前 言
随着席卷全球的金融危机的暴发和深切危害的日益显现、资源消耗和竞争加剧、全球气候变暖、对环境保护的要求日益提高以及国家可持续发展战略与产业结构调整的深入贯彻实施,热喷涂技术在节能降耗、绿色环保、循环再制造、特殊功能性等方面的特点越来越突出。因此,有必要从更新的视角、在更高的平台上对热喷涂技术及其产业发展作出新的评价。
[摘 要] 概述了热喷涂技术在可持续发展中的特点和地位,提出了大力发展热喷涂产业的思考和建议。
[关键词] 热喷涂http://www.sunspraying.com/kepuyuandi/repentu/20120914/1347588345484.html;再制造;可持续发展
1 热喷涂技术在可持续发展中的特点和地位
1. 1 节能降耗
1. 1. 1 基础零部件方面
化纤纺机的纺丝、导丝部件中有几十种都采用等离子喷涂陶瓷涂层,使用寿命比传统的镀铬件、热处理件提高了5~10倍,且基体可采用轻质铝合金制造,显著降低机器运转能耗。化工、石油、医药等行业用的计量泵、往复泵和各种液压缸,量大面广,其柱塞、活塞杆采用热喷涂涂层代替镀铬涂层,使用寿命可提高3~6倍,节约了大量优质钢材。
1. 1. 2 燃煤锅炉管道方面
传统的燃煤锅炉水冷壁管、过热器管等由于遭受高温含硫燃气的冲蚀,使用寿命短,一般1 a左右就需停产维修。如1台300MW的电站锅炉,大修1次需停产7~15 d,每天将减少发电7×106kW·h。采用热喷涂耐热耐蚀涂层保护,可使燃煤锅炉管道大修寿命延长1倍以上,全国推广不仅节约大量优质锅炉管道钢材,而且减少停机,增加发电,效益巨大,是热喷涂技术在能源生产领域最重大的应用成果之一。
1. 1. 3 新能源开发方面
风能已成为新能源开发的热点之一。风力发电的关键部件———风机叶片,长期露天运行,经受日晒雨淋,风吹、雪侵、沙打,其产生蚀坑后,将严重危害风力发电机叶片运行的动平衡,危及风力发电的效率和安全,对其实施长效保护,热喷涂技术是首选。在核能工业领域中,采用热喷涂技术制备中子吸收涂层、X射线吸收涂层、梯度功能材料、耐高温陶瓷涂层、镍基高钨合金等,大大简化了核电站的结构设计,提高了核电生产效能和安全性,被称为“核电设计的革命”。燃料电池是未来电动汽车等交通工具动力发展的重要方向。用热喷涂技术制造固体燃料电池,能够选择具有高离子导通率的电解质材料,降低电解质层厚度,从而降低工作温度和内部损耗,而且沉积效率高。
1. 2 循环经济与再制造
全球经济的高速发展催动了制造业的飞速发展,也伴生了设备、零部件的过时、损坏和报废。在工业领域,有70%~80%的机器是因摩擦磨损而损坏的。大量的垃圾和废旧物品,不仅造成严重的环境污染,而且造成资源的巨大消耗和浪费,已直接危及人类的健康、生存和可持续发展。因此,循环经济与再制造应运而生。
这里所说的再制造,是狭义的指各种机械设备和零部件因磨损、腐蚀等原因而出现功能变坏甚至失效,但结构性能(如强度、组织结构等)仍完好,采用各种先进的表面工程技术进行修复,达到修旧利废、整旧如新、整旧胜新的目的。我国拥有庞大的制造业资产,有巨大的再制造产业发展市场和潜力。例如,火车及内燃机曲轴,钢铁工业的各种炉辊、轧辊,煤矿及铸造行业用的液压活塞杆,工程机械、建筑机械等的易损部件等,进行大批量再制造生产技术上已成熟,需要的是体制创新。热喷涂技术具有许多独特优点,有能力、有希望成为再制造领域中强有力的竞争者。
1. 3 绿色环保
1. 3. 1 钢结构的长效防蚀
全世界每年生产的钢材约有1/10因腐蚀而报废。在表面积与质量之比较小的大型钢结构的长效防蚀领域,热喷涂涂层具有使用寿命长、生产效率高、综合成本低、污染小等特点。在大型户外钢结构上热喷涂锌、铝及其合金涂层,在各种大气和水腐蚀环境中1次大修期(使用寿命)可达20 a以上,经适当的封孔处理和薄层涂装,使用寿命可达30~50 a。一般的涂料涂装防护,使用寿命仅3~5 a,重防蚀涂装约为10 a。因此,热喷涂长效防蚀涂层的使用寿命比涂料涂装防护延长3~10倍,从而可大大减少涂装维修和涂装施工中有机挥发物的污染,每年还可少用成千上万吨有机涂料,为环境友好型技术,可广泛应用于海洋开发平台、舰船、储罐、闸门、管道、桥梁、铁塔等行业。
1. 3. 2 取代镀硬铬
硬铬镀层由于具有硬度高、摩擦系数较小、镀层较薄、表面粗糙度好、加工量小、耐蚀抗氧化、成本低等特点,在各个工业领域被广泛用作耐腐蚀、耐磨损镀层,如用于各类轴和轴颈、活塞杆、活门芯、机械密封环、各种导辊、冷轧和精整辊等。其工艺流程复杂,排放大量废水,即使不使用剧毒的氰化物槽液,排放的大量废水中也含有大量的酸液和有毒的六价铬离子,成为水环境的严重污染源之一。
近年来,热喷涂技术由于工艺和材料选择范围广,能够选择硬度高、摩擦系数低、红硬性好、耐磨耐蚀性优异的氧化物或碳化物类陶瓷涂层取代电镀硬铬镀层,已在许多工业领域得到成功应用。用热喷涂涂层取代电镀硬铬镀层,从源头上根除电镀硬铬对水环境的严重污染,是可行可靠的发展方向。
1. 3. 3 减少汽车有害气体排放
汽车是当代广泛使用的交通运输工具,但其排放的气体对大气环境,特别是对大中城市大气环境的污染,已危及人类身心健康。随着汽车拥有量的急剧增加,这种危害日趋严重,伴生的严重环境污染已成为环境保护的重要课题。
电喷汽车的开发是近年来治理汽车排气污染的重要成果之一。电喷汽车排气系统中的电喷头为氧敏传感器,其工况条件相当恶劣,约遭受600~900℃高温排气的冲刷,还受到发动机起动时的温度骤变和强烈震动等因素的影响。采用等离子喷涂技术在氧敏传感器的表面喷涂一层尖晶石类氧化物陶瓷涂层,能对传感器的铂电极等进行有效的高温保护,其使用寿命长达数年,从而在汽车上得到成功而广泛的应用,且已完全自动化生产,如欧洲在上世纪90年代就已生产5×107只以上,有力地促进了严格的汽车尾气排放标准的贯彻实施。
1. 4 在宇航工业中的作用
在上世纪50年代,随着喷气式飞机和火箭技术的快速发展,为满足涂覆高温陶瓷涂层的需要,等离子喷涂技术应运而生;到了80年代,宇航工业在高温燃气动力学方面的成果应用,又催生出高速燃气火焰喷涂(HVOF)技术。这2种技术,迄今仍是热喷涂行业的主要技术。早在上世纪70年代末,美国制造航空发动机的惠普公司(W & P)生产的JD8航空发动机就使用了48种涂层材料,对2 800多个零部件进行热喷涂,使发动机的大修期由4 kh提高到16~24 kh,效益卓著。上世纪60~90年代,美国热喷涂工业以年均30%的速率增长,其中50%的销售额都在宇航工业。现今,美国在F-22战机上安装的F112发动机,其燃气轮机的进气温度约达1 650℃,推重比达10。美国高性能发动机综合计划(IHPTET)提出研制极音速发动机,其涡轮的前进气温度将高达1 980~2 080℃,平均级压比由1. 44提高到1. 85,推重比达15~20,速度可达10倍音速。航空发动机的热端部件制造技术是航空发动机的核心技术,而热喷涂技术将肩负重任,大有作为。
宇航工业是高新技术密集集成的高科技产业。到2020年,我国将批量生产大型民用飞机、运输机,实现军机生产的现代化,在大型民用飞机生产方面与空客、波音实现全球三足鼎立。不难想象,随着宇航工业的高速发展,热喷涂技术和热喷涂产业在涂层材料、热喷涂设备、工艺规程、质量检验等方面,都将迎来快速的发展和长足的进步。
2 思考与建议
改革开放以来,我国热喷涂技术和产业得到了相当大的发展,在国民经济中作出了重要贡献,但无论是产业规模还是发展水平,都还不能满足国民经济快速发展的需要,与先进国家相比还存在相当大的差距,可从如下方面改善:
(1)用“系统工程”的理念发展我国热喷涂产业
我国热喷涂行业要具有强有力的国际竞争力,就必须建立“产品和构件的功能与失效分析”、“涂层系统设计”、“热喷涂材料、装备的生产与研发”、“质量检验与产品认证”、“市场开拓与营销”、“产业的技术咨询与服务”等完整的工业体系,需要有像Sulzer-Metco那样的跨国公司,做大做强我国的热喷涂产业。
(2)用热喷涂技术发展我国复合材料产业
近年来,我国一些大中型户外钢结构,如闸门、铁塔、桥梁、油罐、舰船、大型铸管等,已逐渐采用工程承包、现场施工的方式进行喷锌、喷铝长效防护,成效显著。然而,这种方法劳动强度大、污染环境、成本高,加上承包施工中的利益链因素,因而质量很难保证,存在诸多隐患。
现在,热喷涂技术已不仅是机械行业重要的表面强化与防护技术,正发展成重要的复合材料制造技术,如用热喷涂技术制造梯度功能材料、超导材料、生物功能材料、纳米涂层材料等。用热喷涂技术在钢铁生产中制造复合钢材,用于制造面积与质量之比较小的各种大中型钢结构,在我国还是空白。现在我国钢铁产能严重过剩,如果钢厂转产中型或重型喷锌、喷铝复合钢材,既能成功实现产业结构调整,又能提高附加值。
(3)着力发展大型热喷涂再制造企业
对于适合用热喷涂进行大批量再制造的基础零部件,应大力发展大型热喷涂再制造企业来进行跨行业、跨地区的大批量生产。可以采用以旧换新、税收优惠等措施,促进和鼓励这类企业做大做强,逐步淘汰小作坊式的、企业维修车间式的生产方式,加快形成我国的再制造产业。
(4)充分发挥热喷涂技术的特长以组织标准化、专业化生产
热喷涂技术最适于轴类、盘类零部件生产,而各行各业广泛使用的轴类零部件,其工艺流程和加工方式基本相同,只需建立大、中、小型车间,就能采用先进的热喷涂技术系统,组织标准化、专业化大批量生产,最大限度地优化管理,降低成本,优化效益。
(5)推行现代设计理念
机电产品的设计部门,要贯彻实施“高效、优质、长寿命”的设计理念,特别是“长寿命”,而对于“低成本”,不宜再提倡。低成本以“低的劳动力成本”、“高的资源消耗”、“严重的环境污染”为代价。低价带来的低工资制,制约了购买力和消费水平,使“扩内需”政策的落实步履维艰;高消耗导致许多资源紧张甚至枯竭;严重的环境污染危及人们的身心健康,也因污染治理而加重财政负担;低价低利润也使企业特别是中小企业少有积累来进行技术开发和产品升级,因而缺乏竞争力。
主机产品的长寿命, 70%以上取决于基础零部件的使用寿命,以基础零部件的高质量、同步寿命为前提,需要有先进的材料、装备、工艺、管理、高素质的员工以及长时期的试验认证等。在机电产品设计中,“低值易耗品”、“易损件”的设计理念,广铺“备品备件厂”的布局,必将随着粗放经营时代的结束而过去。在延长基础零部件使用寿命、节能节材方面有突出特色的热喷涂技术,其产业将得到较大发展。
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参考文献略
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