ＳｉＣ陶瓷水煤漿噴嘴與其它材質(zhì)噴嘴的比較研究

摘要 以純度高于99%的SiC粉為原料，一定比例的硼粉和碳粉作為添加劑，在120MPa下等靜壓成形，在氫氣氣氛下熱壓燒結(jié)制成SiC陶瓷水煤漿噴嘴，并在相同試驗(yàn)條件下，與相同尺寸的材質(zhì)為45#鋼、YG8硬質(zhì)合金的噴嘴進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明：SiC陶瓷水煤漿噴嘴的使用壽命是45#鋼材質(zhì)使用壽命的150～200倍，是YG8硬質(zhì)合金材質(zhì)的1.5～2.0倍；另外，SiC陶瓷水煤漿噴嘴失效的主要原因是噴嘴出口處的熱崩。

關(guān)鍵詞 SiC陶瓷，噴嘴，水煤漿

1前言

據(jù)世界能源資源統(tǒng)計(jì)報(bào)道，目前世界上煤的儲(chǔ)藏量要大大超過油的儲(chǔ)藏量，石油的開采只能再持續(xù)30～40年，而煤的開采仍可持續(xù)200～300年。再者，我國礦物質(zhì)能源以煤為主，因而充分而又合理地利用煤資源、大力發(fā)展清潔煤技術(shù)，高效清潔地利用我國煤炭資源，對(duì)于當(dāng)前建設(shè)節(jié)約型社會(huì)、社會(huì)主義和諧社會(huì)、促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定快速發(fā)展，以及解決發(fā)展所帶來的能源危機(jī)具有極其重要的戰(zhàn)略意義。順應(yīng)這一趨勢，水煤漿作為一種新型煤基代油液體燃料已越來越廣泛地應(yīng)用于我國的電力、石化、冶金、建材等行業(yè)的鍋爐、窯爐和鍛造爐上。

水煤漿（Coal Water Mixture，簡稱CWM）是將煤粉碎成一定粒徑并與水和添加劑按60%～70%、30%～40%、1%的比例混合制成的高濃度煤/水分散體系，它既保持了煤炭原有的物理、化學(xué)特征，又具有石油一樣的流動(dòng)性和穩(wěn)定性，可以像石油一樣在燃燒器上燃燒，而噴嘴就是水煤漿燃燒器的關(guān)鍵部件。工作時(shí)，噴嘴將處在最高溫度達(dá)1400℃的溫度場中，同時(shí)其內(nèi)壁受到水煤漿中黃鐵礦、石英等許多高硬度粒子的高速?zèng)_擊，使其產(chǎn)生嚴(yán)重的低角度熱沖蝕磨損，易導(dǎo)致噴嘴的快速失效。

2制作水煤漿噴嘴的常用材料

目前，制造水煤漿噴嘴的材料主要有：金屬、硬質(zhì)合金和陶瓷三大類。金屬水煤漿噴嘴制造簡單、成本低廉，并且金屬的加工性能比較好，可用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的水煤漿噴嘴，但是金屬噴嘴的使用壽命很短，需要頻繁地更換，給生產(chǎn)造成很多不便。這樣既增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，又影響了生產(chǎn)。硬質(zhì)合金水煤漿噴嘴的制造工藝相對(duì)要復(fù)雜，成本也高，但壽命長。現(xiàn)在這種材料制造的水煤漿噴嘴在生產(chǎn)中使用較多。陶瓷水煤漿噴嘴是在前兩者的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，雖然與前兩者相比，陶瓷水煤漿噴嘴的制造工藝要復(fù)雜很多，成本也高很多，但由于陶瓷具有很好的耐磨、耐腐蝕、耐高溫的性能，使用壽命比前兩者都要長很多，是一種理想的材料。陶瓷家族中的SiC陶瓷具有硬度高、強(qiáng)度高、韌性好（相對(duì)于其它陶瓷材料）、耐高溫、抗熱震、耐腐蝕、抗沖蝕、耐磨、重量輕及熱傳導(dǎo)性能良好等優(yōu)點(diǎn)。筆者基于SiC陶瓷的這些優(yōu)點(diǎn)，嘗試用SiC陶瓷材料制作水煤漿噴嘴。

3水煤漿噴嘴的制備

在純度高于99%的SiC粉中加入一定比例的硼粉和碳粉作為添加劑，再以乙醇為介質(zhì)球磨。經(jīng)烘干、過篩處理后，進(jìn)行120MPa等靜壓成形，再裝入石墨模具中，并加入SiC粉，在氫氣氣氛下熱壓燒結(jié)。燒結(jié)溫度為1950℃，壓力為30MPa，保溫30min。把燒結(jié)好的產(chǎn)品做適量的表面加工，得到SiC水煤漿噴嘴成品，用浮力法測得其密度為3.11g/cm3，制得的噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

4對(duì)比試驗(yàn)

選用另外兩種材質(zhì)分別為45#鋼和YG8硬質(zhì)合金具有相同尺寸的水煤漿噴嘴與以上制得的噴嘴一起做比較試驗(yàn)。把噴嘴安裝（裝置圖見圖2）在水煤漿燃燒器上，在2t/h蒸汽鍋爐（型號(hào)為DNS2-1.0-SM）上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)所用的水煤漿濃度為65%左右，發(fā)熱量18.81～20.48MJ/kg、粘度1000～2500MPa/S、粒度40～80μm。水煤漿的額定消耗量200kg/h，供漿壓力0.3MPa，霧化氣壓力0.25～0.50MPa，鍋爐爐膛最高溫度為1400℃。

用電子天平（雙圈牌，型號(hào)為MA240D，精確到0.0001g）分別測量三種噴嘴磨損后的重量，計(jì)算出質(zhì)量損失，再用公式精確計(jì)算出噴嘴的體積磨損率W。體積磨損率W表示單位質(zhì)量的水煤漿所引起的噴嘴體積損失。

圖2 噴嘴安裝圖

W=m₁/(d·m₂)

上式中：

m₁ —— 噴嘴的質(zhì)量損失

d—— 噴嘴材料的密度

m₂ —— 試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)噴嘴質(zhì)量損失中的水煤漿的消耗量

用掃描電子顯微鏡對(duì)試驗(yàn)過的噴嘴內(nèi)壁表面形貌進(jìn)行觀察分析并對(duì)噴嘴出口拍照。

5 結(jié)果和分析

圖3中的三條曲線分別表示了45#鋼、YG8硬質(zhì)合金和SiC陶瓷三種水煤漿噴嘴的沖蝕率隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。45＃鋼噴嘴的沖蝕率隨時(shí)間的增加而加劇，然后趨于平緩。趨于平緩后，45#鋼噴嘴的沖蝕率是SiC陶瓷噴嘴的150～200倍，YG8硬質(zhì)合金噴嘴是SiC陶瓷噴嘴的1.5～2.0倍。因?yàn)閲娮斓氖c噴嘴的體積損失量是直接相關(guān)的，所以說SiC陶瓷噴嘴的使用壽命是45＃鋼噴嘴的150～200倍，是YG8硬質(zhì)合金噴嘴的1.5～2.0倍。

圖3 水煤漿噴嘴沖蝕率與沖蝕時(shí)間的關(guān)系曲線圖

圖4是三種噴嘴出口再試用后的表面形貌照片。由圖可見，45＃鋼噴嘴的孔徑顯著增大；YG8硬質(zhì)合金噴嘴的孔徑變化很小；SiC陶瓷噴嘴的孔徑變化則更小，但表面出現(xiàn)了脫落。導(dǎo)致這種脫落的原因可能有兩種：一種是由于水煤漿中硬質(zhì)粒子的沖擊所致；另一種是由于噴嘴出口處表里存在很大溫差，這種溫差形成的熱應(yīng)力使出口處表層產(chǎn)生熱崩。但因?yàn)閳D5顯示的SiC陶瓷噴嘴的內(nèi)表面很光滑，水煤漿中的硬質(zhì)粒子對(duì)SiC材料的沖擊根本不會(huì)導(dǎo)致表層脫落，所以可以排除第一種可能，其根本原因在于第二種—熱崩。

（1） 45#鋼噴嘴 （2） YG8硬質(zhì)合金噴嘴 （3） SiC陶瓷噴嘴

圖4 水煤漿噴嘴出口沖蝕磨損表面形貌照片

（1） YG8硬質(zhì)合金噴嘴（2） 45#鋼噴嘴（3） SiC陶瓷噴嘴

圖5 水煤漿噴嘴內(nèi)壁磨損表面形貌SEM照片

6結(jié)論

(1) 在相同試驗(yàn)條件下，SiC陶瓷水煤漿噴嘴的使用壽命是45#鋼噴嘴使用壽命的150～200倍，是YG8硬質(zhì)合金噴嘴的1.5～2.0倍；

(2) SiC陶瓷水煤漿噴嘴失效的主要原因是噴嘴出口處的熱崩。

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