中速磨煤機(jī)用碳精密封環(huán)材質(zhì)對(duì)比與選擇
摘 要： 碳精密封環(huán)在電廠中速磨煤機(jī)高溫制粉設(shè)備的密封中獲得了廣泛的應(yīng)用， 已經(jīng)成為電廠中速磨煤機(jī)量大面廣的易損性、關(guān)鍵性和基礎(chǔ)性零部件。本文分析了 浸銻碳精密封環(huán)和浸樹脂碳精密封環(huán)材質(zhì)的機(jī)械性能、適用條件、使用效果和使用壽命的重大差異，確定了根據(jù)中速磨煤機(jī)的煤質(zhì)情況對(duì)比兩種碳精密封環(huán)的密封效果和使用壽命，適合磨煤機(jī)工況，滿足磨煤機(jī)大修周期使用壽命的最佳碳精密封環(huán)性價(jià)比選擇原則。文中介紹的碳精密封環(huán)材質(zhì)重量識(shí)別方法簡(jiǎn)單，可幫助電廠用戶正確識(shí)別和選擇碳精密封環(huán)。
關(guān)鍵詞 ：浸銻，浸樹脂，中速磨煤機(jī)，碳精密封環(huán)
1 引 言
鍋爐制粉系統(tǒng)在我國(guó)燃煤電廠中占有重要地位，一是耗電量占廠用電的 15%～25%，二是廠區(qū)環(huán)境的主要污染源，因此倍受設(shè)計(jì)和運(yùn)行部門關(guān)注。
中速磨煤機(jī)是一種對(duì)研磨施加外力，使其壓向旋轉(zhuǎn)著的磨盤而將煤塊擠壓成煤粉的機(jī)械。國(guó)外在 20世紀(jì)20年代電廠鍋爐上就開始采用中速磨煤機(jī)。我國(guó)只在最近一、二十年間才開始有廣泛的應(yīng)用。針對(duì)火電廠主要輔機(jī)—中速磨煤機(jī)制造的落后情況，我國(guó)從1980年起先后從西方國(guó)家引進(jìn)了RP，HP，MPS系列磨煤機(jī)，上海重型機(jī)器廠、沈陽重型機(jī)器廠、北京電力設(shè)備總廠等為引進(jìn)消化吸收國(guó)外技術(shù)做出了重要貢獻(xiàn)。經(jīng)過20多年的努力，我國(guó)中速磨煤機(jī)的制造、選型和運(yùn)行可靠性都已經(jīng)達(dá)到一個(gè)較高的水平。近幾年，隨著大容量火電機(jī)組的不斷投運(yùn)，中速磨煤機(jī)的使用越來越多。
中速磨煤機(jī)的傳動(dòng)軸密封通常有碳精密封和金屬迷宮密封兩種形式，金屬迷宮密封是有隙密封方式，在運(yùn)行中由于磨煤機(jī)工況和密封風(fēng)壓的變化，動(dòng)靜之間不可避免的產(chǎn)生磨擦，磨煤機(jī)轉(zhuǎn)軸受到一定程度損傷，密封效果降低，漏風(fēng)的增大導(dǎo)致密封風(fēng)風(fēng)壓的進(jìn)一步降低，形成煤粉的泄漏，造成能耗的增加和環(huán)境污染。不少電廠將磨煤機(jī)的金屬迷宮密封也改造為碳精密封，利用碳精密封環(huán)的耐高溫、自潤(rùn)滑特性，改善磨煤機(jī)密封狀況。
因此，碳精密封環(huán)已經(jīng)成為電廠中速磨煤機(jī)量大面廣的易損性、關(guān)鍵性和基礎(chǔ)性零部件。密封環(huán)失效漏灰漏風(fēng)，一方面導(dǎo)致減速機(jī)在惡劣的環(huán)境下運(yùn)行，大量的粉塵灌進(jìn)減速機(jī)內(nèi)，使油質(zhì)劣化，降低了磨煤機(jī)的使用壽命， 存在高溫?zé)犸L(fēng)引起火災(zāi)，導(dǎo)致設(shè)備損壞的危險(xiǎn)，另 一方面也嚴(yán)重污染了廠內(nèi)環(huán)境。
火電廠鍋爐側(cè)的內(nèi)部環(huán)境污染治理有兩大切入點(diǎn)：制粉系統(tǒng)的防漏粉，風(fēng)煙系統(tǒng)漏灰密封。磨煤機(jī)的密封技術(shù)是制粉系統(tǒng)漏粉防治的關(guān)鍵。碳精密封環(huán)材質(zhì)的 正確識(shí)別和選擇對(duì)于電廠非常重要。
2 中速磨煤機(jī)碳精密封環(huán)
中速磨煤機(jī)碳精密封環(huán)是以石墨為基體，天然石墨、無定型碳及多種添加劑混合配方后經(jīng)壓制 →燒結(jié)→浸漬→機(jī)械加工而成的分瓣式密封環(huán)。通常有 浸銻碳精密封環(huán)和浸樹脂碳精密封環(huán)兩種。由于材料配方、壓制燒結(jié)浸漬工藝差別和浸漬劑不同，材質(zhì)的加工難度和高溫摩擦磨損性能差別很大，其制造成本、適用條件和使用效果也明顯不同。
2.1 碳石墨制品
碳石墨制品具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐高溫、耐腐蝕、自潤(rùn)滑、化學(xué)穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)低等一系列突出優(yōu)點(diǎn)，在化工、冶金、電力、宇航、核工業(yè)等許多領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但是作為高溫耐磨密封材料，機(jī)械強(qiáng)度較低，耐磨和抗氧化性能較差，特別是受制備工藝的限制，在其內(nèi)部殘留許多直通氣孔，其應(yīng)用范圍受到了限制。為了克服這些缺陷，必須通過添加某些氧化物、碳化物和硼化物等陶瓷相來提高耐磨和抗氧化性能，再經(jīng)高壓浸漬某種物質(zhì)填塞氣孔，達(dá)到密實(shí)、增補(bǔ)強(qiáng)度。浸樹脂、浸銅石墨、浸巴氏合金石墨、浸鋁合金石墨等浸金屬碳石墨復(fù)合材料都進(jìn)入了工業(yè)應(yīng)用，如浸巴氏合金的石墨軸承，浸銀石墨的配氣閥座等。
2.2浸樹脂碳精密封環(huán)
浸漬的本質(zhì)是液態(tài)物質(zhì)在一定的溫度和壓力下向具有毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的固體滲透。碳石墨制品的孔隙率約 15%~30%，必須經(jīng)過浸漬某種浸漬劑填充。浸漬劑本身的特性決定浸漬的難度并對(duì)碳石墨復(fù)合新材料的機(jī)械物理性能產(chǎn)生重大影響，因此選用浸漬劑的原則是：滿足新材料的機(jī)械物理性能的前提下盡可能的采用低成本的浸漬劑和浸漬工藝。
石墨浸漬樹脂普遍采用圖 1所示真空加壓工藝流程。將焙燒后的半成品置于浸漬罐中，浸漬罐放入產(chǎn)品后先抽真空，然后加壓，在一定的壓力和溫度下，使液態(tài)化樹脂滲透到石墨制品的氣孔中去。由于樹脂的熔點(diǎn)低，浸漬溫度通常在30~50℃左右，浸漬工藝比較簡(jiǎn)單成熟， 浸樹脂材料機(jī)械物理性能雖有增強(qiáng)，但硬度變化不大，后續(xù)密封環(huán)加工比較容易， 因此 浸樹脂碳精密封環(huán)價(jià)格相對(duì)較低。
圖 2-b為浸樹脂碳精密封環(huán)的金相顯微結(jié)構(gòu)， 石墨基體組織顆粒比較粗大、致密，顆粒間為樹脂充填物，質(zhì)軟、拋光困難呈現(xiàn)為黑色。由于樹脂本身強(qiáng)度低、熔點(diǎn)低， 浸樹脂碳精密封環(huán)的高溫耐磨性較差，作為中速磨煤機(jī)密封環(huán)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)壽命僅為 5000~8000小時(shí)。
圖 1 真空加壓法工藝流程
2.3浸銻碳精密封環(huán)
浸漬銻相比浸漬樹脂工藝難度大，真空加壓浸漬法可普遍用于浸漬樹脂，但卻不能用于浸漬銻。原因是：銻的熔點(diǎn)高，浸漬溫度在 800～1000℃之間；熔融銻表面張力大、基體孔隙微小，滲透難度大。高溫狀態(tài)預(yù)抽真空和負(fù)壓狀態(tài)熔融銻的流動(dòng)性目前尚未解決。因此，目前國(guó)內(nèi)能浸漬銻的石墨制品生產(chǎn)廠家不多，真正實(shí)現(xiàn)高浸透率更少。
2-a 浸銻碳精密封環(huán) 2-b 浸樹脂碳精密封環(huán)
圖 2 浸銻石墨的金相顯微組織結(jié)構(gòu)
石墨浸銻的高浸透率必須在加工工藝過程中進(jìn)行保證， 具體的措施是：坯料壓制前，在天然石墨、無定 型碳及多種添加劑的多個(gè)配方中進(jìn)行了反復(fù)篩選， 通過配方改善石墨基體濕潤(rùn)性、 氣孔率、孔隙， 提高石墨基體的微隙網(wǎng)狀孔隙結(jié)構(gòu)，減少熔融銻浸漬的難度。熔融銻 仍采用傳統(tǒng)的高壓浸漬，在保障工藝安全的前提下，大大提高浸漬壓力，確保 熔融銻在過熱和強(qiáng)壓的狀態(tài)下充滿石墨基體理想分布的網(wǎng)狀微隙結(jié)構(gòu)中 。 成都封潤(rùn)科技的產(chǎn)品就實(shí)現(xiàn)了上述的工藝要求，通過實(shí)際應(yīng)用比較，較好的保證了浸銻 碳精密封環(huán)的材質(zhì)性能指標(biāo)和現(xiàn)場(chǎng)惡劣工況下的需求。
圖 2-a為浸銻碳精密封環(huán)的金相顯微結(jié)構(gòu)， 熔融銻填充孔隙后，比較均勻的分布在石墨基體骨架中，經(jīng)拋光處理，金相圖中銻呈現(xiàn)為亮點(diǎn)，石墨基體骨架基本維持不變。熔融銻在石墨基體中二次逾滲幾乎充填了石墨基體的全部逾滲孔隙，銻分布呈均勻網(wǎng)狀微隙，結(jié)構(gòu)致密，拋光處理明顯感覺材質(zhì)堅(jiān)硬，因此浸銻 碳精密封環(huán)同時(shí)具有了石墨的高溫自潤(rùn)滑性和金屬銻的高強(qiáng)度和高摩擦磨損性能，特別適合惡劣工況中速磨煤機(jī)傳動(dòng)軸的熱粉密封，其連續(xù)運(yùn)行壽命可以達(dá)到 20000~30000小時(shí)。
3 碳精密封環(huán)的對(duì)比與選擇
由于浸樹脂碳精密封環(huán)和浸銻碳精密封環(huán)高溫摩擦磨損性能差異很大，適應(yīng)的磨煤機(jī)工作條件也不相同、使用效果和使用壽命差距也很大，電廠用戶應(yīng)當(dāng)正確識(shí)別和選擇。
表 1所列為 浸銻和浸樹脂碳精密封環(huán)的機(jī)械性能指標(biāo)， 浸銻后石墨復(fù)合新材料的機(jī)械性能大大強(qiáng)化，密封效果和使用壽命顯著提高，但也增加了密封環(huán)機(jī)械加工的難度，因此， 浸銻碳精密封環(huán)質(zhì)量提升的同時(shí)，制造成本也大幅增加。 抗壓和抗折試驗(yàn)均在 WJ-10B 型萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，抗壓試樣尺寸為 10mm × 10mm × 10mm ，抗彎試樣尺寸為 10mm × 10mm × 64mm ，硬度測(cè)定使用 HS-19GDC 肖氏硬度計(jì)，試樣尺寸為 20mm × 20mm × 10mm ，體積密度試樣尺寸為 10mm × 10mm × 20mm 。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為 GB1994-88 。
表 1 碳精密封環(huán)的材質(zhì)性能及壽命對(duì)比
3.1 最佳性價(jià)比選擇原則
電廠用戶應(yīng)根據(jù)中速磨煤機(jī)的煤質(zhì)情況對(duì)比兩種碳精密封環(huán)的密封效果和使用壽命，確定一個(gè)適合磨煤機(jī)工況，滿足磨煤機(jī)大修周期使用壽命的最佳碳精密封環(huán)性價(jià)比。如果煤質(zhì)條件好，浸樹脂碳精密封環(huán)經(jīng)試用在一個(gè)大修期內(nèi)無漏粉、密封效果良好，密封環(huán)的更換可以與磨煤機(jī)大修同步，可以從降低耗材成本的角度選用價(jià)格較低的浸樹脂碳精密封環(huán)。 但近年由于煤炭市場(chǎng)的變化，各電廠煤源不穩(wěn)定，煤質(zhì)下降，煤中矸石及雜鐵含量較多，造成磨煤機(jī)工況惡劣應(yīng)選用浸銻碳精密封環(huán) 。
碳精密封環(huán)選擇不當(dāng)直接的危害是： 1）密封環(huán)用量大，費(fèi)用高；國(guó)產(chǎn)浸銻碳精密封環(huán)每環(huán)價(jià)格約0.8萬元，浸樹脂碳精密封環(huán)每環(huán)價(jià)格約0.6萬元。選用浸銻碳精密封環(huán)可以確保每個(gè)大修期內(nèi)只更換一次密封環(huán)；如果選用浸樹脂碳精密封環(huán)，每個(gè)大修期內(nèi)可能因?yàn)槁┓?~3次更換密封環(huán)，導(dǎo)致電廠（至少二套制粉系統(tǒng)）磨煤機(jī)密封環(huán)一項(xiàng)費(fèi)用成倍增加（可達(dá)幾十萬元）。2）增加維護(hù)人力物力，影響生產(chǎn)。磨煤機(jī)傳動(dòng)軸1.53米（最小型號(hào)），老規(guī)格密封環(huán)的更換要依次吊出磨輥、磨盤和傳動(dòng)軸，其工作量很大。
以新海發(fā)電有限公司為例 [4] ， 2×220MW, 2×300MW機(jī)組共有ZGM95型中速磨煤機(jī)18臺(tái)，其中10臺(tái)為2環(huán)密封，6臺(tái)為3環(huán)密封，2臺(tái)為4環(huán)密封，共需密封環(huán)46環(huán)，選用 浸銻碳精密封環(huán) 平均每年材料費(fèi)近 40萬元；選用 浸樹脂碳精密封環(huán) 平均每年材料費(fèi)將超過 60萬元，加上人力物力和燃油投入損失，磨煤機(jī)密封耗資將超80萬元。
徐塘發(fā)電有限公司 4×300MW機(jī)組共有ZGM95型中速磨煤機(jī)20臺(tái)，為2環(huán)密封，如果密封環(huán)壽命能保證一個(gè)大修周期（通常以磨輥及磨盤磨損情況確定），每年需 浸銻 密封環(huán) 24環(huán)，合計(jì)約20萬元，如果選用 浸樹脂碳精密封環(huán) 每年至少更換兩次，僅材料費(fèi)就將超過 30萬元，加上人力物力和停產(chǎn)損失，磨煤機(jī)密封耗資將超40萬以上。
3.2 浸銻與浸樹脂碳精密封環(huán)的重量識(shí)別法
當(dāng)前乃至相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，電煤市場(chǎng)緊張，燃用劣質(zhì)煤或摻配燃燒的電廠不在少數(shù)，磨煤機(jī)實(shí)際工況偏離設(shè)計(jì)工況，在這種情況下，正確選擇磨煤機(jī)碳精密封環(huán)顯得非常重要，用戶對(duì)磨煤機(jī)碳精密封環(huán)不但要正確選擇還應(yīng)對(duì)其正確識(shí)別。
通過金相、成分和材質(zhì)性能檢驗(yàn)是鑒定密封環(huán)中是否含有銻最科學(xué)的方法，但對(duì)于用戶，這樣的鑒別方法很難采用。本文推薦一個(gè)最簡(jiǎn)單有效的重量識(shí)別法。
以 ZGM95磨為例，密封環(huán)φ1530，每段體積45.815cm 3 ,石墨比重1.5~1.8 g/cm 3 ，銻比重6.84 g/cm 3 ，按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)浸銻碳精密封環(huán)比重必須大于2.2 g/cm 3 ，浸樹脂碳精密封環(huán)比重約為1.9 g/cm 3 ，計(jì)算可得浸樹脂碳精密封環(huán)每段約為 90~100 g，浸銻碳精密封環(huán)每段約為110~120 g。
碳精密封環(huán)的重量是浸漬劑種類和浸漬率的重要特征，每段重量小于 100g只能是浸樹脂碳精密封環(huán)，相同規(guī)格的浸銻碳精密封環(huán)重量越大，銻的浸透率越高。
4 結(jié)論
1 ）浸銻石墨材料具有優(yōu)良的高溫摩擦磨損性能，特別適合電廠中速磨煤機(jī)傳動(dòng)軸的粉塵密封。
2 ）目前我國(guó)電廠使用的碳精密封環(huán)有 浸銻浸銻和浸樹脂兩種， 其浸漬劑不同、制備工藝不同，高溫摩擦磨損性能差異很大，適應(yīng)的磨煤機(jī)工作條件也不相同、密封效果和使用壽命差距也很大，電廠用戶應(yīng)當(dāng)正確識(shí)別和選擇。
3 ） 碳精密封環(huán)的重量是浸漬劑種類和浸漬率的重要特征，每段重量小于 100g只能是浸樹脂碳精密封環(huán)，相同規(guī)格的浸銻碳精密封環(huán)重量越大，銻的浸透率越高。
