用氧化鋯陶瓷材料制作電廠除灰閥門耐磨部件的分析

楊興強(qiáng)

（蓬萊半島電力設(shè)備有限公司，山東 煙臺(tái) 265600）

引言

目前，我國火力發(fā)電廠的除灰系統(tǒng)的閥門主要就是國外進(jìn)口，我國國產(chǎn)的除灰閥門比較少?；鹆Πl(fā)電廠除灰閥門的壽命比較短，一般使用幾個(gè)星期或是半個(gè)月左右就需要更換，這不僅需要電廠投入更多的資金，也是對環(huán)境的污染。目前，除灰閥門滲漏是行業(yè)難以解決的問題，而且對電廠工作的進(jìn)行也有一定的影響。除灰閥門的滲漏主要就是電廠的產(chǎn)品有一定的弱酸性，導(dǎo)致對除灰閥門的腐蝕。而氧化鋯陶瓷不會(huì)被腐蝕，氧化鋯陶瓷可以抵抗弱酸性的影響，這樣除灰閥門使用的時(shí)間也就更長，一般可以提升壽命10倍左右，這就可以保證電廠除灰系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，避免對產(chǎn)品的影響，保證系統(tǒng)維護(hù)工作的正常運(yùn)行。

1 陶瓷材料概述

陶瓷的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要為具有較強(qiáng)的離子鍵和共價(jià)鍵。陶瓷的顯微組織是不均勻的，而且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜[1]。陶瓷經(jīng)過多項(xiàng)工藝才成形，主要經(jīng)過粉碎、成形和燒結(jié)等過程，所以陶瓷的顯微組織中存在晶體相、玻璃相等，各相相對量也不同。而且一旦陶瓷燒制成形，陶瓷的結(jié)構(gòu)和組織就比較穩(wěn)定，不會(huì)改變。氧化鋯是自然界礦物原料，純氧化鋯是一種耐火性比較強(qiáng)的材料。氧化鋯材料的硬度比較高，而且強(qiáng)度高，韌性也比較高。氧化鋯陶瓷制備的方法比較多，氧化鋯陶瓷的高韌性、高抗壓、耐磨性和隔熱性比較強(qiáng)，這些特點(diǎn)促進(jìn)了氧化鋯陶瓷在電廠除灰閥門耐磨部件制作中的應(yīng)用。

2 電廠除灰閥門耐磨部件的加工工藝

2.1 材料確定

很多材料都能加工成電廠除灰閥門，但是制成的閥門質(zhì)量不同。本文選擇氧化鋯陶瓷進(jìn)行研究。主要是由于氧化鋯陶瓷的熔點(diǎn)比較高，而且在任何環(huán)境下都比較穩(wěn)定，與很多金屬和化合物接觸時(shí)，也比較穩(wěn)定，氧化鋯陶瓷在高溫下的性能優(yōu)于氧化鋁。在應(yīng)力作用下，氧化鋯陶瓷也比較穩(wěn)定，相變時(shí)能夠?qū)⑾嘧兊哪芰课?，而且還能增加自身裂紋擴(kuò)張能力，實(shí)現(xiàn)尖端應(yīng)力松弛[2]。

2.2 制作方法

2.2.1 噴霧干燥法

噴霧干燥法是采用化學(xué)原料進(jìn)行制作，主要就是采用帶八個(gè)水的氯氧化鋯和氧化鎂進(jìn)行研究，氯氧化鋯的純度高于99.9%，制備的過程是在高速離心噴霧干燥儀器中進(jìn)行，所以被稱為噴霧干燥法。這一過程主要就是為了得到Mg-PSZ粉末，反應(yīng)的條件為900℃下進(jìn)行灼燒，時(shí)間為2 h。反應(yīng)需要選擇氧化鎂進(jìn)行研究，主要就是將氧化鎂粉末和氧化鋯進(jìn)行配比，之后將其放入干燥劑中，以5 L/h等速度進(jìn)行例行噴霧，在高速旋轉(zhuǎn)下氧化鋯液化，這樣氧化鋯可以充分與空氣接觸，氧化鋯溶液中的水分可以被快速的蒸發(fā)，之后需要將霧氣收集在收集瓶中，廢氣需要經(jīng)過離心排風(fēng)機(jī)排除[3]。然后設(shè)置一定的條件得到Mg-PSZ粉末，設(shè)置噴頭壓力為1.5×10-1MPa，進(jìn)口溫度設(shè)置為400℃，出口溫度為140℃。這樣就可以得到純度更高M(jìn)g-PSZ粉末，而且得到的粉末濕度可以控制在0.15%～0.2%。將得到的Mg-PSZ粉末在900℃下灼燒2 h就可以得到Mg-PSZ顆粒。

2.2.2 常壓燒結(jié)法

常壓燒結(jié)法也是陶瓷成形的一種方式，在制作電廠除灰閥門的時(shí)候可以采用以下四個(gè)階段進(jìn)行。燒結(jié)的過程是在馬弗爐中進(jìn)行，條件為常壓。

1）蒸發(fā)期。這一階段主要就是讓氧化鋯中的水分排出，這樣才能進(jìn)行其他工作，此時(shí)需要的溫度為300℃。

2）轉(zhuǎn)化期。在轉(zhuǎn)化期，氧化鋯發(fā)生分解和晶型化，這一階段，氧化鋯不僅發(fā)生了物理反應(yīng)，還發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，這是氧化鋯電廠除灰閥門制作的重要的過程。此時(shí)需要的溫度需要大于300℃，溫度需要保持在950℃以下。

3）玻化成瓷期。這一階段是實(shí)現(xiàn)成形的關(guān)鍵，也是通過胚體的原料的活動(dòng)和高溫下固態(tài)原子的擴(kuò)張實(shí)現(xiàn)成形，也就是實(shí)現(xiàn)顆粒之間的合并。此時(shí)的溫度需要在950℃以上，但是需要控制在1470℃以下。

4）冷卻期。在這一階段氧化鋯臺(tái)陶瓷已經(jīng)成形，但是溫度還比較高，這一階段主要就是讓氧化鋯陶瓷降低溫度，避免由溫度變化過快導(dǎo)致陶瓷的結(jié)構(gòu)的變化。

采用這種方式進(jìn)行燒結(jié)，可以得到較高的氧化鋯陶瓷，而且其中的晶體細(xì)度比較高，晶體裂紋的情況也可以改善。采用這種方式進(jìn)行燒結(jié)得到的氧化鋯陶瓷的質(zhì)量更好。采用等溫分級進(jìn)行燒結(jié)的方式主要就是防止燒結(jié)中出現(xiàn)裂紋。在燒結(jié)中也需要注意燒結(jié)的最高溫度應(yīng)該控制在1 470℃左右，這樣才能保證晶粒的細(xì)度，溫度變化不能超過20℃。溫度過低會(huì)導(dǎo)致晶粒不規(guī)范，而溫度過高，晶粒的細(xì)度會(huì)降低。

2.3 切削加工

切削加工中要達(dá)到精度和細(xì)度的要求就需要進(jìn)行全面的研究工作。電廠除灰閥門部件的磨損部位主要就是閘板密封面、閥體密封面，還有就是除灰閥門等，現(xiàn)在一般研究的除灰閥門的孔徑為250 mm。這一孔徑比較大，所以就增大了燒結(jié)的難度，而且在燒結(jié)中容易出現(xiàn)不均勻、變形等問題，采用切削加工主要就是通過這種形式將產(chǎn)品在幾百噸的靜壓壓鑄機(jī)中進(jìn)行壓縮，主要就是為了保證晶體成形，采用模坯的方式進(jìn)行制作，而在之后的過程中間試驗(yàn)按照收縮比例進(jìn)行燒結(jié)，之后用冷加工的方式去掉中間的部分，就可以確保形狀好尺寸。采用這種方式得到的氧化鋯陶瓷的硬度比較高，而切削工作也會(huì)比較難，所以就需要在高溫?zé)Y(jié)的時(shí)候，注意收縮形變的問題，避免由于這一問題導(dǎo)致切削工作的增多。

3 氧化鋯陶瓷材料制作電廠除灰閥門耐磨部件的優(yōu)勢

3.1 與金屬除灰閥門比較

氧化鋯閥門與金屬相比，最大的優(yōu)勢就是耐磨。金屬閥門使用的時(shí)間最長也就是半年左右，最短的時(shí)間為幾個(gè)星期，更換的頻率比較高。而氧化鋯陶瓷閥門的壽命是金屬閥門的10倍，氧化鋯除灰閥門短時(shí)間內(nèi)不需要更換，最長可以使用5年左右。而經(jīng)濟(jì)性能上，雖然氧化鋯陶瓷閥門的費(fèi)用高于金屬除灰閥門，但是氧化鋯陶瓷閥門的壽命比較長，而從長遠(yuǎn)的角度看，還是氧化鋯陶除灰閥門的性能更優(yōu)越，雖然其價(jià)格比較貴，但是壽命長。

3.2 與氧化鋁閥門比較

與氧化鋁相比，氧化鋯除灰閥門的耐磨性能更高。氧化鋁除灰閥門的缺點(diǎn)就是氧化鋁比較脆，韌性比較低，所以這種材料不能做大口徑的閥門，而電廠的工作中，需要較多的大口徑閥門，而氧化鋁除灰閥門無法滿足要求。而氧化鋯陶瓷的硬度比較高，氧化鋯陶瓷的韌性也比較強(qiáng)，適合做大口徑的閥門。但是在實(shí)際的工作中，氧化鋯陶瓷制作電廠除灰閥門的工藝難度比較高，這是氧化鋯陶瓷除灰閥門制造中的主要的問題。

4 結(jié)語

氧化鋯是一種硬度比較高，韌性也比較強(qiáng)的材料，氧化鋯陶瓷可以解決電廠除灰閥門壽命短，投入成本較高的問題。雖然氧化鋯陶瓷的昂貴，但是其壽命長，從長遠(yuǎn)的角度看，具有應(yīng)用價(jià)值，可以降低電廠除灰閥門投入。但是目前，在氧化鋯陶瓷除灰閥門的制作中還存在較大的問題，主要是除灰閥門的制作工藝比較復(fù)雜，這也是行業(yè)有待解決的問題。