Análise da influência do acabamento superficial no desgaste erosivo simulando ataque de cinzas volantes e na resistência à corrosão de revestimentos de Fe-Cr-B-Mn-Si obtidos por aspersão térmica

Abstract

For a safe and cost-effective project, it is essential to assess erosive and corrosive wear or predict their rates in pulverized coal boiler components. The protection of boiler tubes against erosion caused by fly ash is essential for maintaining boiler efficiency. This study proposes a metallic coating based on Fe-Cr-B-Mn, applied using the electric arc thermal spray technique, as an alternative for protecting the most impacted areas of boiler tubes from ash erosion. The impact of different surface finishes, obtained through grinding, on the erosive wear resistance of the coating was analyzed. The electric arc thermal spray was performed manually at an angle between the gun and the plate of 90 degrees, in atmospheric air. The coating's surface roughness (Ra) was measured with a rugosimeter, in 2 preferential directions, was found to have values between 11-17 um. Grinding was chosen as the machining process due to its efficiency in finishing thermally sprayed surfaces. Three conditions were analyzed: as-coated (Ra = 13.08 um), the intermediate surface finish (Ra = 2.495 um), and the surface fine finish (Ra = 0.486 um). Samples in all conditions were submitted to erosion tests according to ASTM G76, using alumina blasting. The surface was examined by scanning electron microscopy (SEM). The morphology of machining scars demonstrated a brittle failure mode of material removal during grinding. Additionally, the cross-section was investigated using optical microscopy. Erosive wear tests presented average erosion rates of 3.038 x 10-5 g/s, 2.23574 x 10-5 g/s, 2.77325 x 10-5 g/s for fine, intermediate, and as-coated finishes, respectively. Corrosion resistance was evaluated by potentiodynamic polarization in 3.5% NaCl using a saturated calomel electrode. Surface finishes reduced current density as roughness decreased, enhancing anticorrosive protection by 14-20% compared to the substrate. The results guided the optimized selection of materials and processes to protect boiler tubes from fly ash impact.

Para um projeto seguro e econômico, é fundamental avaliar o desgaste erosivo e corrosivo ou prever suas taxas nos componentes das caldeiras a carvão pulverizado. A proteção dos tubos da caldeira contra erosão causada por cinzas volantes é essencial para manter a eficiência da caldeira. Este estudo propõe um revestimento metálico à base de Fe-Cr-B-Mn, aspergido termicamente pela técnica de arco elétrico, como alternativa para protetiva das áreas mais impactadas dos tubos da caldeira da erosão por cinzas. Foi analisado o impacto de diferentes acabamentos de superfície, obtidos por meio de retífica, na resistência ao desgaste erosivo do revestimento. A aspersão térmica por arco elétrico foi realizada manualmente em um ângulo de 90 graus entre a pistola e a placa, em ar atmosférico. A rugosidade da superfície do revestimento (Ra) foi medida com um rugosímetro, em 2 direções preferenciais, e encontrou-se com valores entre 11 – 17 μm. A retífica foi escolhida como processo de usinagem devido à sua eficiência no acabamento de superfícies pulverizadas termicamente. Três condições foram analisadas: sem acabamento (Ra = 13,08 µm), acabamento superficial intermediário (Ra = 2,495 µm) e acabamento superficial fino (Ra = 0,486 µm). Amostras em todas as condições foram submetidas a testes de erosão de acordo com a norma ASTM G76, usando jateamento de alumina. A superfície foi examinada por microscopia eletrônica de varredura (MEV). A morfologia das cicatrizes de usinagem demonstrou um modo de falha frágil de remoção de material durante o esmerilhamento. Além disso, a seção transversal foi investigada usando microscopia óptica. Testes de desgaste erosivo apresentaram taxas médias de erosão de 3,038 x 10-5 g/s, 2,23574 x 10-5 g/s, 2,77325 x 10-5 g/s para acabamentos fino, intermediário e conforme revestido, respectivamente. A resistência à corrosão foi avaliada por polarização potenciodinâmica em NaCl 3,5%, usando eletrodo de calomelano saturado. Os acabamentos superficiais reduziram a densidade de corrente aumentando a proteção anticorrosiva em 14 - 20% em relação ao substrato. Os resultados orientaram a seleção otimizada de materiais e processos para proteger os tubos da caldeira do impacto das cinzas volantes