K2S04 和Na2S04；在含有 SO2的煙氣中會(huì)與管表面氧化鐵作用形成堿金屬復(fù)合硫酸鹽K2Fe(S04)5 及 Na5Fe(S04)5，這種復(fù)合硫酸鹽在 550710范圍內(nèi)熔化成液態(tài)，具有強(qiáng)烈腐蝕性，在壁溫 600700時(shí)腐

3、蝕最嚴(yán)重。本文對(duì)鍋爐管高頻熔覆感應(yīng)加熱機(jī)理、熔覆系統(tǒng)及熔覆工藝進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)制造出具有精確進(jìn)給和穩(wěn)定進(jìn)給能力的高頻熔覆數(shù)控機(jī)床和可對(duì)高頻熔覆過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制的高頻熔覆控制系統(tǒng)，同時(shí)將熔覆機(jī)床系統(tǒng)和熔覆檢測(cè)控制系統(tǒng)整合集成以對(duì)鍋爐管進(jìn)行高頻感應(yīng)熔覆及對(duì)熔覆過程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)為一體的完善系統(tǒng)，并進(jìn)行相關(guān)的熔覆實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化工藝參數(shù)。該系統(tǒng)集熔覆、檢測(cè)、控制于一體，對(duì)提高鍋爐管高頻熔覆效率具有重要意義。為實(shí)現(xiàn)在鍋爐管表面熔覆耐熱、耐蝕、耐磨、耐高溫且與管基體冶金結(jié)合的合金層，課題組研制了一套鍋爐管高頻熔覆設(shè)備。它主要由以下 9 個(gè)主要部分組成：高頻感應(yīng)加熱電源、高頻熔覆頭、數(shù)控熔覆機(jī)床、適用于送粉熔覆工

4、藝的送粉系統(tǒng)、高頻熔覆熔池溫度檢測(cè)系統(tǒng)、高可靠性的運(yùn)動(dòng)數(shù)字控制系統(tǒng)、人機(jī)交互數(shù)控操作柜、鍋爐管高頻熔覆構(gòu)及原理圖如圖 1-1 所示。材料和工藝數(shù)據(jù)庫等。其系統(tǒng)結(jié)1.2 表面改性技術(shù)磨損、腐蝕和斷裂是機(jī)械零件、工程構(gòu)件的三大主要破壞形式，其中由于磨損、腐蝕導(dǎo)致的構(gòu)件失效與相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)損失占非常大的比例1。有關(guān)研究表明，工件表面的磨損和腐蝕造成的損失約占國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的 2%-4%2。一般情況下，磨損和腐蝕都是發(fā)生于基體表面的材料損耗，而且其他形式的機(jī)件失效有很多是從表面開始的，采用表面防護(hù)措施即表面改性技術(shù)延緩和控制機(jī)件失效，成為解決上述問題的有效方法。表面改性技術(shù)通過對(duì)基體材料表面采用化學(xué)的、物

5、理的方法改變材料或工件表面的化學(xué)成分或組織結(jié)構(gòu)以提高機(jī)械零件的材料性能。常用的基材表面形成合金保護(hù)層的表面強(qiáng)化技術(shù)有電鍍、化學(xué)鍍、熱噴涂、噴焊、熔覆等這些用以強(qiáng)化零件或材料表面的技術(shù)，賦予零件耐高溫、防腐蝕、耐磨損、抗疲勞、等各種新的特性，使原來在高速、高溫、高壓、重載、腐蝕介質(zhì)環(huán)境下工作的零件，可靠性得到增加了、使用 延長(zhǎng)，表面強(qiáng)化技術(shù)具有很大的經(jīng)濟(jì)意義和推廣價(jià)值3。電鍍工藝對(duì)工件表面有一定的要求，首先要對(duì)工件表面進(jìn)行整平、脫脂、酸洗（除銹）、浸蝕等處理，然后才能采用合適的電鍍液進(jìn)行電鍍。因而電鍍對(duì)象選擇有很大的局限性?，F(xiàn)在單金屬電鍍中鍍鎳、鍍鉻、鍍鋅、鍍銅、鍍錫等這些材料的電鍍工藝相對(duì)比較

6、成熟?；瘜W(xué)鍍也稱為無電解鍍，是一種不使用外電源，而利用還原劑使熔液中的金屬離子在基體表面還原沉積的化學(xué)處理方法。化學(xué)鍍工藝不包含如電鍍工藝所涉及到的直流電源設(shè)備部分，因而其前處理工藝比較簡(jiǎn)單，故化學(xué)鍍工藝可以應(yīng)用于金屬或者非金屬材料的鍍覆。因?yàn)榛瘜W(xué)鍍不使用外電源，可以不考慮電流分布的影響，所以在形狀復(fù)雜的零件表面，照樣也能獲得厚度均勻的鍍層，而且本身還原劑的催化作用，可以得到任意厚度的鍍層，重復(fù)鍍雙層時(shí)也有很高的結(jié)合力。鍍層幾乎沒有孔隙，致密性良好；鍍層硬度高、耐蝕性和耐磨性強(qiáng)。但是，渡液中氧化劑和還原劑同時(shí)存在，化學(xué)鍍過程中沉積速率慢、工作溫度高，所以化學(xué)鍍耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，熱影響區(qū)大4。熱噴涂工

7、藝對(duì)工件基體的熱影響較小,但是熱噴涂制得的涂層結(jié)合力低,因而耐磨性差，同時(shí)涂層孔隙率高,使得耐腐蝕性受到影響5。噴焊的涂層與基體形成一定程度的冶金結(jié)合，因而結(jié)合力高，但由于噴焊對(duì)基體的熱影響非常大、噴焊還存在涂層氧化燒損嚴(yán)重、涂層質(zhì)量易受人為組織變化和形變要求很小的場(chǎng)合5, 6。影響等問題，因而較難用于對(duì)熔覆就是將合金粉末（Ni 基、Co 基、Fe 基）用某種粘結(jié)劑（玻璃、松香、油脂等）調(diào)和后，均勻地涂覆在基體表面，然后放入烘烤箱烘干，再使用某種高溫源進(jìn)行熱處理，使得合金粉末熔化，最終合金粉末與基體形成一種冶金結(jié)合。對(duì)比傳統(tǒng)的表面淬火、表面滲碳等工藝，表面熔覆具有以下優(yōu)良特點(diǎn)：表面熔覆工藝處理

8、過的工件，其表面涂層具有硬度高、耐磨性良好、耐腐蝕性優(yōu)良，而且涂層與基體間搭接屬于牢固的冶金結(jié)合，這樣使工件韌性高而表層具有高耐磨高耐蝕的特點(diǎn)。感應(yīng)熔覆工藝不僅使工件的制造成本大大降低，也能更好地滿足使用要求7,8。1.3 熔覆處理技術(shù)熔覆技術(shù)較多，根據(jù)加熱方式不同，熔覆方法可以分為氧-乙炔火焰熔覆、氬弧熔覆、激光熔覆、等離子熔覆、感應(yīng)熔覆等幾種9。1.3.1 氧-乙炔火焰熔覆及氬弧熔覆氧-乙炔火焰熔覆由于氧-乙炔火焰的溫度太低（小于 3000）,高溫區(qū)域比較窄，熔覆時(shí)輸入能量相對(duì)較小，不能滿足熔覆工藝特殊的要求，目前主要用于噴入后重熔處理。氬弧熔覆熱量集中，能量密度介于電弧和壓縮弧之間，而且

9、一般實(shí)行手工操作，靈活性高。采用氬弧熔覆的涂層在加熱冷卻過程中無氧化燒損現(xiàn)象。氬弧熔覆技術(shù)是一種實(shí)用性很強(qiáng)的表面強(qiáng)化技術(shù)10。但是由于一般氬弧熔覆是手工操作，熔覆質(zhì)量易受人為影響，熔覆層質(zhì)量不穩(wěn)定。1.3.2 激光熔覆自從 20 世紀(jì)中期激光器的研制成功以來, 激光已在打孔、切割、焊接、熱處理、表面強(qiáng)化、快速成型等領(lǐng)域得到飛速發(fā)展。由于激光表面強(qiáng)化能顯著提高金屬零長(zhǎng)使用表面的硬度、強(qiáng)度、耐蝕性和高溫性能等，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量，延，降低成本，因此激光表面強(qiáng)化在再制造領(lǐng)域備受青睞1113。激光熔覆作為激光表面強(qiáng)化領(lǐng)域的典型技術(shù)，它是利用低廉材料（如 A3 鋼等）作基體，用高功率激光將某種高性能材料

10、熔敷到基體表面，生成一種新型的表面復(fù)合材料。激光熔覆具有對(duì)基材熱影響小，熔覆材料范圍廣，熔覆層與基材結(jié)合強(qiáng)度高，熔覆層硬度均勻、無剝落、無氣孔等優(yōu)點(diǎn)。但是由于激光加工設(shè)備激光器價(jià)格昂貴，一次投入成本太大，CO2 激光器的光電轉(zhuǎn)換效率10%,Nd:YAG 固體激光器光電轉(zhuǎn)換效率 20%左右，半導(dǎo)體激光器的光電轉(zhuǎn)換效率也在 40%上下，激光器整體光電轉(zhuǎn)換效率偏低，以及目前難以實(shí)現(xiàn)大面積快速熔覆工件，使得激光熔覆技術(shù)尚未得到大面積推廣應(yīng)用14。1.3.3 等離子熔覆等離子熔覆需要一種特殊熱源-熱等離子弧。熱等離子弧是二十世紀(jì)三十年代發(fā)展起來的一種新型熱源，它的功率可以大到 150Kw,溫度可高 30

11、000，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為一項(xiàng)完善的技術(shù)，廣泛應(yīng)用與工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。等離子弧的能量介于激光和電弧之間，它比普通電弧更穩(wěn)定、易于控制、容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)、它也沒有激光器價(jià)格昂貴、操作 、需要特殊的防護(hù)15。但等離子熔覆污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)，使其在可持續(xù)先進(jìn)加工技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用受到限制16。1.3.4 感應(yīng)熔覆感應(yīng)熔覆技術(shù)是將電阻率、磁導(dǎo)率與基體材料不同的合金粉末預(yù)先涂敷于基體表面或者用同步送粉器將合金粉末送置于基體表面，當(dāng)感應(yīng)線圈通上交流電，線圈中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，線圈中的工件產(chǎn)生渦流，渦流的趨膚效應(yīng)產(chǎn)生大量的焦，這種電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能，磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為熱能的過程使得合金涂層熔化，感應(yīng)熔覆使得使涂

12、層與基體實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，基體得到強(qiáng)化17,18。感應(yīng)熔覆具有周期短、成本低、操作方便、對(duì)基體熱影響小、獲得的熔覆層硬度、耐磨性和耐蝕性均優(yōu)于其他的方法；且熔覆層成形性好，表面平整，后續(xù)加工量比較少等特點(diǎn)，現(xiàn)已經(jīng)得到大面積推廣和普及19,20。感應(yīng)熔覆可以分為以下四種，如表 1-1 所示高頻感應(yīng)熔覆具有明顯的優(yōu)點(diǎn)21241、加熱速度快，熱效率高；2、不燃燒氣體，基本上不污染環(huán)境；3、 工作環(huán)境好，且成本低，其成本是同等厚度下電鍍硬鉻成本的 1/22/3,激光熔覆成本的 1/5；4、涂層與基體呈冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，沒有夾渣；5、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，便于機(jī)械化和自動(dòng)化；6、熔覆層圓整度高，后續(xù)加工余量小。

13、1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.4.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀近年來，感應(yīng)加熱向著高頻感應(yīng)釬焊、高頻感應(yīng)淬火、高頻感應(yīng)熔覆等方向快速發(fā)展，我國的部分高校以及在這些方面開展了大量的科學(xué)研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國家應(yīng)加熱的原理和特點(diǎn)，分析了高頻感應(yīng)釬焊設(shè)備中的主良的電源及合適的線圈是獲得良好釬焊接頭的前提25。的何鵬等闡述了高頻感參數(shù)，另外強(qiáng)調(diào)優(yōu)工業(yè)大學(xué)的丁毅等采用高頻感應(yīng)釬焊技術(shù)碳鋼/不銹鋼復(fù)合板，并對(duì)三種釬焊溫度（910/930/950）下釬焊接頭的顯微組織進(jìn)行了觀察分析以試分析26。及釬焊接頭組織的化學(xué)成分進(jìn)制造廠的薛忠明等采用 Ag-Cu-Ti 釬料進(jìn)鈦合金與不銹鋼異種金屬組合薄壁小直徑管路結(jié)

14、構(gòu)的真空高頻感應(yīng)釬焊工藝試驗(yàn)研究，研究表明，影響鈦合金與不銹鋼高頻感應(yīng)釬焊接頭質(zhì)量與性能的最主要是釬焊接頭形式27。興平工程管理的楊國正對(duì)高頻感應(yīng)淬火過程中轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)生裂紋的原因進(jìn)行初步分析，加熱溫度過高，使得奧氏體晶粒粗大，導(dǎo)致高頻感應(yīng)淬件淬火開裂，應(yīng)采取措施避免工件加熱溫度過高，如：鍵槽部位填塞紫銅片，增大感應(yīng)圈與臺(tái)階部位間隙等28。遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院的李衛(wèi)民利用有限元ANSYS 對(duì) 45 鋼制軸類零件的感應(yīng)加熱過程進(jìn)行了電磁 / 熱耦合場(chǎng)的模擬分析，得到高頻頻率范圍內(nèi)的感應(yīng)電流透入深度隨頻率變化曲線，并列舉了工件截面節(jié)點(diǎn)溫度隨淬火時(shí)間的變化情況。最后模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行

15、了分析比較，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性29。等采用了高頻和中頻兩種方法在基材 45 鋼淮海工學(xué)院化學(xué)工程系的熔覆 Ni 基合金粉末涂層，并研究了感應(yīng)渦流在涂層中的分布規(guī)律，結(jié)果表明：高頻感應(yīng)比中頻感應(yīng)致熱快，涂層組織更為致密，基體熱影響更小30。中國礦業(yè)大學(xué)的張?jiān)鲋镜妊芯苛烁袘?yīng)熔覆涂層渦流分布規(guī)律，并對(duì)渦流控制方法進(jìn)行了探討，利用 SEM(掃描電子顯微鏡)研究了高、中頻感應(yīng)熔覆涂層和基體顯微組織的變化規(guī)律，結(jié)果表明熔覆前對(duì)涂層進(jìn)行 200預(yù)熱是實(shí)現(xiàn)渦流控制的有效措施31。工業(yè)大學(xué)的賀定勇等采用高頻感應(yīng)熔覆方法，以 Q235 低碳鋼為基體，了不同含量的微米 WC(20wt%、30wt% 、40wt%

16、、50wt%、60wt%)余量為Ni60A 合金復(fù)合涂層，結(jié)果表明當(dāng) WC 含量達(dá)到 50wt%時(shí)，涂層的耐磨性最佳，相對(duì)耐磨性為 Ni60A 涂層的 6.5 倍32。蘭州理工大學(xué)的張新子等針對(duì)冷敷涂層感應(yīng)熔涂的工藝要求，設(shè)計(jì)出幾種涂層保護(hù)配方，得出最佳涂層配合(wt%)為 75%的 SiO2、15%的 B2O3、10%的 Al2O3和 10%的外加物(鋁粉和 MgO 粉)33。礦冶研究總院的張樂等采用四種粘結(jié)劑(松節(jié)油+乙醇、磷酸二氫鋁、A粘結(jié)劑+乙醇、A+B 粘結(jié)劑)將 Ni60 合金粉末預(yù)涂在基材 45 鋼表面。采用高頻感備 Ni60 熔覆層，結(jié)果表明 A+B 粘結(jié)劑可以應(yīng)重熔的方熔覆蓋

17、效果良好的熔覆層，過渡區(qū)呈冶金結(jié)合34。四種粘結(jié)劑重熔時(shí)間及實(shí)驗(yàn)效果如表 1-2 所示。青島理工大學(xué)許福海等，研究了粘結(jié)劑對(duì)高頻感應(yīng)熔覆涂層的影響。結(jié)果表明松香和松節(jié)油的混合物以及水玻璃，都可以作為高頻感應(yīng)熔覆冷預(yù)涂的粘結(jié)劑使用35。備了兩種 Ni45B 合一種基礎(chǔ)上，合金全部青島理工大學(xué)的劉方強(qiáng)等采用高頻感應(yīng)熔覆的方金涂層，方法 A 只在真空箱中感應(yīng)熔覆，方法 B 是熔融時(shí)增加了保溫 10s 這一步驟，結(jié)果表明增加保溫時(shí)間這一步驟可以使過渡層厚度增加(如圖 1-3 所示)，涂層中的各種元素分布更加均勻(如圖 1-4 所示)36。萊鋼粉末冶金的等采用高頻感應(yīng)真空熔覆技術(shù)，鈷基、鎳基合金涂層，并

18、用掃描電子顯微鏡（SEM）觀測(cè)到兩種涂層都很致密；同時(shí)用顯微硬度計(jì)測(cè)量涂層的硬度，表明鎳基合金涂層的硬度要高于鈷基合金涂層的硬度37。的許新軍等采用高頻感應(yīng)熔覆方法在基體為 42o東華大學(xué)機(jī)械圓鋼表面了 0.6mm 厚 WC 增強(qiáng)鎳基合金熔覆層。觀測(cè)了熔覆層的顯微組織，白亮帶形成表明基體和熔覆層呈冶金結(jié)合，WC 增強(qiáng)鎳基合金熔覆層的顯微組織均勻致密、無明顯的氣孔、熔覆層的平均顯微硬度可達(dá) 600700HV0.238。1.4.2 國外研究現(xiàn)狀國外在高頻熔覆方面工作開展的比國內(nèi)早，例如在 20 世紀(jì) 80 年代就開始了高頻熔覆方面的研究。技術(shù)管理中心的H.NAKATA 和T.INOUE 等采用神戶

19、制鋼頻熔鑄技術(shù)進(jìn)行鋼胚熔鑄實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：電磁鑄造技術(shù)有利于鋼胚的成型及減少次表層的開裂和胚體表面39。的 Takuya Tamura 等研究了 Mg 基 AZ31 合金先進(jìn)工業(yè)科學(xué)與在電磁場(chǎng)力作用下微觀凝固成型機(jī)理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在交流電頻率取為 5002000Hz范圍時(shí)，得到的試件的微觀組織晶粒為精細(xì)的等軸晶粒，頻率高于 2000Hz 或者小于 500Hz 得到粗大的組織40。的 Son Jin-Hyug 等對(duì)客車的中心柱進(jìn)行了高頻感應(yīng)加韓國的機(jī)械工程熱實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：由硼鋼制造的中心柱通過高頻感應(yīng)試驗(yàn)，硬度和強(qiáng)度顯著增加41。的 Kim Na-Ri 等研究了通過高頻感應(yīng)加熱快速燒結(jié)韓國金屬T

20、iAl 合金，他們研究了在 2 分鐘內(nèi)用兩種方法快速燒結(jié)TiAl 合金，一種采TiAl 合金粉末，另一種采用的是 Ti 和 Al 研磨粉末。結(jié)果TiAl 合金,得到前者的納米顆粒大小為 40nm，后者為用的粉末是機(jī)械表明用高能球20nm42。楮拉隆可大學(xué)冶金工程系的 T.Umeda 和 P.Thirathipviwat 采用低頻電磁鑄造直徑為 200mm 的 Al-10Zn-2.7Mg-2.3Cu 合金坯，得到的坯料的晶粒精細(xì)，尺寸約 50m，研究表明，低頻電磁鑄造能有效減少鑄造冷卻過程中熱開裂43。1.5 研究?jī)?nèi)容、研究意義及技術(shù)路線1.5.1 研究?jī)?nèi)容具體研究?jī)?nèi)容主要包括如下幾個(gè)方面：建立

21、鍋爐管感應(yīng)加熱數(shù)理模型，分析不同熔覆參數(shù)下鍋爐管高頻熔覆中管壁溫度場(chǎng)變化規(guī)律；鍋爐管高頻熔覆系統(tǒng)及相關(guān)配套設(shè)備（高頻熔覆送粉器、側(cè)向送粉嘴）的設(shè)計(jì)與開發(fā)；開展不同工藝條件下鍋爐管高頻熔覆試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)后的試樣的顯微組織、成分和硬度進(jìn)試分析。1.5.2 研究意義高頻感應(yīng)熔覆技術(shù)處理過的回轉(zhuǎn)體工件具有熔覆層厚度均勻、表面規(guī)整、耐高溫、強(qiáng)度、耐磨和耐蝕性高等特點(diǎn)。國內(nèi)外相關(guān)理論研究與應(yīng)用表明，未來幾年高頻感應(yīng)熔覆技術(shù)將向應(yīng)用開發(fā)方向發(fā)展。鋼鐵、石油化工、冶金礦山、工程機(jī)械及再制造等行業(yè)有大量的柱狀工件表面（如軋輥、抽油桿、截齒、支撐柱、柱塞、軸及重要零表面修復(fù)等）需要強(qiáng)化，發(fā)電廠行業(yè)急需成熟可行的生

22、產(chǎn)制造耐高溫、耐腐蝕、耐磨損的復(fù)合鍋爐管方法和對(duì)現(xiàn)有鍋爐管進(jìn)行強(qiáng)化修復(fù)或再制造工藝。例如鍋爐管的加熱溫度由現(xiàn)有的 500600提高到 700，則電力鍋爐效率提高 25%。高頻感應(yīng)熔覆技術(shù)應(yīng)用于鍋爐管表面強(qiáng)化是當(dāng)前我國電力行業(yè)向著低碳、高效、環(huán)保方向發(fā)展的重要途徑之一。高頻感應(yīng)以得到耐磨、耐蝕、高強(qiáng)度涂層。本文的研究，對(duì)于發(fā)展我國電力工業(yè)、有效降低企業(yè)生成本、提高生率生產(chǎn)效益、節(jié)能減排有重要意義；同時(shí)，對(duì)于建設(shè)資源節(jié)約型，環(huán)境友好型社會(huì)也具有非常重要意義，其應(yīng)用前景、前景十分廣闊。1.5.3 技術(shù)路線試驗(yàn)的工藝流程如圖 1-5、圖 1-6，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究。第二章 高頻感應(yīng)加熱原理2.

23、1 感應(yīng)加熱基本知識(shí)2.1.1 電磁感應(yīng)和法拉第電磁感應(yīng)定律1831 年 8 月，邁克爾.法拉第分別將兩個(gè)線圈纏繞于一軟鐵環(huán)兩側(cè)，其中一組設(shè)為閉合回路，他并將一平行于導(dǎo)線磁針放置于該組導(dǎo)線下端附近，另外一組線圈與電池組相連，當(dāng)開關(guān)閉合，有電源的閉合回路得以形成。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，合上開關(guān)，磁針偏轉(zhuǎn)；切斷開關(guān)，磁針向反方向偏轉(zhuǎn)。這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明感應(yīng)電流存在于在無電池組的線圈中，這就是電磁感應(yīng)，它為以后的一切感應(yīng)加熱奠定了深厚的基礎(chǔ)。電磁感應(yīng)本質(zhì)上就是磁轉(zhuǎn)化成電，電轉(zhuǎn)化成磁的過程。感應(yīng)加熱的原理圖如圖 2-1 所示。從圖 2-1 來看，當(dāng)將通以交流電 I 的感應(yīng)線圈包圍金屬工件時(shí)，相同頻率的交變磁場(chǎng)（磁通

24、量為 ）將會(huì)形成于線圈與工件內(nèi)的空間。在交變磁場(chǎng)的作用下，工件中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) e，工件表面形成渦流。而渦流促使工件發(fā)熱，進(jìn)而工件加熱得以實(shí)現(xiàn)。由法拉第電磁感應(yīng)定律知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) e 的大小為44：由式（2-4）可以得知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與感應(yīng)線圈的圈數(shù) N、磁場(chǎng)變化的頻率 f以及磁通最大值正相關(guān)。感應(yīng)加熱的能量并非通過像傳統(tǒng)熱加工零件與零件相互接觸傳熱的，而是通過被加熱金屬工件與感應(yīng)線圈之間存在的渦流磁場(chǎng)來完成的，因此感應(yīng)加熱方便。其實(shí)在金屬工件加熱過程中，除了工件自身產(chǎn)生的熱效應(yīng)之外，還存在磁滯熱效應(yīng)，一般它的值很小，可以忽略不計(jì)。若被加工的工件和感應(yīng)加圈空隙很小，磁滯損失就更小了，這時(shí)可以認(rèn)

25、為金屬工件吸收感應(yīng)線圈所產(chǎn)生的磁能轉(zhuǎn)化成電能最終由電能轉(zhuǎn)化成焦的全部能量。2.1.2 畢奧薩伐爾定律感應(yīng)加熱時(shí)給感應(yīng)線圈通的是交流電，因而感應(yīng)線圈中的磁場(chǎng)分布是非均勻的。在研究高頻感應(yīng)加熱時(shí)，線圈中的工件的磁場(chǎng)分布情況急需知道，可以利用畢奧薩伐爾定律進(jìn)行推導(dǎo)分析高頻為了確定電流與磁場(chǎng)的關(guān)系熔覆中工件中的磁場(chǎng)分布情況。并建立相關(guān)數(shù)理模型。如圖 2-2 所示，有一半徑為R0，長(zhǎng)為 L0，且通有電流I 載流線圈，線圈的總匝數(shù)為 N，由圓形電流磁場(chǎng)公式：0=0r0真空磁導(dǎo)率（H/cm）； r相對(duì)磁導(dǎo)率；電阻率（cm）；高頻感應(yīng)加熱電源頻率（Hz）。由此電流深度的常用計(jì)算式：2.2.1 鍋爐管高頻感應(yīng)加

26、熱溫度分布鍋爐管在進(jìn)行感應(yīng)加熱時(shí)，其熱量是由鍋爐管的表面向心部傳導(dǎo)，所以鍋爐管的表面與心部存在一定的溫差。特別是在感應(yīng)加熱時(shí)，當(dāng)管的直徑較大，而使用的電流頻率又比較高時(shí)，鍋爐管表面與中心的溫差就很大。為了減小鍋爐管表面與中心的溫差，一方面采用較低的電流頻率以得到較大的電流深度；另一方面是延長(zhǎng)加熱時(shí)間或者使用保溫室進(jìn)行均溫，這將影響到生產(chǎn)率的提高并影響到產(chǎn)品的質(zhì)量與模具的使用。因此，研究中心的溫差，就具有重要的意義。感應(yīng)加熱時(shí)鍋爐管表面與在溫度為 tR，半徑為 R2cm 圓柱體的 R 點(diǎn)上的熱流方程式為45規(guī)傳熱”階段。在已經(jīng)達(dá)到正規(guī)傳熱階段后，即可確定表面溫度 t2 和中心溫度 tc 之間的溫

27、度差。令 R/R2=1 和 R/R2=0，則高頻熔覆中，鍋爐管吸收的有效功率 P（w）為45：A工件的輻射面積（cm2）。總能量守恒：第三章 鍋爐管高頻感應(yīng)熔覆溫度場(chǎng)有限元分析3.1 有限元理論據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，在我國機(jī)械制造業(yè)中，采用有限元開發(fā)和設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品達(dá)到70%以上；在車輛工程、機(jī)械工程、土木工程、航空航天和材料加共等領(lǐng)域中，中，約有 90%以上，有限元方法起了決定性從事工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化、材料宏微觀模擬等各類工作和采用有限元方法作為分析工具，并且有 80%以上的作用；從以上可以看出，有限元方法已經(jīng)成為各個(gè)方面廣泛使用的工具。而近年（如 ansys）的普及，有限元分析已經(jīng)成為設(shè)計(jì)來，由于有限元分

28、析商業(yè)化廣泛使用的通用分析工具47。在數(shù)學(xué)中，有限元法（FEM，F(xiàn)inite Element Method）是一種為求得偏微分方程邊值問題近似解的數(shù)值技術(shù)。它通過變分方法，使得誤差函數(shù)達(dá)到最小值并產(chǎn)生穩(wěn)定解。類比于連接多段微小直線近圓的，有限元法包含了一切可能的方法，這些方法將許多被稱為有限元的小區(qū)域上的簡(jiǎn)單方程聯(lián)系起來，并用其去估計(jì)更大區(qū)域上的復(fù)雜方程。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的(較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問題被較簡(jiǎn)單所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問題

29、難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析。有限元法分析計(jì)算的思路和做法可歸納如下：物體離散化將某個(gè)工程結(jié)構(gòu)離散為由各種單元組成的計(jì)算模型，這一步稱作單元剖分。離散后單元與單元之間利用單元的節(jié)點(diǎn)相互連接起來；單元節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、性質(zhì)、數(shù)目等應(yīng)視問題的性質(zhì)，描述變形形態(tài)的需要和計(jì)算精度而定（一般情況單元?jiǎng)澐衷郊?xì)則描述變形情況越精確，即越接近實(shí)際變形，但計(jì)算量越大）。所以有限元中分析的結(jié)構(gòu)已不是原有的物體或結(jié)構(gòu)物，而是同新材料的由眾多單元以一定方式連接成的離散物體。這樣，用有限元分析計(jì)算所獲得的結(jié)果只是近似的。如果劃分單元數(shù)目非常多而又合理，則所獲得的結(jié)

30、果就與實(shí)際情況相符合。涉及到復(fù)雜幾何形狀、載荷以及材料特性問題時(shí)，一般情況下都不能得到解析形式的數(shù)學(xué)解答。由數(shù)學(xué)表達(dá)式表示出的形式的解答，得到物體內(nèi)任何位置所要求的未知量的數(shù)值，因此，對(duì)于物理中無限多個(gè)位置是可靠的。這些通常要求解常微方程或者偏微分方程，對(duì)于復(fù)雜的幾何形狀、載荷和材料，通常得不到解，所以需要靠數(shù)值方法，例如通過有限元的數(shù)值計(jì)算方法，可以接受的解答很容易求出。求解一個(gè)問題時(shí)，采用的有限元方法關(guān)鍵在于求解連立的代數(shù)方程組，而非求解微分方程。連續(xù)體中多個(gè)離散點(diǎn)的未知量的近似值在這些求解數(shù)值中得以很好的體現(xiàn)。所以在模擬物體時(shí)，這個(gè)過程是將一個(gè)物體劃分成等價(jià)系統(tǒng)，而這個(gè)等價(jià)系統(tǒng)是由小的物

31、體或者單元（有限元）組成，這些所劃分的單元通常連接兩個(gè)或者連接的，劃分的也可以與邊界線或者表面相互連接，這一個(gè)過程叫做離散化。有限元方法本質(zhì)是代替一次求解整個(gè)物體，每一個(gè)有限單元方程得以建立，并且最后把這些方程進(jìn)行組合，得出整個(gè)物體的解答47。有限元方法是解決工程問題和數(shù)學(xué)物理問題的數(shù)值方法。有限元方法可以解決有關(guān)工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的典型問題，包括結(jié)構(gòu)分析、熱傳導(dǎo)、質(zhì)量傳輸、電磁電位和熱傳導(dǎo)47?？傊Y(jié)構(gòu)問題的求解，通常是確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移和承載結(jié)構(gòu)的每個(gè)單元的應(yīng)力。在非結(jié)構(gòu)問題流體壓力。點(diǎn)未知量可以是流體產(chǎn)生的溫度或者熱流或者3.2 有限元ANSYS 介紹ANSYS 程序是大型通用有限元。它

32、融結(jié)構(gòu)、流體、熱、電磁、聲學(xué)于一體，可廣泛應(yīng)用于石油化工、鐵道、核工業(yè)、機(jī)械制造、航空航天、電子、能源、造船、汽車交通、工、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該可在大多數(shù)計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)運(yùn)行，從 PC 到工作站直至巨型計(jì)算機(jī)，ANSYS 文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作上均兼容；該基于 Motif 的菜單系統(tǒng)使用戶能夠通過框、下拉菜單和子菜單進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和功能選擇，此舉大大方便了用戶的操作。世界上最大的有限ANSYS 公司開發(fā)了 ANSYS，ANSYS 能與多數(shù)CAD元公司之一的接口，并且它們之間可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí) CAD 工具中 AN

33、SYS 起了關(guān)鍵作用，截至目前世界范圍內(nèi)唯一通過 ISO9001 質(zhì)量體系認(rèn)證的分析設(shè)計(jì)類 就只有 ANSYS。與其他的有限元計(jì)算 相比，ANSYS 具有以下技術(shù)特點(diǎn)：能實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)及多場(chǎng)耦合功能；集前后處理、分析求解及多場(chǎng)分析于一體；獨(dú)一無二的優(yōu)化功能，唯一具有流場(chǎng)優(yōu)化功能的 CFD；具有強(qiáng)大的非線性分析功能；具備快速求解器；最早采用并行計(jì)算技術(shù)的 FEA；無論是微機(jī)還是工作站、大型機(jī)甚至巨型機(jī)，全部數(shù)據(jù)文件都可以在這些硬件上兼容；從微機(jī)、工作站、大型上具有的用戶界面；大多數(shù)的 CAD機(jī)直至巨型機(jī)所有硬件集成可以和 ANSYS 有接口；網(wǎng)格劃分可以智能化；產(chǎn)品系列具有多層次多框架；具備良好的用戶

34、開放環(huán)境48。3.3 ANSYS 有限元模擬過程3.3.1 鍋爐管高頻感應(yīng)熔覆溫度場(chǎng)有限元分析的意義高頻感應(yīng)熔覆涉及電磁學(xué)、材料學(xué)、熱力學(xué)、物理學(xué)、熱處理、機(jī)械等學(xué)科，且熔覆過程伴隨大量的光熱及輻射能產(chǎn)生，使得熔覆過程中溫度場(chǎng)變化情況及規(guī)律難以確定。高頻熔覆過程中，由于管的熱容量比較小，過多的熱注入會(huì)導(dǎo)致對(duì)基體熱損害，熱注入會(huì)導(dǎo)致合金層和基體不能形成冶金結(jié)合，甚至出現(xiàn)“夾生”現(xiàn)象。因此，實(shí)際工藝中對(duì)熱注入量有比較精細(xì)的要求。在實(shí)際生產(chǎn)中，人們一般憑經(jīng)驗(yàn)控制加工過程中工藝參數(shù)，工藝具有隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，也使得生產(chǎn)效率不高。生產(chǎn)中常用紅外譜儀對(duì)工件表面進(jìn)行溫度測(cè)量，但是由于干擾很多，誤差較大，效果

35、并不理想，且只能得到工件表層溫度，基體與合金層界面處溫度無法測(cè)得，嚴(yán)重影響高頻熔覆過程工藝參數(shù)控制及生產(chǎn)加工中產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。因此，對(duì)高頻熔覆中鍋爐管壁的溫度場(chǎng)變化規(guī)律的研究對(duì)指導(dǎo)實(shí)際工藝生產(chǎn)具有重要意義。3.3.2 模型的建立考慮到鍋爐管為回轉(zhuǎn)體，且在高頻熔覆中渦流層周向分布均勻，鍋爐管和合金層受熱均勻，因此可以取 1/2 管做分析，這樣可以簡(jiǎn)化網(wǎng)格劃分，提高分析速度。如圖 3-1 所示是計(jì)算區(qū)域和邊界條件，模擬計(jì)算時(shí)，先將合金層和基體層內(nèi)的物質(zhì)流態(tài)定義為固態(tài)（solid），采用于分布在合金層的表面進(jìn)行分析。時(shí)間的熱流量功率 P0 作用面積內(nèi)3.3.3 網(wǎng)格的劃分網(wǎng)格是離散的基礎(chǔ)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)

36、是離散化物理量的位置，網(wǎng)格在離散化過程中起著關(guān)鍵作用，網(wǎng)格的形式和密度等對(duì)計(jì)算結(jié)果有重要影響49，網(wǎng)格生成是后續(xù)迭代求解的前提，也是整個(gè)計(jì)算過程中關(guān)鍵的一步?？紤]到合金層壁厚相對(duì)于基體很薄（厚為基體的 1/10），網(wǎng)格劃分時(shí)，將基體層分為 11 段，合金層分為 4 段，鍋爐管和合金層周向分為 80 段。對(duì)基體層和合金層均采用 Brick8 node70（8 節(jié)點(diǎn)三維六面體單元）進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖 3-2 所示。在溫度場(chǎng)分析計(jì)算中作如下假設(shè)：（1）合金層和基體材料均勻，各層內(nèi)的材料的導(dǎo)磁率和導(dǎo)熱率基本一致。（2）鍋爐管高頻熔覆中感應(yīng)加熱時(shí)間在期內(nèi)非常短暫，由于鍋爐管及合金層管壁發(fā)生

37、輻射或者與空氣發(fā)生對(duì)流換熱損失的熱量相對(duì)于高頻加熱電源提供給工件的熱量很小，因此分析中忽略這方面的影響。（3）假定實(shí)際工藝過程中，水冷熔覆工作頭損失的能量對(duì)分析基本沒有影響，忽略水冷帶走的熱量。3.3.4 數(shù)值計(jì)算鍋爐管高頻熔覆過程中，渦流層（趨膚層）先是分布在鍋爐管基體表層，隨著感應(yīng)加熱的進(jìn)行，渦流層逐漸外移至合金層表面并將合金熔化；作為熱源的渦流層到達(dá)合金層表面后，通過熱傳導(dǎo)將向鍋爐管內(nèi)壁方向?qū)嶂钡藉仩t管基體表層熔融與合金形成冶金結(jié)合進(jìn)而完成整個(gè)高頻熔覆過程。在溫度場(chǎng)分析中，合金材料為 Ni35，鍋爐管材料為 12oV（合金結(jié)構(gòu)鋼），查閱相關(guān)材料物理性能手冊(cè)，得到如表 3-1 所示的材料

38、的物理性能參數(shù)。當(dāng)感應(yīng)加熱電源頻率取為 250kHz，由式 2-14 可計(jì)算出首先在基體產(chǎn)生的渦流層厚度w 為 0.107mm，渦流層外移至合金層表面后分布在合金層的趨膚層厚度為0.025mm。圖 2-3 為渦流層外移至合金層表面至熔覆完成這段時(shí)間內(nèi)感應(yīng)加熱理模型，P0為將表層厚度為的趨膚層作為熱源后，熱源面積的熱功率，P0 可通過式 3-1 計(jì)算。L0工件在高頻熔覆工作頭內(nèi)的長(zhǎng)度（m），取為 0.025m。3.4 模擬結(jié)果與分析3.4.1 高頻熔覆電流的影響選取 f=250kHz，I=250A、400A、500A、600A 分別進(jìn)行計(jì)算、有限元分析，可以得到高頻感應(yīng)加熱中不同熔覆電流下熔覆層

39、剛好完全熔化和感應(yīng)加熱結(jié)束時(shí)刻工件溫度場(chǎng)分布云圖，如圖 5-35-6。圖 3-3(a)、3-4(a)、3-6(a)是熔覆電流 I 選為 250A、400A、600A 時(shí)，合金層剛好完全熔化時(shí)管溫度場(chǎng)分析云圖；圖 3-3(b)、3-4(b)、3-5、3-6(b)是熔覆電流 I取 250A、400A、500A、600A 時(shí)感應(yīng)加熱結(jié)束時(shí)鍋爐管壁溫度場(chǎng)分布云圖。由圖 3-33-6 可知：熔覆電流分別取 250A、400A、500A、600A 時(shí)，感應(yīng)加熱時(shí)間分別為 2.6822s、1.6822s、0.66091s、0.66091s，感應(yīng)加熱結(jié)束時(shí)鍋爐管內(nèi)壁溫度分別為 1250、1200、950、14

40、50；在頻率一定的條件下，當(dāng)熔覆電流在小于 500A 這個(gè)范圍內(nèi)，感應(yīng)加熱結(jié)束時(shí)刻高溫?zé)嵊绊憛^(qū)的深度和寬度隨著熔覆電流的增大越小，感應(yīng)加熱對(duì)管的熱損傷越??；當(dāng)熔覆電流大于 500A 時(shí)，感應(yīng)加熱結(jié)束時(shí)刻高溫?zé)嵊绊憛^(qū)的深度和寬度隨著熔覆電流的增大越大，感應(yīng)加熱對(duì)管的熱損傷越厲害。由于鍋爐管為回轉(zhuǎn)體工件，在假定鍋爐管各向材料均勻的情況下，可認(rèn)為鍋爐管高頻感應(yīng)加熱時(shí)管周向受熱均勻。分別在鍋爐管內(nèi)壁和外壁上取一個(gè)參考點(diǎn)，進(jìn)行有限元分析 到如圖 3-7 所示的鍋爐管壁溫度隨熔覆時(shí)間的變化關(guān)系曲線圖。在一定的范圍內(nèi)，隨著熔覆電流的增加，工件表面升溫速度加快，熔覆效率提高，鍋爐管內(nèi)外壁的溫差增大。這是由于采

41、用較高的熔覆電流時(shí)，熱源表層單位體積內(nèi)功率密度高，鍋爐管合金層能在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到高溫而鍋爐管內(nèi)壁溫度還來不及大幅度上升到高溫，使得基體的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能基本沒有變化；采用較低的熔覆電流時(shí)，趨膚層體積內(nèi)感應(yīng)電流密度低，鍋爐管表層升溫慢，合金層內(nèi)的熱量逐漸傳導(dǎo)到基體層，使得感應(yīng)加熱結(jié)束時(shí)鍋爐管內(nèi)壁溫度上升到上千度，嚴(yán)重破壞基體材料，甚至導(dǎo)致合金涂層內(nèi)合金的流淌。因此，在保證熔覆效果的前提下，在高頻熔覆中盡量選用較大的電流。因此頻率 f 選為 250kHz，熔覆電流 I 選為 500A。3.4.2 高頻熔覆頻率的影響選取 f=20、100、250kHz，熔覆電流 I=500A 分別進(jìn)行計(jì)算、有限元分

42、析，到不同感應(yīng)加熱頻率下中間時(shí)刻和高頻熔覆結(jié)束時(shí)鍋爐管溫度場(chǎng)分布云圖，如圖 3-83-10 所示。圖 3-8(a)所示的 t1 時(shí)刻，渦流層剛外移至合金層最外層，合金層剛好完全熔化；圖 3-9(b)所示的 t2 時(shí)刻，分布在合金層最外層的渦流層向內(nèi)導(dǎo)熱，使得基體和合金層界面處溫度達(dá)到 1550，基體表面薄層的材料熔化并與界面處的合金相互滲透形成冶金結(jié)合。圖 3-9 是 f=100kHz、I=500A 時(shí)，鍋爐管在 t1、t2時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布云圖；圖 3-10(a)和 3-10(b)分別為渦流層外移至合金層最外層完成合金層的熔化時(shí)刻和基體、合金層界面處形成冶金結(jié)合時(shí)刻。對(duì)比圖 3-83-10 可

43、以看到，隨著感應(yīng)加熱頻率的增大，感應(yīng)加熱的速度越來越快，而感應(yīng)加熱結(jié)束時(shí)高溫?zé)嵊绊憛^(qū)的深度越來越淺，熱影響區(qū)的寬度越來越窄。由于鍋爐管為回轉(zhuǎn)體工件，在假定鍋爐管各向材料均勻的情況下，可認(rèn)為鍋爐管高頻感應(yīng)加熱時(shí)管周向受熱均勻。分別在鍋爐管內(nèi)壁和外壁上取一個(gè)參考點(diǎn)，進(jìn)行有限元分析系曲線圖。到如圖 3-11 所示的鍋爐管壁溫度隨熔覆時(shí)間的變化關(guān)由圖 3-11 可以看出：隨著頻率的增加，鍋爐管表面溫度上升速度越來越快，高頻熔覆時(shí)間越來越短，熔覆效率越來越高，感應(yīng)加熱結(jié)束時(shí)管內(nèi)外壁的溫差越來越大。通過對(duì)比圖 3-11(a)3-11(c)，可以發(fā)現(xiàn)：頻率越高，工件表面升溫越快，短時(shí)間內(nèi)管內(nèi)壁溫度來不及上升

44、到高溫，合金層和基體界面處已經(jīng)發(fā)生冶金結(jié)合，這就是高頻感應(yīng)加熱的特點(diǎn)；采用低頻時(shí)，趨膚層功率密度小，工件表面升溫慢，表層的熱量逐漸傳導(dǎo)到鍋爐管壁，管內(nèi)壁的溫度逐漸升高，熔覆結(jié)束時(shí)管內(nèi)壁溫度已達(dá)上千度（或與表層溫度相差不大），這會(huì)對(duì)基體造成嚴(yán)重的熱損傷、變形，容易造成熔融態(tài)的合金的流淌，這在工藝上是不允許的。因此， 考慮到高頻熔覆感應(yīng)加熱電源設(shè)備的技術(shù)參數(shù)（ 振蕩頻率200250kHz），高頻熔覆中選用的頻率 f=250kHz。3.5 小結(jié)本章簡(jiǎn)要介紹了有限元原理及應(yīng)用，ANSYS 的應(yīng)用范圍，并用 ANSYS 對(duì)熔覆過程中鍋爐管管壁和合金層溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析，由數(shù)值計(jì)算和分析，得出如下

45、結(jié)論：鍋爐管高頻熔覆過程中，趨膚層（渦流層）先是分布在鍋爐管表層，隨著感應(yīng)加熱的進(jìn)行，渦流層逐漸外移至合金層表層并將合金逐漸熔化，渦流層外移至合金層表層后不再移動(dòng)，并將熱量向管內(nèi)壁傳導(dǎo)，一直到合金層和基體界面處達(dá)到冶金結(jié)合。鍋爐管高頻熔覆中，高頻感應(yīng)加熱電源頻率主要影響熔覆速率和效果。隨著頻率的增加，鍋爐管表面升溫速度加快，管表面和內(nèi)壁的溫差增大，對(duì)基體的熱影響減小。鍋爐管高頻熔覆中，熔覆電流主要影響熔覆效率。在一定范圍內(nèi)即電流小于 500A 時(shí)，隨著電流的增加，鍋爐管表面升溫速度增大，管內(nèi)壁在感應(yīng)加熱結(jié)束時(shí)溫度減小，感應(yīng)加熱對(duì)基體的熱影響減小。當(dāng)頻率為 250kHz、熔覆電流為 500A 時(shí)

46、，熔覆效果較好。第四章 實(shí)驗(yàn)材料與方法4.1 實(shí)驗(yàn)材料4.1.1 基體材料高頻感應(yīng)熔覆基體材料選擇 12oV 合金結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)的鍋爐管。試件尺寸為 44.55mm，其外徑為 44.5mm，鍋爐管壁厚為 5mm。其化學(xué)成分（質(zhì)量百分比,wt%）見表 4-14.1.2 熔覆層材料的選材原則在實(shí)際應(yīng)用中，為減少高頻感應(yīng)熔覆層的裂紋敏感性，使熔覆層具有合適的組織結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的力學(xué)性能和良好的成形工藝性，具體選擇何種材料體系對(duì)基體材料表面進(jìn)行熔覆，可以從以下幾個(gè)方面考慮。(1)應(yīng)采用與基體具有適宜的熔覆材料。如果熔覆材料的和基體的相差較大，采用高頻感應(yīng)熔覆工藝獲得的熔覆層難以與基體形成良好冶金結(jié)合，而且熔覆

47、層和基體的稀釋率小導(dǎo)致熔覆層質(zhì)量大大地降低。如果熔覆材料熔點(diǎn)過于高，當(dāng)給工件加熱時(shí)，有部分熔覆材料沒有熔化，這樣會(huì)導(dǎo)致熔覆層表面粗糙度高，同時(shí)基體表面過度熔化，熔覆層稀釋率增大。反之，熔覆層材料低，熔覆層的稀釋率很容易被控制，經(jīng)過感應(yīng)熔覆后的工件，覆層質(zhì)量好，同時(shí)越低，液態(tài)性越好，對(duì)獲得平整光滑的熔覆層越有利。但是，如果熔覆材料過低，熔覆材料會(huì)產(chǎn)生過度燒損現(xiàn)象，大量的空洞和夾雜存在于熔覆層與基體間，基體金屬表面不能很好熔化，良好的冶金結(jié)合很難在熔覆層和基體形成。這樣熔覆后的工件達(dá)不到性能要求。(2) 熔覆合金粉末須具有良好的性，以利于連續(xù)、均勻、流暢地將粉末送入鍋爐管表面。球形粉末的性最好，且

48、球形粉末的比表面積最小，在高頻感應(yīng)熔覆溫度下受到氧化及其它污染的程度比不規(guī)則粉末要小，有利于提高熔覆層的性能，因此高頻感應(yīng)熔覆粉末的外形最好球形。粉末過細(xì)，太粗，熔覆工藝性差。性差；粉末(3)所選用的熔覆材料還應(yīng)有良好的造渣、除氣、隔氣性能。合金粉末在熔化狀態(tài)時(shí)應(yīng)具有良好的脫氧能力。其脫氧產(chǎn)物應(yīng)形成小、低的熔渣覆蓋在液態(tài)金屬表面，對(duì)熔覆層表面起保護(hù)作用，以防止熔覆層產(chǎn)生夾渣、氣孔、氧化等缺陷。(4) 熔覆材料的選擇應(yīng)滿足熔覆層的使用性能要求， 一般來講，鎳基合金適用于要求局部耐磨、耐熱腐蝕及抗熱疲勞的零件；鈷基合金適用于要求耐磨、耐腐蝕、抗熱疲勞、高溫強(qiáng)度要求高的零件；鐵基合金大多用于局部耐磨

49、的零件。4.1.3 高頻感應(yīng)熔覆材料的種類高頻感應(yīng)熔覆采用的材料多半是熱噴涂類材料或熱噴焊類材料，此類材料包括自熔性合金粉末和碳化物陶瓷粉末。此類材料的優(yōu)點(diǎn)是具有良好的加工耐腐蝕、耐磨性能。現(xiàn)就熔覆材料進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。(1)自熔性合金粉末：自熔性合金材料主要有鎳基合金、鈷基合金和鐵基合金等。三種材料都含有硅和硼元素，因而，其在脫氧和造渣方面有其優(yōu)越性，這稱為自熔性。硼和硅元素熔凝時(shí)被氧化，生成 B2O3、SiO2 氧化物，即在熔覆層表面形成氧化物薄膜。氧化物薄膜的產(chǎn)生可以防止熔覆層材料中其他元素被氧化。硅和硼元素的加入還可以使熔覆粉末的降低，起到浸潤劑的作用。熔覆層的硬度關(guān)鍵取決于粉末合金中硼

50、含量和碳含量，其主要趨勢(shì)是熔覆層的硬度隨著硼、碳含量的增加呈線性增加，主要原因是通過合金粉末的再次凝結(jié)，在熔覆層中形成硬度極高的硼化物和碳化物。陶瓷粉末：陶瓷粉末是熱噴涂材料中的典型的一種，其主要化學(xué)成分是氧化鋁或者氧化鋯，由于上述兩種化合物具有良好的耐高溫氧化、耐磨、耐腐蝕等性能。其中氧化鋁陶瓷粉末相比于氧化鋯陶瓷粉末，其可以在更高的溫度下進(jìn)行熱傳導(dǎo)，因此氧化鋯陶瓷粉末具有更低的抗熱震及熱傳導(dǎo)性能，因此常用作隔熱材料。復(fù)合粉末：當(dāng)零件處于多滑動(dòng)、多沖擊的變載荷條件下時(shí)，傳統(tǒng)的 Co基、Ni 基合金粉末已不能完全承受，這時(shí)可以在自熔性合金粉末中加入適量的高 碳化物、氮化物、硼化物及氧化物陶瓷粉

51、末，形成復(fù)合熔覆層。4.1.4 高頻感應(yīng)熔覆材料的選擇Ni 基合金粉末主要有 Ni-B-Si 和 Ni-B-Cr-Si 兩種系列合金，其中 Ni-B-Cr-Si合金是高頻感應(yīng)熔覆中應(yīng)用最廣的熔覆材料。它是在 Ni-B-Si 系列合金中加入適量的 Cr 形成的。Cr 能溶于 Ni 中形成鎳鉻固溶體增強(qiáng)熔覆層強(qiáng)度，增強(qiáng)熔覆層抗氧化性和提高熔覆層耐腐蝕性，Cr 還能和 C、B 形成碳化物、硼化物，提高熔覆層硬度和耐磨性。Ni 的性能僅次于 Co，但是 Ni 基合金粉末價(jià)格遠(yuǎn)低于 Co 基合金粉末，因 Ni 基合金粉末具有較好的耐蝕性、侵潤性和高溫自潤滑作用，因此鎳基合金粉末廣泛應(yīng)用于局部要求耐磨、耐

52、熱腐蝕及抗疲勞等零件上。鈷基合金性能雖好，但是國內(nèi)資源較少，不宜多用。鐵基其最大優(yōu)點(diǎn)是成本低和耐磨性好，但高、合金的抗氧化能力差、性不好、熔覆層氣孔夾渣較多等缺點(diǎn)限制了它的應(yīng)用。表 4-2 列出了這三種自熔性合金粉末各自的特點(diǎn)。本文研究的是在火力發(fā)電廠中常用的 12oV 合金結(jié)構(gòu)鋼作為基體材料的鍋爐管表面高頻感應(yīng)熔覆耐磨耐腐蝕的 Ni 基合金粉末。鍋爐管在使用過程中其由飛灰磨損造成的磨損和腐蝕大多是發(fā)生在鍋爐管表面，高頻感應(yīng)熔覆技術(shù)可以從提高零件材料表面的綜合性能出發(fā)來很好地解決這些問題。耐磨和耐腐蝕性能的提高可以采用不同的表面強(qiáng)化技術(shù)，但相比較于其他強(qiáng)化方法，高頻感應(yīng)熔覆是一個(gè)很好的選擇。本

53、文采用的是自熔性合金粉末中的一種：Ni35。其目數(shù)為-140+320，自熔性合金粉末 Ni35 的化學(xué)成分如表 4-3 所示。4.2 實(shí)驗(yàn)過程準(zhǔn)備4.2.1 鍋爐管預(yù)處理、涂層材料預(yù)處理打磨鍋爐管表面，去除氧化皮和鐵銹部分，用和雜質(zhì)物。溶液，洗去表面油污用電子天平稱量所用熔覆 Ni35 合金粉末，用水玻璃混合合金粉末，并充分?jǐn)嚢?，使成分均勻。將材料水玻?合金粉末均勻地涂在鍋爐管表面，并用金屬膠對(duì)預(yù)置粉末進(jìn)行固定。預(yù)置層厚度為 0.5mm。預(yù)置后的烘干后待用。圖 4-1 所示為所示為冷涂預(yù)置法前后的試樣形貌圖。另外一種是用電子天平稱量所用熔覆 Ni35 合金粉末，等離子噴涂的方式在鍋爐管表面噴

54、涂一層厚約為 0.5mm 的 Ni35 涂層。圖 4-2 所示為熱噴涂前后的試樣形貌圖。4.2.2 高頻感應(yīng)熔覆工藝原理及實(shí)驗(yàn)裝置高頻感應(yīng)加熱設(shè)備的工作原理：低壓三相交流 380V、50Hz 電源輸入到可控硅調(diào)壓器，可控硅調(diào)壓器輸出 0380V，可任意調(diào)節(jié)的電壓加到 380V/10kV 的升壓整流變壓器上，升壓變壓器高壓側(cè)能得到 012.5kV 范圍內(nèi)任何電壓值，經(jīng)高壓硅橋三相全波整流得到 012.5kV 的直流高壓，供電子管振蕩器，電子管實(shí)際上是一個(gè)變換器，它與槽路一起將直流高壓電源變換成高壓高頻的交流電流，如圖 4-3 所示。利用磁場(chǎng)感應(yīng)及渦流原理,從而達(dá)到感應(yīng)加熱的目的。高頻感應(yīng)加熱電源

55、的特點(diǎn)如下：1)電源采用可控硅三相調(diào)壓、變壓器升壓，三相全波整流、自激振蕩產(chǎn)生高頻電流，利用渦流加熱,使工件瞬時(shí)到達(dá)所需溫度,然后利用淬火液急速冷卻,從而達(dá)到淬藝要求。電源控制板為全集成化數(shù)字電路控制板，采用數(shù)字觸發(fā)，具有可靠性高、精度高、調(diào)試容易、繼電元件少等特點(diǎn)。主回路進(jìn)線可不分相序(相序自動(dòng)調(diào)整)。自動(dòng)跟隨負(fù)載變化，功率手動(dòng)調(diào)節(jié)從 10%100%。具有截流、截壓、過流、過壓、水壓等保護(hù)系統(tǒng)，保證設(shè)備可靠運(yùn)行。主控板具有完善的多級(jí)保護(hù)系統(tǒng)(水壓、缺相、過流、過壓、操作連鎖等保護(hù))，具有較廣的負(fù)載匹配能力。振蕩回路采用三回路振蕩結(jié)構(gòu)，更方便調(diào)整產(chǎn)品工藝。主電路元件選擇：整流可控硅：電流安全系

56、數(shù)為：4.2；電壓安全系數(shù)為：2.2主回路的主線電流密度取 2.5Amm2(銅排)振蕩回路的主線電流密度取 2.0Amm2(銅排) 9)保護(hù)與控制主回路短路保護(hù)主回路缺相保護(hù)可控硅過壓、過電流保護(hù)10)數(shù)字顯示測(cè)量?jī)x表：三相輸出電壓表、直流電壓表、電流表、槽路電壓表、陽流表、柵流表。圖 4-4 是臥式高頻感應(yīng)加熱電源、控制面板及電源變壓器實(shí)物，變壓器原邊采用優(yōu)質(zhì)銅管繞制，外層包有瀝青云母帶及聚四氟乙烯薄膜，副邊采用硫化工藝，保證層與層之間絕緣性。另外，變壓器在出廠前要經(jīng)過四道 0.4MPa 水壓試驗(yàn)，以確保變壓器質(zhì)量。表 4-4 是感應(yīng)加熱電源設(shè)備性能參數(shù)，該電源可實(shí)現(xiàn)零至滿功率無級(jí)調(diào)節(jié)，并可

57、通過外接信號(hào)控制如 PLC，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)工作；也可通過溫度傳感器和變速模塊來自動(dòng)調(diào)節(jié)電源功率。在操作感應(yīng)加熱設(shè)備時(shí)，可按如下規(guī)程進(jìn)行：給水看是否漏水及水路有無堵的現(xiàn)象，若有則進(jìn)行處理；若有跑水時(shí)，及時(shí)關(guān)循環(huán)水，處理完畢后要進(jìn)行吹干、風(fēng)干燥；給水正常后，給主電源，再給一檔燈絲，延時(shí)后給高壓按鈕，給加熱按鈕，將電位器調(diào)到零，給加熱，調(diào)電位器到額定電壓，此時(shí)柵流、陽流之比為 1:51:7；停用時(shí)，先停加熱停高壓燈絲總控開關(guān)；(5)設(shè)備停以后方能停循環(huán)水。(6)發(fā)現(xiàn)打火及修理設(shè)備時(shí)，必須?？偪諝忾_關(guān)。(7)嚴(yán)禁帶電接觸設(shè)備內(nèi)的高壓器件，因?yàn)殡妷哼_(dá)到 1 萬多伏高壓。高頻感應(yīng)加熱電源的控制面板，在結(jié)構(gòu)上做

58、成一塊板，板規(guī)格 295mm 210mm，在電路功能上可以分為整流觸發(fā)電路、調(diào)節(jié)器電路、操作保護(hù)電路三部分，各部分特點(diǎn)如下：(1)整流觸發(fā)電路：采用脈沖一致性好，能力強(qiáng)的數(shù)字觸發(fā)電路，同步信號(hào)直接取自可控硅進(jìn)線端，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)同步，而且具備相序自動(dòng)適應(yīng)能力，三相交流輸入線不分相序，從而使其在主電路與觸發(fā)板的連線上變得異常簡(jiǎn)單，可靠。免去調(diào)相序?qū)ν秸?限定的工作，只需把晶閘管的門極線接入在控制板的接線端子上即可投入使用。整流觸發(fā)脈沖變壓器已包含在控制板上，整流觸發(fā)脈沖強(qiáng)度為 Ip=1.5A,dA/dT0.5uS,脈沖寬度約 1Ms,絕緣耐壓 4kV。調(diào)節(jié)器電路部分：采用直頻電壓，直流電流雙

59、閉環(huán) PI 調(diào)節(jié)器，在啟動(dòng)過程中雙閉環(huán)也始終參與工作，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，而且在系統(tǒng)調(diào)試過程中和設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，也很難發(fā)生過電流跳閘的現(xiàn)象。調(diào)節(jié)器的參數(shù)適應(yīng)范圍寬，一般的高頻電源系統(tǒng)均能適應(yīng)，無需再對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。操作保護(hù)電路部分：在控制電路中設(shè)有，保護(hù)電路，主電路與控制電路的上電掉電先后次序，以及使用的誤操作等，均不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響。高頻感應(yīng)電源中電器元件和電阻在工作過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，熔覆系統(tǒng)配備了水冷裝置對(duì)相關(guān)電器元件進(jìn)行冷卻。水冷裝置采用全封閉壓縮機(jī)，不銹鋼水路系統(tǒng)，其主要性能參數(shù)如下：冷卻水溫度：1040；控制方式：自動(dòng)；溫度控制精度：1；水流量：14m3/h；配不銹鋼水泵

60、；電源功率：55kw；整機(jī)噪聲：70dB。由于高頻熔覆設(shè)備內(nèi)存在高壓器件，為了實(shí)驗(yàn)的安全，將實(shí)驗(yàn)的輸入電源與市電進(jìn)行，這樣就可避免實(shí)驗(yàn)碰到線路出現(xiàn)的觸電等情況的出現(xiàn)。當(dāng)然，電源還能實(shí)現(xiàn)地線噪聲、共模電壓等。鍋爐管高頻熔覆過程中，熔覆系統(tǒng)主要控制工件繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)熔覆工作頭的直線進(jìn)給這兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，這些控制由熔覆機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)完成。熔覆機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)采用廣州數(shù)控及伺服系統(tǒng)，可控制高頻感應(yīng)加熱電源加熱的開啟和停止、水冷的開啟和關(guān)閉、進(jìn)給速度及位置的設(shè)定、機(jī)頂尖的移動(dòng)等，這些控制均有手動(dòng)和自動(dòng)控制兩種方式。此外，針對(duì)不同的工件，可預(yù)先設(shè)置不同的控制程序，操作可根據(jù)需要選擇相應(yīng)的程序，即