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制成SiC陶瓷水煤漿噴嘴，并在相同試驗條件下，與相同尺寸的材質為45#鋼、YG8硬質合金的噴嘴進行對比試驗。結果表明：SiC陶瓷水煤漿噴嘴的使用壽命是45#鋼材質使用壽命的150～200倍，是YG8硬質合金材質的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。

關鍵詞 SiC陶瓷，噴嘴，水煤漿

1前言

據(jù)世界能源資源統(tǒng)計報道，目前世界上煤的儲藏量要大大超過油的儲藏量，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，高效清潔地利用我國煤炭資源，對于當前建設節(jié)約型社會、社會主義和諧社會、促進國民經(jīng)濟的穩(wěn)定快速發(fā)展，以及解決發(fā)展所帶來的能源危機具有極其重要的戰(zhàn)略意義。順應這一趨勢，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、化學特征，又具有石油一樣的流動性和穩(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鍵部件。工作時，噴嘴將處在最高溫度達1400℃的溫度場中，同時其內(nèi)壁受到水煤漿中黃鐵礦、石英等許多高硬度粒子的高速沖擊，使其產(chǎn)生嚴重的低角度熱沖蝕磨損，易導致噴嘴的快速失效。

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，可用于制造結構復雜的水煤漿噴嘴，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強度，又影響了生產(chǎn)。硬質合金水煤漿噴嘴的制造工藝相對要復雜，成本也高，但壽命長?，F(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、強度高、韌性好（相對于其它陶瓷材料）、耐高溫、抗熱震、耐腐蝕、抗沖蝕、耐磨、重量輕及熱傳導性能良好等優(yōu)點。筆者基于SiC陶瓷的這些優(yōu)點，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，再以乙醇為介質球磨。經(jīng)烘干、過篩處理后，進行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。燒結溫度為1950℃，壓力為30MPa，保溫30min。把燒結好的產(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，制得的噴嘴結構如圖1所示。

圖1 噴嘴結構示意圖

4對比試驗

選用另外兩種材質分別為45#鋼和YG8硬質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。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（型號為DNS2-1.0-SM）上進行試驗，試驗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，型號為MA240D，精確到0.0001g）分別測量三種噴嘴磨損后的重量，計算出質量損失，再用公式精確計算出噴嘴的體積磨損率W。體積磨損率W表示單位質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 —— 噴嘴的質量損失

d—— 噴嘴材料的密度

m₂ —— 試驗中對應噴嘴質量損失中的水煤漿的消耗量

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

5 結果和分析

圖3中的三條曲線分別表示了45#鋼、YG8硬質合金和SiC陶瓷三種水煤漿噴嘴的沖蝕率隨時間變化的關系曲線。45＃鋼噴嘴的沖蝕率隨時間的增加而加劇，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硬質合金噴嘴是SiC陶瓷噴嘴的1.5～2.0倍。因為噴嘴的失效與噴嘴的體積損失量是直接相關的，所以說SiC陶瓷噴嘴的使用壽命是45＃鋼噴嘴的150～200倍，是YG8硬質合金噴嘴的1.5～2.0倍。

圖3 水煤漿噴嘴沖蝕率與沖蝕時間的關系曲線圖

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硬質合金噴嘴的孔徑變化很??；SiC陶瓷噴嘴的孔徑變化則更小，但表面出現(xiàn)了脫落。導致這種脫落的原因可能有兩種：一種是由于水煤漿中硬質粒子的沖擊所致；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力使出口處表層產(chǎn)生熱崩。但因為圖5顯示的SiC陶瓷噴嘴的內(nèi)表面很光滑，水煤漿中的硬質粒子對SiC材料的沖擊根本不會導致表層脫落，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結論

(1) 在相同試驗條件下，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。

參考文獻

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