新型復相碳化硅陶瓷在送粉管道上的應用

張亞軒 馬 俊 謝 悅 王 洋 常 威

（1.國能粵電臺山發(fā)電有限公司，廣東 臺山 529228；2.葫蘆島市華能工業(yè)陶瓷有限公司，遼寧 葫蘆島 125000）

0 引言

送粉管道用于將煤粉從磨煤機出口輸送到燃燒器，其運行特點是流速高、顆粒硬度高，且有一定溫度。在此運行環(huán)境下會造成磨損嚴重，特別是彎頭部分，不做任何防護措施，一般不到一年就會磨穿。這些設備大部分在高空支架上，檢修不方便，一旦磨穿，將會嚴重影響設備的安全使用。

常用的防磨材料包括中碳低合金鑄鋼、抗磨白口鑄鐵、氧化鋁陶瓷、橡膠、鑄石和高溫耐磨襯里等。這些材料對磨料磨損的攻角敏感，使耐磨材料在某一攻角下易于磨損，某些部位被磨漏，造成煤粉泄露，極大影響生產的安全性，對環(huán)境也造成了粉塵污染。

1 新型復相SiC陶瓷

SiC陶瓷是由碳化硅砂（別名金剛砂）添加高溫結合劑燒結而成。SiC陶瓷不僅具有優(yōu)良的常溫力學性能，如較高的抗彎強度、優(yōu)良的抗氧化性、良好的耐腐蝕性、較高的抗磨損以及較低的摩擦系數(shù)，而且高溫力學性能（強度、抗蠕變性等）是已知陶瓷材料中最佳的。在燃煤火力發(fā)電行業(yè)，考慮成本因素，作為防磨材料的碳化硅陶瓷是一種氧化物結合碳化硅陶瓷，與其他材料一樣，也存在對磨料磨損的攻角敏感的缺陷。

陶瓷材料是脆性材料，材料的磨損是“脆性磨削”，脆性材料不發(fā)生塑性變形而直接產生裂紋，隨后裂紋擴展，形成碎片狀磨屑。脆性材料在90°攻角下磨損最嚴重。為了提高新型復相SiC陶瓷的耐沖蝕性能，降低其沖蝕率，避免顆粒脫落，防止黏結相裂紋產生和擴展，可從以下方面加以改進。1） 提高級配的臨界粒度，臨界顆粒為5 mm，大顆粒穿插在中小顆粒和基質中，基質為大顆粒提供結合強度，大顆粒抵御沖擊磨損。2） 適當降低SiC顆粒的含量百分比，相應地提高黏結相百分比，從量上加強黏結相的黏結能力。3） 在基質中，加入240目、3%~5%的金屬硅，可以使陶瓷的結合更加致密，使結合界面得到加強。4） 加入高溫膨脹劑（紅柱石），高溫燒結過程程中，膨脹劑因晶型轉變，使體積增加5%，體積增加會使制品密度提高，進而提高了產品的耐磨性。

通過正交試驗設計，制成尺寸（長×寬×厚）20mm~55mm×20mm~55mm×3mm~10mm的樣塊，采用ASTM-G76-83標準做磨損試驗，篩選出合格的配方。

2 新型復相SiC陶瓷與Al2O3陶瓷、鑄鋼體積沖蝕率的比較

新型復相SiC陶瓷的5個攻角下的體積沖蝕率與AlO陶瓷、鑄鋼2種傳統(tǒng)塑性、脆性材料的對比見表1和圖1。

表1 新型復相SiC陶瓷、Al2O3陶瓷、鑄鋼2個攻角下的體積沖蝕率（mm3/g）

圖1 新型復相SiC陶瓷、Al2O3陶瓷、鑄鋼的體積沖蝕率隨攻角的變化情況

根據(jù)圖1、表1可知，鑄鋼在30°攻角附近出現(xiàn)最大沖蝕率，大于或小于該攻角時其沖蝕率均減小，表現(xiàn)出塑性材料的沖蝕規(guī)律。AlO陶瓷在30°攻角以下的體積沖蝕率低于鑄鋼，在30°攻角以上其沖蝕率隨攻角的增大而增大，并遠遠超過鑄鋼，在90°攻角出現(xiàn)最大沖蝕率，表現(xiàn)為典型脆性材料的沖蝕磨損特點，這也反映了AlO陶瓷耐沖蝕性能遠不及對比中的金屬材料。這3種材料都在某一攻角下出現(xiàn)最大沖蝕率，其沖蝕行為符合I.Finnie及Bitter等人描述的典型韌、脆性材料的沖蝕規(guī)律。

對比3種材料，新型復相SiC陶瓷在各個攻角下體積沖蝕率均遠小于AlO陶瓷、鑄鋼2種對比材料，僅為其他材料的1/4~1/2，表現(xiàn)出十分優(yōu)異的耐沖蝕性能。更加重要的是其5個攻角下的體積沖蝕率絕對值大小相近，幾乎不隨攻角變化，表現(xiàn)出了對攻角低敏感的沖蝕特性。

3 新型復相SiC陶瓷與Al2O3陶瓷、鑄鋼沖蝕坑形貌比較

新型復相SiC陶瓷、AlO陶瓷和鑄鋼3種材料在15°、45°和90°這3個典型攻角下的沖蝕坑宏觀形貌如圖2~圖4所示。

圖2是放大了的沖蝕坑核心部分，沖蝕坑表面局部放大后均呈連續(xù)光滑狀。從中可以看出，鑄鋼在沖蝕后，樣品在表面留下一個很大的沖蝕坑。低攻角沖蝕坑較大并呈彗星狀，頭部較深，隨著向尾部的延伸越來越淺；隨著攻角的增大，沖蝕坑逐漸向橢圓形發(fā)展，坑的核心也越來越深，表面積也越來越小。由于坑體積主要受表面積影響，因此也越來越?。恢钡?0°正沖后呈圓形，坑深度達到最大，表面積和體積達到最小。

圖2 鑄鋼放大24倍后的沖蝕坑形貌[2]

同樣，氧化鋁陶瓷在大量沖蝕后，表面也留下一個類似鑄鋼的沖蝕坑，如圖3所示。從圖3可以看出，沖蝕坑和鑄鋼一樣呈單獨而連續(xù)狀態(tài)，坑周圍比較光滑。相對鑄鋼而言，氧化鋁陶瓷低攻角沖蝕坑要更短和更淺，因此坑表面積和體積更??；而隨著攻角的增大，沖蝕坑也向橢圓形發(fā)展，坑的核心也越來越深，表面積也越來越小。與鑄鋼相反的是，坑的體積主要受深度變化的影響，因此逐漸變大；直到90°正沖后呈圓形，坑深度和體積達到最大。

圖3 Al2O3陶瓷放大24倍后的沖蝕坑形貌

圖4是新型復相SiC陶瓷是沖蝕前后樣品表面形貌。圖4（a）是樣品沖蝕前的典型形貌，其中黑色大顆粒為SiC，與之相鄰還有其他更小一些的SiC顆粒，它們之間是含有大量孔隙的黏結相。而各攻角下沖蝕后的形貌與鑄鋼、AlO陶瓷截然不同，沖蝕坑不再只有一個，而是在受沖蝕影響區(qū)內大大小小地分布著?？拥闹車膊辉龠B續(xù)而光滑，而是凹凸不平、突兀著許多大小不等的SiC顆粒，顆粒之間由黏結相緊密結合。低攻角下，坑淺而細長，似溝槽狀而且比較緩。隨著攻角的增大，沖蝕影響區(qū)變小，坑逐漸向深度發(fā)展，出現(xiàn)一個最深的核心坑。沖蝕前暴露出來的黏結相在沖蝕后流失，有些顆粒周圍黏結相已經全部流失，只有底端與基體黏結，也有部分顆粒已經脫落，坑底與凸出大顆粒頂端距離差可達1 mm。

圖4 新型復相SiC陶瓷放大24倍后的沖蝕坑形貌

可見新型復相SiC陶瓷兼?zhèn)浣饘偌疤沾傻膬?yōu)點，在低攻角沖蝕時，表現(xiàn)出了傳統(tǒng)陶瓷本來所具有的優(yōu)秀耐低攻角沖蝕能力，SiC顆粒的抗犁削使材料不易被犁削掉；而在高攻角沖蝕時，黏結相很好地吸收了沖擊能量，再加上多粒度和強界面結合作用，使材料在高攻角也具備了優(yōu)秀耐沖蝕能力，表現(xiàn)出與傳統(tǒng)陶瓷相反的沖蝕特性。

4 新型復相碳化硅陶瓷沖蝕特性

4.1 黏結相和強化相的相互配合

在沖蝕過程中，沖蝕粒子作用到樣品上的沖擊能量相當一部分就被黏結相吸收，進而而減緩了沖蝕粒子對大顆粒SiC的作用。而SiC顆粒本身具有比一般陶瓷優(yōu)秀的抗沖蝕性能，阻擋了沖蝕粒子對黏結相的作用，起了對黏結相的庇護作用。因此二者相互配合，大大耗散了沖蝕能量，有效地減少了材料的流失。

4.2 多粒度SiC顆粒效應

陶瓷內有多種不同粒度SiC顆粒組成，最大顆粒鋰電3mm~5mm，表面形成凹凸不平/ 大小不一且深淺不均的特殊形貌，沖蝕粒子因表面不平而向各種方向反彈，與后續(xù)的沖蝕粒子發(fā)生相互碰撞，消耗了相當一部分的沖擊能。

4.3 萌生的裂紋不發(fā)生擴展

新型復相碳化硅陶瓷與傳統(tǒng)的連續(xù)性塊體材料不同的是，多粒度分布的SiC顆粒使材料呈不連續(xù)性，進而阻止裂紋在脆性材料上的擴展。因此新型復相碳化硅陶瓷裂紋不擴展這一特性使其具有優(yōu)秀的耐沖蝕性能。

4.4 對攻角低敏感性

新型復相碳化硅陶瓷的復相設計使樣品兩相配合得以實現(xiàn)，同時具備韌、脆兩性，且不再具有取向性。因此新型復相碳化硅陶瓷已經綜合了典型韌、脆材料的耐沖蝕優(yōu)點，在低攻角沖蝕時，樣品表現(xiàn)出了傳統(tǒng)陶瓷本來所具有的優(yōu)秀耐低攻角沖蝕能力，表面的SiC顆粒的抗犁削作用使樣品不易被犁削掉；而在高攻角沖蝕時，樣品中的黏結相很好地吸收了沖擊能量，再加上多粒度和強界面結合作用使樣品在高攻角也具備了優(yōu)秀耐沖蝕能力，表現(xiàn)出與傳統(tǒng)陶瓷相反的沖蝕特性。

5 新型復相SiC陶瓷在送粉管道上的應用

新型復相SiC陶瓷具有對磨料沖擊磨損攻角不明感的特性，把它應用于燃煤火力發(fā)電廠送粉管道系統(tǒng)并作為防磨材料是創(chuàng)造性的發(fā)明。新型復相SiC陶瓷對攻角不敏感，能夠使防磨內襯各部位的磨損量保持一致，不會因為局部磨損嚴重被磨漏而影響耐磨管道的整體使用壽命。通過優(yōu)化設計，送粉管道彎頭，煤粉流過時，背弧部分因為慣性，煤粉濃度偏高，磨損也比彎頭其他部分磨損量大。所以，新型復相SiC陶瓷內襯在設計時背弧比內弧厚3 mm~5 mm，為偏心結構，如圖5所示。為了避免陶瓷脫落，新型復相SiC陶瓷根據(jù)彎頭的曲率半徑制造成偏心的蝦米腰管節(jié)。新型復相SiC陶瓷內襯/鋼復合送粉管道耐磨彎頭使用3年情況如圖6所示，應用于某電廠2×600MW機組工程送粉管道耐磨彎頭使用3年后經過測量，各部位磨損量符合設計要求，最大磨損厚度為2.1 mm，根據(jù)測量的數(shù)據(jù)，該新型復相SiC陶瓷內襯/鋼復合送粉管道耐磨彎頭磨損量為0.7 mm/a（7500 h），可以安全使用15 a。

圖5 新型復相SiC陶瓷應用于送粉管道的3D示意圖

圖6 新型復相SiC陶瓷內襯/鋼復合送粉管道耐磨彎頭使用3年情況

6 結論

該文通過提高級配的臨界粒度、加強基質的強度以及使用高溫膨脹劑的措施，使新型復相SiC陶瓷具有對磨料磨損沖擊攻角不明感的特性。新型復相SiC陶瓷非常適合應用于氣、固兩項輸送小顆粒物料且強力磨損的工況，應用于燃煤火力發(fā)電廠送粉管道可以極大地延長設備的使用壽命，值得大力推廣。通過優(yōu)化設計，應用于燃煤火力發(fā)電廠送粉管道作為防磨材料的新型復相SiC陶瓷，可以制作成偏心的陶瓷管節(jié)，可防止防磨材料脫落。