陳國順，鄭淵，陳素婷

（1.永嘉縣泵閥科技創(chuàng)新服務(wù)中心，永嘉 325105 2.特技閥門集團(tuán)有限公司，永嘉 325100）

1 前言

目前，我國化工產(chǎn)業(yè)廢水處理工作的要求不斷提升，黑水的科學(xué)處理被國家、社會提起了高度重視。在可持續(xù)發(fā)展的整體環(huán)境之中，大量腐蝕性物質(zhì)、污染物質(zhì)的處理已經(jīng)成為化工行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，氧化鋯陶瓷材料的出現(xiàn)與應(yīng)用為之后化工行業(yè)廢水處理提供了更多的可能性。氧化鋯陶瓷材料出現(xiàn)于19世紀(jì)七十年代，短時間內(nèi)得到高速普及，被應(yīng)用于多個行業(yè)，探索中由之前與其他金屬材料相結(jié)合的生產(chǎn)形式逐漸發(fā)展，最終達(dá)成改進(jìn)目標(biāo)，生成陶瓷球閥。在實(shí)際使用中，化工企業(yè)以及其他廢水污水處理企業(yè)發(fā)現(xiàn)，此材料穩(wěn)定性極高，抗高溫、腐蝕、耐磨損，是可持續(xù)應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)材料，也因此該材料再一次獲得了普及。我國緊跟時代發(fā)展，在氧化鋯陶瓷材料的生產(chǎn)中也跟隨世界上其他國家成為氧化鋯陶瓷材料生產(chǎn)的主力。

2 氧化鋯陶瓷球閥的應(yīng)用價值

陶瓷材料天然具有抗腐蝕的效果，主要被分為結(jié)構(gòu)陶瓷材料、功能陶瓷材料。其中，結(jié)構(gòu)陶瓷材料在機(jī)械中應(yīng)用，抗腐蝕能力方面特點(diǎn)突出，而功能陶瓷材料則具備多功能性特征，包含熱、電、力、磁等多種功能[1]。陶瓷球閥的結(jié)構(gòu)材料種類多元，氧化鋯只是其中的一種，有區(qū)域韌性強(qiáng)，可以接受較高的扭矩，所以得到普及應(yīng)用。陶瓷球閥，主要形狀為球體，形狀包含半球形與全球形，不同球體形狀使用的區(qū)域各有差異。半球形陶瓷球閥：應(yīng)用場合為介質(zhì)黏稠、容易固化、結(jié)垢以及大顆粒的場合，尤其是氧化鈣、石灰混合物等[2]。

全球型陶瓷球閥應(yīng)用場合：主要包含石油、蒸汽、泥漿、氣體等介質(zhì)的運(yùn)輸。全球型陶瓷球閥通孔形狀主要分為兩類，一類是O型球閥，在管道中以截斷、改變介質(zhì)流向?yàn)橹?；另一類則是V型球閥，在管理中心具有控制作用，選擇不同的角度，液體流量得到規(guī)范，被控制在規(guī)定的范圍之中，不同的通孔使用的場合也有所差異。陶瓷球閥配備有執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電動型、氣動性）與否，其主要被分為兩類：控制型、非控制型。按照閥門的數(shù)目，其也可以被分成二通型、三通型以及四通型等多種類型。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

化工處理方面，煤化黑水中含有大量的氯離子，具有腐蝕性。本文研究內(nèi)容主要圍繞氧化鋯抗腐蝕性能展開分析，研究技術(shù)應(yīng)用鹽霧腐蝕試驗(yàn)，研究標(biāo)準(zhǔn)以硬度值為主[3]。黑水介質(zhì)中存在渣體沉淀，直徑約為0.05mm，顆粒中的Si02、Fe203、A1203等的各項(xiàng)成分在運(yùn)輸中會與閥內(nèi)件相互產(chǎn)生摩擦力，運(yùn)輸設(shè)備中閥內(nèi)件也會在摩擦力作用中出現(xiàn)磨損。本文在硬度分析實(shí)驗(yàn)中采用的方法為磨損實(shí)驗(yàn)法，以檢驗(yàn)材料真實(shí)的抗磨損性能。

4 鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)方案及準(zhǔn)備工作

本實(shí)驗(yàn)選擇以分組實(shí)驗(yàn)展開，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱，標(biāo)準(zhǔn)按照國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)（GB2423.17）中內(nèi)容判斷[4]。實(shí)驗(yàn)組別共計6組，每種材料實(shí)驗(yàn)樣品18塊，材料實(shí)驗(yàn)樣品在經(jīng)過處理（處理流程：打磨、拋光、用酒精清洗、晾干等，最后稱重計算每組實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)樣品的平均重量數(shù)值）之后，可投入實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)時間預(yù)計從第8個小時開啟，為實(shí)驗(yàn)樣品提供充分的反應(yīng)時間，檢測數(shù)據(jù)記錄自8小時之后以倍數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)逐步展開，檢測數(shù)據(jù)序號在每一次提取之后逐步增大，實(shí)驗(yàn)時間持續(xù)到72小時后可停止，此時的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)以逐步趨于穩(wěn)定，并無較大的持續(xù)實(shí)驗(yàn)價值。試驗(yàn)后實(shí)驗(yàn)樣品腐蝕物需通過物理清除的方式展開，通過超聲波清洗的形式檢驗(yàn)腐蝕物質(zhì)重量，清洗介質(zhì)為無水酒精。

4.2 鹽霧實(shí)驗(yàn)工作展開

本鹽霧試驗(yàn)按照上述實(shí)驗(yàn)方案流程展開，在氧化鋯陶瓷材料實(shí)驗(yàn)的同時另選了兩種實(shí)驗(yàn)樣品材料（F304、噴涂WC的F304），通過分組獲取了實(shí)驗(yàn)材料清洗的質(zhì)量得到數(shù)據(jù)，在使用鹽霧速率評定法計算出不同材料實(shí)驗(yàn)樣品的腐蝕速度。表1為實(shí)驗(yàn)樣品清洗后腐蝕物的質(zhì)量，表2為實(shí)驗(yàn)樣品去除腐蝕物后的凈重數(shù)據(jù)，表格數(shù)據(jù)單位：g。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品清洗后腐蝕物的質(zhì)量表

表2 實(shí)驗(yàn)樣品去除腐蝕物后的凈重數(shù)據(jù)表

鹽霧速率評定法公式：

本式中：K－腐蝕速度；m0－腐蝕前實(shí)驗(yàn)樣品的質(zhì)量；m1－腐蝕后實(shí)驗(yàn)樣品的質(zhì)量；s－腐蝕物取出后實(shí)驗(yàn)樣品檢測后的面積，t－實(shí)驗(yàn)樣品在實(shí)驗(yàn)中的腐蝕時間。經(jīng)分析后可知，上述三種實(shí)驗(yàn)樣品的實(shí)驗(yàn)速度各不相同，氧化鋯在受到氯離子的復(fù)試后，質(zhì)量并未發(fā)生變化。但是，噴涂WC的F304鋼材料與普通的F304鋼材料均受到了一定的腐蝕，而普通的鋼材料在沒有涂層保護(hù)的情況下，腐蝕問題較為嚴(yán)重。在實(shí)驗(yàn)樣品的觀察中可知，腐蝕前后的實(shí)驗(yàn)樣品各自呈現(xiàn)出了不同的撞他，氧化鋯無反應(yīng)，光澤度也并未受到影響。F304鋼材料在8小時地反映出其就出現(xiàn)了變化，直到72小時，F(xiàn)304鋼材料腐蝕面積不斷放大，產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的影響。噴涂的F304鋼材料也是在72小時的時間出現(xiàn)了霧狀腐蝕現(xiàn)象，且腐蝕孔洞問題也隨之暴露。

本實(shí)驗(yàn)研究者在查閱材料后發(fā)現(xiàn)氧化鋯的腐蝕毒較高，可長期投入使用，但是需避免與氫氟酸、玻璃溶液的接觸。

4.3 硬度實(shí)驗(yàn)

本硬度實(shí)驗(yàn)在方案制定中選擇將時間控制在15s，加以載荷=500g，硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)可通過硬度計數(shù)據(jù)顯示。本實(shí)驗(yàn)分別對上述三種材料的硬度值檢測，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，普通的F304鋼材料硬度值最低，僅為295HV，但是噴涂WC之后的F304鋼材料硬度值則呈大幅度上漲趨勢，一度達(dá)到了1354HV，硬度更是超出未噴涂WC涂層鋼材料359%，氧化鋯在硬度上是前兩種材料不可比擬的，硬度值達(dá)到了1498HV。

4.4 磨損試驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)主要研究目的為：選擇合適的材料控制閥內(nèi)渣體對設(shè)備材料的磨損問題，并檢驗(yàn)氧化鋯陶瓷材料是否具備使用價值。實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)設(shè)備為白光干涉儀器、磨損試驗(yàn)機(jī)器。在使用白光干涉儀器中，實(shí)驗(yàn)者可以獲得實(shí)驗(yàn)材料磨痕數(shù)據(jù)，并查看磨痕的形狀、特點(diǎn)等，生成磨痕凹槽曲線。三種實(shí)驗(yàn)樣品在與氮化硅陶瓷球體的相互摩擦作用力下，得到摩擦的參數(shù)，磨件規(guī)格為0.6cm，磨損試驗(yàn)中的參數(shù)數(shù)據(jù)如下表中內(nèi)容所示。

表3 實(shí)驗(yàn)機(jī)磨損實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

本研究通過對于實(shí)驗(yàn)樣品多個部分的磨痕分析發(fā)現(xiàn)，磨痕主要集中于兩面（a、b），磨損表面的分析可從此中的兩個方面展開。在a部分磨損區(qū)域下，磨痕形狀為，中間直口槽型，形狀外的實(shí)驗(yàn)樣品磨損區(qū)域較小且不明顯，拍攝一起為白光干涉儀器；b部分的磨痕則為直槽口凹坑曲線，由于作用力材料為球體形狀，直槽口中間部分較深。所選擇使用的操控邠由A-B方向產(chǎn)生磨痕，x軸的值代表了磨痕的長度情況，z軸則可代表磨痕的深度情況。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明氧化鋯材料磨損度較低，肉眼無法分辨，深度值＜1φm。F304鋼材料受磨損問題嚴(yán)重，磨痕寬度較寬，磨痕深度則穩(wěn)定于15φm，噴涂WCF304不銹鋼材料之后，不銹鋼材料主要被控制在0.3mm，在反復(fù)的摩擦力作用下，鋼材料涂層被刮掉，產(chǎn)生碎屑，再次進(jìn)入相互作用的兩個實(shí)驗(yàn)樣品中間，磨痕車貢獻(xiàn)出犁溝形狀。三種實(shí)驗(yàn)樣品對比分析后抗磨損度可得，氧化鋯陶瓷＞噴涂WC的F304鋼材料＞F304鋼材料。表4中數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)樣品的磨損體積情況，氧化鋯在抗磨損度方面仍舊展現(xiàn)出了自身的突出性能，高穩(wěn)定性使其得到大量普及。

表4 實(shí)驗(yàn)樣品磨損體積

4.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論生成

本文通過在球閥球體材料的實(shí)驗(yàn)，找出了最具穩(wěn)定性的材料氧化鋯陶瓷，通過對比分析的形式排除了鋼材料的使用價值。在化工產(chǎn)業(yè)的運(yùn)輸設(shè)備材料應(yīng)用中，鋼材料穩(wěn)定性較差，不具備使用價值，在鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)、硬度測試、抗摩擦力實(shí)驗(yàn)中其均不適用，仍具有一定的基礎(chǔ)壁壘。為保證運(yùn)輸質(zhì)量，選擇氧化鋯陶瓷材料是目前最明智的選擇。在上述實(shí)驗(yàn)分析中可知：

（1）在鹽霧的腐蝕性實(shí)驗(yàn)中，氧化鋯并無反應(yīng)，F(xiàn)304鋼材料與噴有WC涂層的F304鋼材料均出現(xiàn)了不同程度的腐蝕現(xiàn)象。在硬度測試之中，氧化鋯陶瓷硬度的數(shù)值為噴涂WC不銹鋼材料的1.1倍，是普通F304鋼材料的5倍。

（2）經(jīng)磨損實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)獲取可知，氧化鋯陶瓷磨痕的深度數(shù)值在肉眼狀態(tài)下難以分辨，在燈光條件下得以展示，但磨痕數(shù)量極少。普通F304鋼材料磨損為氧化鋯材料的15倍，磨損機(jī)器嚴(yán)重。而噴涂WC不銹鋼材料的磨損樹脂則為氧化鋯陶瓷材料的3倍，在無氧化鋯材料的環(huán)境下，噴涂WC不銹鋼材料具備使用價值，但是仍需以養(yǎng)護(hù)高陶瓷料為第一選擇。因此，氧化鋯套材料在各個方面均展示出了驚人的穩(wěn)定性，為化工行業(yè)以及其他行業(yè)的發(fā)展以及運(yùn)輸成本的控制帶來了較大的幫助。但是，本文在研究中并未對陶瓷材料的其他性能進(jìn)行研究，其自身作為一種“脆性材料”在發(fā)生劇烈震動的過程中，出現(xiàn)碎裂的可能性較大，在燒結(jié)之中，需添加相關(guān)的穩(wěn)定劑以保證其質(zhì)量。之后氧化鋯的發(fā)展及優(yōu)化方向可擬定于氧化鋯抗震能力的提升，在攻克氧化鋯“脆性”的難關(guān)上投入注意力，發(fā)現(xiàn)除了Y203、MgO等穩(wěn)定劑以外的其他優(yōu)化材料，用以解決目前的陶瓷球閥震動、材料高熱溫度變化下（熱震作用）等問題的處理，以控制溫度閥的高熱問題。

5 結(jié)論

綜上所述，本文主要針對氧化鋯陶瓷材料性能展開分析，針對該材料展開了三種實(shí)驗(yàn)，包含氧化鋯陶瓷材料的鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)、硬度實(shí)驗(yàn)以及磨損試驗(yàn)，整理出相關(guān)數(shù)據(jù)后，證明氧化鋯材料的使用價值，為之后相關(guān)單位氧化鋯材料的應(yīng)用提供建議。