中速磨煤機用碳精密封環材質對比與選擇
摘 要： 碳精密封環在電廠中速磨煤機高溫制粉設備的密封中獲得了廣泛的應用， 已經成為電廠中速磨煤機量大面廣的易損性、關鍵性和基礎性零部件。本文分析了 浸銻碳精密封環和浸樹脂碳精密封環材質的機械性能、適用條件、使用效果和使用壽命的重大差異，確定了根據中速磨煤機的煤質情況對比兩種碳精密封環的密封效果和使用壽命，適合磨煤機工況，滿足磨煤機大修周期使用壽命的最佳碳精密封環性價比選擇原則。文中介紹的碳精密封環材質重量識別方法簡單，可幫助電廠用戶正確識別和選擇碳精密封環。
關鍵詞 ：浸銻，浸樹脂，中速磨煤機，碳精密封環
1 引 言
鍋爐制粉系統在我國燃煤電廠中占有重要地位，一是耗電量占廠用電的 15%～25%，二是廠區環境的主要污染源，因此倍受設計和運行部門關注。
中速磨煤機是一種對研磨施加外力，使其壓向旋轉著的磨盤而將煤塊擠壓成煤粉的機械。國外在 20世紀20年代電廠鍋爐上就開始采用中速磨煤機。我國只在最近一、二十年間才開始有廣泛的應用。針對火電廠主要輔機—中速磨煤機制造的落后情況，我國從1980年起先后從西方國家引進了RP，HP，MPS系列磨煤機，上海重型機器廠、沈陽重型機器廠、北京電力設備總廠等為引進消化吸收國外技術做出了重要貢獻。經過20多年的努力，我國中速磨煤機的制造、選型和運行可靠性都已經達到一個較高的水平。近幾年，隨著大容量火電機組的不斷投運，中速磨煤機的使用越來越多。
中速磨煤機的傳動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，在運行中由于磨煤機工況和密封風壓的變化，動靜之間不可避免的產生磨擦，磨煤機轉軸受到一定程度損傷，密封效果降低，漏風的增大導致密封風風壓的進一步降低，形成煤粉的泄漏，造成能耗的增加和環境污染。不少電廠將磨煤機的金屬迷宮密封也改造為碳精密封，利用碳精密封環的耐高溫、自潤滑特性，改善磨煤機密封狀況。
因此，碳精密封環已經成為電廠中速磨煤機量大面廣的易損性、關鍵性和基礎性零部件。密封環失效漏灰漏風，一方面導致減速機在惡劣的環境下運行，大量的粉塵灌進減速機內，使油質劣化，降低了磨煤機的使用壽命， 存在高溫熱風引起火災，導致設備損壞的危險，另 一方面也嚴重污染了廠內環境。
火電廠鍋爐側的內部環境污染治理有兩大切入點：制粉系統的防漏粉，風煙系統漏灰密封。磨煤機的密封技術是制粉系統漏粉防治的關鍵。碳精密封環材質的 正確識別和選擇對于電廠非常重要。
2 中速磨煤機碳精密封環
中速磨煤機碳精密封環是以石墨為基體，天然石墨、無定型碳及多種添加劑混合配方后經壓制 →燒結→浸漬→機械加工而成的分瓣式密封環。通常有 浸銻碳精密封環和浸樹脂碳精密封環兩種。由于材料配方、壓制燒結浸漬工藝差別和浸漬劑不同，材質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電、導熱、耐高溫、耐腐蝕、自潤滑、化學穩定性好、熱膨脹系數低等一系列突出優點，在化工、冶金、電力、宇航、核工業等許多領域中已經得到廣泛的應用，但是作為高溫耐磨密封材料，機械強度較低，耐磨和抗氧化性能較差，特別是受制備工藝的限制，在其內部殘留許多直通氣孔，其應用范圍受到了限制。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，再經高壓浸漬某種物質填塞氣孔，達到密實、增補強度。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合材料都進入了工業應用，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
浸漬的本質是液態物質在一定的溫度和壓力下向具有毛細管結構的固體滲透。碳石墨制品的孔隙率約 15%~30%，必須經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碳石墨復合新材料的機械物理性能產生重大影響，因此選用浸漬劑的原則是：滿足新材料的機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，浸漬罐放入產品后先抽真空，然后加壓，在一定的壓力和溫度下，使液態化樹脂滲透到石墨制品的氣孔中去。由于樹脂的熔點低，浸漬溫度通常在30~50℃左右，浸漬工藝比較簡單成熟， 浸樹脂材料機械物理性能雖有增強，但硬度變化不大，后續密封環加工比較容易， 因此 浸樹脂碳精密封環價格相對較低。
圖 2-b為浸樹脂碳精密封環的金相顯微結構， 石墨基體組織顆粒比較粗大、致密，顆粒間為樹脂充填物，質軟、拋光困難呈現為黑色。由于樹脂本身強度低、熔點低， 浸樹脂碳精密封環的高溫耐磨性較差，作為中速磨煤機密封環連續運轉壽命僅為 5000~8000小時。
圖 1 真空加壓法工藝流程
2.3浸銻碳精密封環
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。高溫狀態預抽真空和負壓狀態熔融銻的流動性目前尚未解決。因此，目前國內能浸漬銻的石墨制品生產廠家不多，真正實現高浸透率更少。
2-a 浸銻碳精密封環 2-b 浸樹脂碳精密封環
圖 2 浸銻石墨的金相顯微組織結構
石墨浸銻的高浸透率必須在加工工藝過程中進行保證， 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配方中進行了反復篩選， 通過配方改善石墨基體濕潤性、 氣孔率、孔隙， 提高石墨基體的微隙網狀孔隙結構，減少熔融銻浸漬的難度。熔融銻 仍采用傳統的高壓浸漬，在保障工藝安全的前提下，大大提高浸漬壓力，確保 熔融銻在過熱和強壓的狀態下充滿石墨基體理想分布的網狀微隙結構中 。 成都封潤科技的產品就實現了上述的工藝要求，通過實際應用比較，較好的保證了浸銻 碳精密封環的材質性能指標和現場惡劣工況下的需求。
圖 2-a為浸銻碳精密封環的金相顯微結構， 熔融銻填充孔隙后，比較均勻的分布在石墨基體骨架中，經拋光處理，金相圖中銻呈現為亮點，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，銻分布呈均勻網狀微隙，結構致密，拋光處理明顯感覺材質堅硬，因此浸銻 碳精密封環同時具有了石墨的高溫自潤滑性和金屬銻的高強度和高摩擦磨損性能，特別適合惡劣工況中速磨煤機傳動軸的熱粉密封，其連續運行壽命可以達到 20000~30000小時。
3 碳精密封環的對比與選擇
由于浸樹脂碳精密封環和浸銻碳精密封環高溫摩擦磨損性能差異很大，適應的磨煤機工作條件也不相同、使用效果和使用壽命差距也很大，電廠用戶應當正確識別和選擇。
表 1所列為 浸銻和浸樹脂碳精密封環的機械性能指標， 浸銻后石墨復合新材料的機械性能大大強化，密封效果和使用壽命顯著提高，但也增加了密封環機械加工的難度，因此， 浸銻碳精密封環質量提升的同時，制造成本也大幅增加。 抗壓和抗折試驗均在 WJ-10B 型萬能材料試驗機上進行，抗壓試樣尺寸為 10mm × 10mm × 10mm ，抗彎試樣尺寸為 10mm × 10mm × 64mm ，硬度測定使用 HS-19GDC 肖氏硬度計，試樣尺寸為 20mm × 20mm × 10mm ，體積密度試樣尺寸為 10mm × 10mm × 20mm 。執行標準為 GB1994-88 。
表 1 碳精密封環的材質性能及壽命對比
3.1 最佳性價比選擇原則
電廠用戶應根據中速磨煤機的煤質情況對比兩種碳精密封環的密封效果和使用壽命，確定一個適合磨煤機工況，滿足磨煤機大修周期使用壽命的最佳碳精密封環性價比。如果煤質條件好，浸樹脂碳精密封環經試用在一個大修期內無漏粉、密封效果良好，密封環的更換可以與磨煤機大修同步，可以從降低耗材成本的角度選用價格較低的浸樹脂碳精密封環。 但近年由于煤炭市場的變化，各電廠煤源不穩定，煤質下降，煤中矸石及雜鐵含量較多，造成磨煤機工況惡劣應選用浸銻碳精密封環 。
碳精密封環選擇不當直接的危害是： 1）密封環用量大，費用高；國產浸銻碳精密封環每環價格約0.8萬元，浸樹脂碳精密封環每環價格約0.6萬元。選用浸銻碳精密封環可以確保每個大修期內只更換一次密封環；如果選用浸樹脂碳精密封環，每個大修期內可能因為漏粉2~3次更換密封環，導致電廠（至少二套制粉系統）磨煤機密封環一項費用成倍增加（可達幾十萬元）。2）增加維護人力物力，影響生產。磨煤機傳動軸1.53米（最小型號），老規格密封環的更換要依次吊出磨輥、磨盤和傳動軸，其工作量很大。
以新海發電有限公司為例 [4] ， 2×220MW, 2×300MW機組共有ZGM95型中速磨煤機18臺，其中10臺為2環密封，6臺為3環密封，2臺為4環密封，共需密封環46環，選用 浸銻碳精密封環 平均每年材料費近 40萬元；選用 浸樹脂碳精密封環 平均每年材料費將超過 60萬元，加上人力物力和燃油投入損失，磨煤機密封耗資將超80萬元。
徐塘發電有限公司 4×300MW機組共有ZGM95型中速磨煤機20臺，為2環密封，如果密封環壽命能保證一個大修周期（通常以磨輥及磨盤磨損情況確定），每年需 浸銻 密封環 24環，合計約20萬元，如果選用 浸樹脂碳精密封環 每年至少更換兩次，僅材料費就將超過 30萬元，加上人力物力和停產損失，磨煤機密封耗資將超40萬以上。
3.2 浸銻與浸樹脂碳精密封環的重量識別法
當前乃至相當一段時間內，電煤市場緊張，燃用劣質煤或摻配燃燒的電廠不在少數，磨煤機實際工況偏離設計工況，在這種情況下，正確選擇磨煤機碳精密封環顯得非常重要，用戶對磨煤機碳精密封環不但要正確選擇還應對其正確識別。
通過金相、成分和材質性能檢驗是鑒定密封環中是否含有銻最科學的方法，但對于用戶，這樣的鑒別方法很難采用。本文推薦一個最簡單有效的重量識別法。
以 ZGM95磨為例，密封環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 ，按行業標準浸銻碳精密封環比重必須大于2.2 g/cm 3 ，浸樹脂碳精密封環比重約為1.9 g/cm 3 ，計算可得浸樹脂碳精密封環每段約為 90~100 g，浸銻碳精密封環每段約為110~120 g。
碳精密封環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，相同規格的浸銻碳精密封環重量越大，銻的浸透率越高。
4 結論
1 ）浸銻石墨材料具有優良的高溫摩擦磨損性能，特別適合電廠中速磨煤機傳動軸的粉塵密封。
2 ）目前我國電廠使用的碳精密封環有 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，適應的磨煤機工作條件也不相同、密封效果和使用壽命差距也很大，電廠用戶應當正確識別和選擇。
3 ） 碳精密封環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，相同規格的浸銻碳精密封環重量越大，銻的浸透率越高。
