（机械制造及其自动化专业论文）新型组合式陶瓷水煤浆喷嘴的设计开发及其损坏机理研究.pdf

i lj 东大学博士学位论文：新l ! 组合式陶瓷水煤浆喷嘴的没计开发及其损坏机理研究 新型组合式陶瓷水煤浆喷嘴的设计开发及其损坏机理研究 摘要 本文设计开发出了新型组合式陶瓷水煤浆喷嘴，并对组合式陶瓷水煤浆喷嘴 的结构设计、组分设计、力学性能、微观结构、温度场和热应力、耐磨性能和损 坏机理等进行了全面系统的研究。 提出采用组合方式来设计陶瓷水煤浆喷嘴的新思路。该喷嘴结构中的关键磨 损件采用陶瓷材料由热压烧结工艺制备，不需要任何机械加工就可装配使用，其 余部分采用金属材料制作，这样既解决了水煤浆喷嘴不耐磨的问题，又解决了陶 瓷材料难以加工的难题。设计开发了与新型组合式陶瓷水煤浆喷嘴相配套的高效、 多功能防堵水煤浆喷枪。在不增加任何动力的情况下，直接利用水煤浆的高压雾 化气体作为动力源，清除滞留在喷嘴和喷枪中的煤浆。通过控制不同的阀门可实 现烧油、烧浆和防堵等多项功能。 采用热压烧结工艺制备出c n w 1 和c n w - 2 两种陶瓷水煤浆喷嘴材料。c n w - 1 的力学性能参数为：抗弯强度8 0 0m p a ，断裂韧性4 9m p a r n m ，硬度h r a9 4 9 5 ：c n w - 2 的力学性能参数为：抗弯强度8 5 0m p a ，断裂韧性5 1 mp a n l “2 ，硬度 h r a9 3 5 9 4 ，5 。对两种陶瓷水煤浆喷嘴材料进行显微结构分析表明，各相分布均 匀，相界面结合良好，断裂方式具有沿晶和穿晶断裂混合特征。 对新型组合式陶瓷水煤浆喷嘴的冲蚀磨损特性进行了深入系统的试验研究。 结果表明：新型组合式陶瓷水煤浆喷嘴能很好的满足实际生产的需要，其使用寿 命和经济效益等方面远优于金属和硬质合金喷嘴。陶瓷水煤浆喷嘴的抗冲蚀磨损 能力比金属喷嘴提高3 0 倍以上，比硬质合金喷嘴高提高2 倍以上。金属水煤浆喷 + 山东省自然科学基金项目( z 2 0 0 3 f 叭) 和教育部博士点基金项目( 2 0 0 3 0 4 2 2 0 1 5 ) 山东大学博士学位论文：新型组合式陶瓷水煤浆喷嘴的设计开发及其损坏机理研究 嘴的使用寿命在1 0 0h 以下，硬质合金水煤浆喷嘴的使用寿命为1 5 0 0h 左右，而 所开发的新型组合式陶瓷水煤浆喷嘴的使用寿命可达4 0 0 0h 以上。 深入研究了各种因素对水煤浆喷嘴冲蚀磨损的影响规律。结果表明：在相同 的试验条件下，喷嘴材料的硬度越高，其冲蚀磨损率越低。合适的水煤浆喷嘴结 构有助于减小喷嘴的磨损。减小喷嘴的入口角、适当增加喷嘴长度、在喷嘴出口 端增设出口角、减少雾化气的压力、增加雾化气孔的数量等，均能起到减少陶瓷 喷嘴磨损的作用。 对陶瓷水煤浆喷嘴的温度场和热应力进行了有限元计算和分析，结果表明： 陶瓷水煤浆喷嘴出口端部存在较高温度和较大温度梯度，由此而引起的最大热应 力达4 6 9 m p a 。陶瓷喷嘴出1 2 1 端部较大的温度梯度和热应力是导致其产生热裂纹和 热崩的主要原因。 从磨损和热冲击两方面对水煤浆喷嘴的损坏机理进行了理论分析建立了陶 瓷水煤浆喷嘴损坏机理的理论模型。金属水煤浆喷嘴的损坏机理主要表现为塑性 变形和微切削；y g 8 和y t l 5 硬质合金水煤浆喷嘴的损坏机理主要表现为晶粒脱 落、脆性断裂和研磨损伤；c n w - 1 和c n w - 2 陶瓷水煤浆喷嘴的损坏机理主要表 现为晚性断裂、研磨损伤、热裂纹和热崩，其中热裂纹和热崩是导致陶瓷水煤浆 喷嘴损坏的主要原因。 在理论分析的基础上，设计出新一代组合式陶瓷水煤浆喷嘴。该喷嘴入口和 出口两端均采用带锥角的结构。其主要构思是：通过减少陶瓷喷嘴出1 2 1 端与高温 环境接触的面积和增加出口端与水煤浆雾化颗粒接触的面积，降低陶瓷喷嘴出c i 端面的温度和温度梯度，缓解喷嘴内部的热应力。从而达到减少甚至防止喷嘴发 生热裂纹和热崩的目的。 关键词喷嘴，冲蚀磨损，陶瓷材料，水煤浆，损坏机理 v 山东大学博士学位论文：新型组合式陶瓷水煤浆喷嘴的设计开发及其损坏机理研究 d e v e l o p m e n to fa s s e m b l e dc o a l 一浊t e r s l u r r y c e r a m i cn o z z l e sa n ds t u d y0 n i t sf a i l u r em e c h a n i s m s a b s t r a c t an e wa s s e m b l e dc o a l w a t e r - s l u r r y ( c w s ) c e r a m i cn o z z l eh a sb e e ns u c c e s s f u l l y d e v e l o p e d e x t e n s i v er e s e a r c h e sw e r ec a r r i e do u to n i t ss t r u c t u r ed e s i g n ，c o m p o s i t i o n s ， m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，m i c r o s t r u c t u r e ，t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，t h e r m a ls t r e s s ，w e a r r e s i s t a n c ea n df a i l u r em e c h a n i s m s c o m b i n a t i o nt e c h n i q u ew a sa d v a n c e dt ob eu s e df o rt h ed e s i g no fc w sc e r a m i c n o z z l e t h ek e yp a r t so ft h ea s s e m b l e dc w sc e r a m i cn o z z l ew e r em a d eo fc e r a m i c m a t e r i a l s ，w h i l et h eo t h e rp a r t sw e r em a d eo fm e t a lm a t e r i a l s t h i sn e wa s s e m b l e d c w sc e r a m i cn o z z l es h o w e dm o r ew e a rr e s i s t a n c et h a nt h a to f t h ec o n v e n t i o n a lm e t a l n o z z l e s t h ek e yp a r t sc a nb ee a s i l yp r o d u c e du s i n gh o tp r e s s i n gt e c h n i q u ed i r e c t l y a n e ws p r a y i n gg u nm a t c h e dw i t ht h ea s s e m b l e dc w s c e r a m i cn o z z l ew a sd e v e l o p e d t h i ss p r a y i n gg u nh a sm u h i f u n c t i o n sw i t hh i g he f f i c i e n c y , a n dc a nb eu s e dt op r e v e n t c o n d u i to b s t r u c ti nc o a lw a t e rs l u r r yb u r n i n gp r o c e s s e s t w ok i n d so fc w sc e r a m i cn o z z l em a t e r i a l s ( c n w - 1a n dc n w - 2 ) w e r ep r o d u c e d b yh o tp r e s s i n g t h ef l e x u r es t r e n g t h ，f r a c t u r et o u g h n e s sa n d h a r d n e s so fc n w - 1w e r e o f8 0 0 m p a ，4 9 m p a m m ，a n dh r a 9 4 9 5r e s p e c t i v e l nw h i l ec n w - 2 w e r eo f 9 5 0 m p a 51 m p a m m a n dh r a 9 3 5 9 4 5 m i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i sf o rt h e s ec e r a m i cm a t e r i a l s s h o w e dt h a t p o r o s i t y w a s v i r t u a l l y a b s e n t ，a n d t h e r ew e r ef e ws e c o n d p h a s e s a g g l o m e r a t i o no rm a t r i x r i c hr e g i o n s t h ef r a c t u r em o d e w a sm i x e d t r a n s g r a n u l a ra n d i n t e r g r a n u l a r e x t e n s i v er e s e a r c h e sw e r ec a r r i e d o u to nt h ee r o s i o nb e h a v i o r so ft h en e w a s s e m b l e dc w s c e r a m i cn o z z l e r e s u l t ss h o w e d t h a ti tp e r f o r m e d v e r yw e l li np r a c t i c a l s u p p o r t e db y t h en a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fs h a n d o n gp r o v i n c e ( z 2 0 0 3 f 0 1 ) a n dt h e s p e c i a l i z e d r e s e a r c hf u n df o rd o c t o r a lp r o g r a mo fh i g h e re d u c a t i o n ( 2 0 0 3 0 4 2 2 10 5 ) 山东大学博士学位论文：新型组合式陶瓷水煤浆喷嘴的殴计开发及其损坏机理研究 p r o d u c t i o n ，t h el i f e t i m ea n de c o n o m i cb e n e f i to ft h ea s s e m b l e dc w sc e r a m i cn o z z l e e x c e l l e dt h a to ft h em e t a la n dc e m e n t e dc a r b i d en o z z l e s t h ee r o s i o nw e a rr e s i s t a n c eo f t h ea s s e m b l e dc w sc e r m n i cn o z z l ei s3 0t i m e sh i g h e rt h a nt h a to ft h em e t a ln o z z l e s ， a n d2t i m e sh i g h e r c o m p a r e d w i t ht h a to f t h ec e m e n t e dc a r b i d en o z z l e s t h el i f e t i m eo f t h em e t a ln o z z l e sw a sl o w e rt h a n1 0 0h a n dc e m e n t e dc a r b i d en o z z l e sl o w e rt h a n1 5 0 0 h w h i l et h el i f e t i m eo fa s s e m b l e dc w sc e r a m i cn o z z l e ( c n 、- 2 ) c o u l dr e a c hm o r e t h a n 4 0 0 0h e f f e c to ft h ep a r a m e t e r st h a ti n f l u e n c et h en o z z l e sw e a rh a sb e e ni n v e s t i g a t e d r e s u l t ss h o wt h a tt h ee r o s i o nw e a rr e s i s t a n c ec a nb ei m p r o v e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h e n o z z l eh a r d n e s s a p p r o p r i a t en o z z l el e n g t h ，e n t r ya n g l e ，e x i ta n g l e ，a t o m i z i n gp r e s s u r e ， a t o m i z i n g b o r en u m b e r sw o u l db ev e r yb e n e f i c i a lf o rt h ed e c r e a s eo fn o z z l ew e a r t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dt h e r m a ls t r e s ss t a t e so ft h ec w sc e r a m i cn o z z l e s a r ea n a l y z e dw i t l lf i n i t ee l e m e n tm e t h o df f e m ) r e s u l t ss h o w e dt h a tt h em a x i m u m t e m p e r a t u r e a n di t s g r a d i e n ta p p e a r e d i ne x i ta r e ao ft h e n o z z l e ，a n dt h ei n d u c e d m a x i m u mt h e r m a ls t r e s sw a so f4 6 9 m p a i tc a r li n t e r p r e t sw h yt h ee x i ta r e ao ft h e c e r a m i cn o z z l ew e r ew o m b a d l yw i t h al o to fc r a c k sa n d c o l l a p s e s e r o s i o nw e a rm o d e lo ft h ec w sc e r a m i cn o z z l e sh a sb e e np u tf o r w a r db a s e do n t h et h e o r ya n a l y s i so fw e a ra n dt h e r m a ls h o c k t h em e t a ln o z z l e se x h i b i t e dap l o w i n g a n dp l a s t i cd e f o r m a t i o nt y p eo fm a t e r i a lr e m o v em o d e t h ey g 8a n dy t l5c e m e n t e d c a r b i d en o z z l e ss h o w e dab r i t t l ef r a c t u r ea n dp o l i s h i n gi n d u c e dr e m o v a lp r o c e s s w h i l e t h ef a i l u r em e c h a n i s m so f c n w 一1a n dc n w - 2c e r a m i cn o z z l e sc o n s i s t e db r i t t l ef r a c t u r e p o l i s h i n g ，t h e r m a lc r a c k i n ga n dc o l l a p s i n g af u r t h e ri m p r o v e dt y p eo fa s s e m b l e dc w sc e r a m i cn o z z l eh a sb e e nd e v e l o p e d b a s e do nt h et h e o r y a n a l y s i sa b o v e t a p e r - s h a p e d s t r u c t u r ew a si n t r o d u c e da tt h e w o o e n do ft h ec e r a m i cn o z z l e t h em a i np u r p o s ei st or e d u c et h e t e m p e r a t u r e ， t e m p e r a t u r eg r a d l e n t ，a n d t h e r m a ls t r e s s e sa tt h ee x i ta r e a k e y w o r d sn o z z l e s ，e r o s i o nw e a r , c e r a m i cm a t e r i a l s ，c o a lw a t e rs l u r d ；f a i l u r e m e c h a n i s m s 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丁逸隆日期：竺牡堡 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：弹导师签名雠 日期：堡竺竺! 箩 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 我国的能源状况及发展对策 能源是人类生存和社会发展的必要因素，是社会经济发展的基础和动力，对 国民经济的持续、快速发展和人民生活水平的不断提高起着举足轻重的作用。在 我国的一次能源中，煤炭是分布最广、储量最多的资源，已发现的煤炭资源达1 0 2 0 0 亿t ，己查证的煤炭可采资源量为1 1 4 5 亿t ，约占全国能源探明总储量的9 0 。在 一次能源总消费中，煤炭约占7 5 左右，而且从我国的能源资源条件和技术经济 发展水平来看，可以预言，在未来3 0 5 0 年内，以煤为主的能源结构不但不会改 变，而且煤炭在能源供应中的地位将更为重要【i “。 虽然煤炭是可以直接燃用的传统燃料，但是它在生产、运输、使用过程中存 在许多问题，特别是煤炭不经加工处理直接燃烧不仅燃烧效率低( 小于7 0 ) ，能耗 大，而且会造成严重的环境污染。因为煤炭中含有较多的灰份、硫份，燃烧后会 排放大量的粉尘、二氧化硫、氮氧化物、硫化碳等，会引起大气污染，造成严 重的酸雨现象。随着经济的发展和生活水平的提高，世界各国对环境保护越来越 重视，我国为实施可持续发展战略，也对环境保护提出了更高的要求。现在国内 许多城市都明文规定严禁燃用原煤和劣质煤，鼓励大家使用石油和天然气等洁净 燃料。 我国的石油和天然气资源却相对短缺。石油总资源量为9 4 0 亿t ，但截止1 9 9 8 年剩余可采储量约2 4 亿t ，若没有新的增量，按1 6 亿“a 算，只可开采十余年。 天然气总资源量为3 8 万亿m 3 ，截止1 9 9 8 年剩余可采储量约9 4 0 0 亿m 3 ，若年产 量按5 0 0 亿m 3 计，仅可开采2 0 年1 4 】。然而，我国的燃油量很大，每年燃油量在 4 0 0 0 吨左右，占全国石油消耗量的1 5 。为此，我国每年不得不花大量的外汇进口 石油。2 0 0 0 年我国进口石油达到了7 0 0 0 万吨以上，每年用于进口石油的费用高达 2 0 0 亿美元。随着经济的发展，中国对石油的需求量越来越大。近l o 年来，中国 国内生产总值( g d p ) 年均增长大子8 ，石油消费年均增长为5 7 7 ，而石油生产 年均增长仅为1 6 7 。1 9 9 3 年开始中国成为石油产品净进口国，1 9 9 6 年成为原油 净进口国2 0 0 2 年石油进口依存度己达3 0 左右。据专家预测，一到2 0 2 0 年左右， 山东大学博士学位论文 石油缺 j 将超过消耗总量的5 0 。另一方面，由于世界石油资源曰趋减少，国际 油价急剧升高，许多燃油电厂因烧不起重油而被迫停下来日。 面对日趋严峻的石油供求形势和国际油阶变动的不确定性，从我国经济发展 全局出发，结合我国资源、技术和经济条件，寻求行之有效的煤基代油燃料，以 缓解我国的石油进口压力，满足国民经济各行各业燃烧应用的需要，不仅具有j u 观的经济效益，而且对保证我国能源安全和倒民经济健康持续发展具有重要的战 略意义。 1 2 水煤浆的特性及应用状况 1 2 1 水煤浆的组成和特点 水煤浆是2 0 世纪7 0 年代世界石油危机爆发时作为代油产品迅速发展起来的 种新型煤基液体燃料，它由6 0 7 0 州煤粉、3 0 4 0 州，水以及1 州左右的添加 剂通过物理方法制备而成。其中煤粉是燃烧的主体，其粒度为4 0g m 1 2 0u i n ；水 的作用是提高煤炭的燃烧活性，使煤炭转化为一种流体燃料以实现泵送和雾化： 添加剂的作用是降低水煤浆的粘度，提高水煤浆的浓度、流动性和稳定性1 7 】。 在应用方面，水煤浆主要有以下特点1 6 “2 j ： ( 1 ) 既保持了煤炭原有的物理特性，又具有石油一样的流动性和稳定性，能百 分之百地取代重油。 ( 2 ) 燃烧效率高，应用范围广。水煤浆的燃烧效率可达9 8 以上，炉膛温度为 1 3 0 0 1 4 0 0 。c ，可广泛应用于电力、冶金、化工、建材、石油等行业。 ( 3 ) 污染少，环境效益好。与燃煤、燃油相比，水煤浆燃烧后排放废气中的 s 0 2 、n o x 大幅度减少，其中n o 、的排放量比燃煤或燃油低三分之一以上。 ( 4 ) 运输储存方便，煤炭损耗小。通过罐装或管道可实现水煤浆储运过程的全 封闭，能最大限度地减少运输、储存中的损失以及对环境的污染。 ( 5 1 燃料成本降低，经济效益好。水煤浆的市场价格在4 5 0 - - - 5 5 0 元t 之间，重 油价格为1 5 0 0 1 8 0 0 元t ，2t 水煤浆代替1t 重油，可降低燃料成本5 0 0 8 0 0 元。 ( 6 ) 安全性好。水煤浆无毒，不会自燃，不会爆炸，使用安全。 1 2 2 国内外水煤浆的开发应用简况 第1 荤绪论 水煤浆的研究始于1 9 7 3 年瑞典的卡尔博格公司，由于它具有制备工艺简单、 投资少、储运方便、易摊广和洁净节能等优点，因而受到世界许多崮家的高度晕 视，并成为一些困家替代石油的重要新型燃料。目前，包括中蹦在内的美国、瑞 敷、加会大、俄罗斯、法围、意大利、日本等二十几个国家都拥有此项技术，并 在不同程度上展开了大规模的工业应用开发f 1 3 - 2 3 。 瑞典是瞪界上开发水煤浆最早、技术较为先进的国家，同时也是目前向国外 输出成套水煤浆制各和燃烧技术最多的图家。日本的水煤浆技术开发以应用于大 型火力电站锅炉为重点目前已成为世界上规模最大的水煤浆燃烧试验“基地”。 俄罗斯是目前世界上规模最大的水煤浆制备一管道输送一锅炉燃烧三位一体化工 程的拥有者。美国是投入人力财力最多，研究开发规模最大的国家，其水煤浆技 术刀：发的中心放在工业锅炉和电站锅炉的应用上，旨在大幅度降低其燃油电站和 燃油工业锅炉对石油的过度依赖。 我国的水煤浆技术开发工作始于1 9 8 2 年，在经历了“六五”实验室研究，“七 五”、“八五”示范工程和“九五”工业化生产之后，我国的水煤浆制备技术已 跨入世界先进行列。目前，水煤浆的年产量在5 0 0 万吨以上，而且水煤浆已在我 国的电力、石化、冶金、化工、机械、建材等行业的锅炉、窑炉和大型锻造炉等 方面得到了广泛的应用( 表1 1 为水煤浆在我国的主要应用情况) 【7 ，2 2 也6 1 。n j t 七，在 我国发展水煤浆技术不仅符合国家产业政策，而且也是从我国国情出发，解决我 国能源结构不合理，实现能源领域可持续发展和国民经济健康、安全发展的需要。 1 2 3 水煤浆喷嘴技术中待解决的关键问题 虽然我国在水煤浆的制备、运输和雾化技术等方面取得了不少成果，甚至某 些方面达到了国际先进水平，但是我国的水煤浆燃烧技术与国外还有较大的差距， 尤其是在水煤浆喷嘴方面，有待解决的关键问题有 4 , 2 6 - - 2 8 】： ( 1 ) 水煤浆喷嘴不耐磨、使用寿命短。目前，国产喷嘴的使用寿命约1 0 0 0h 左右，而小容量喷嘴由于结构和材料的原因，其使用寿命在1 0 0h 以下，而国外喷 嘴的使用寿命在2 0 0 0h 以上。 ( 2 ) 喷嘴的容量小，没有形成系列化。目前，国产水煤浆喷嘴的最大容量只有 5t h ，而国外可达8 讹，大型燃烧器、喷嘴只有靠进口。另外，由于水煤浆的应用 场合和燃烧锅炉规格不一样，需根据实际情况开发系列化的喷嘴。 山东大学博士学位论文 ( 3 ) 水煤浆喷嘴磨损机理的研究和耐磨损、长寿命喷嘴材料的开发。 表1 1 我国水煤浆的主要应用领域及情况表 应用行业单位设备容量 卜 白杨河电厂 5 0m w ，2 3 0t h 锅炉 茂名电厂2 2 2 0 t h ，4 4 1 0 t h 锅炉 汕头电厂 2 3 0t h 锅炉 沧州电厂 1 3 0 t ， i 锅炉 j 青山电厂 2 2 0t ) h 锅炉 ! 桂林钢厂 6 4 0 0k g ，h ，轧钢加热炉 冶金莱芜钢厂 8 1 5 0k 鲥1 ，锻造加热炉 绍兴轧钢厂9 x 4 0 0 k g ，h 轧钢加热炉 长春保温材料厂 2 0 0k g h 隧道式干燥炉 建材 醴陵国光瓷业集团陶瓷热风炉 石化 北京燕山石化公司 2 2 0l h 锅炉 株洲化工集团化工干燥炉 i 胜利油田 1 0 2 0t ， 1 ，2 4 0t h 锅炉 株洲车辆厂退火炉 机械 株洲洗煤机械厂 退火炉 北京造纸一厂 2 0 t h 、3 5 讹、6 0 t h 锅炉 其它 中科院工程热物理所燃气轮机燃烧室燃煤量1 0 0k g m 1 3 国内外研究概况 1 3 1 水煤浆赜嘴材料的研究 水煤浆喷嘴工作时不仅要承受煤粉中硬质粒子的高速冲击，还要承受高温环 境中温度变化带来的热冲击，这就要求制作水煤浆喷嘴的材料必须具备良好的耐 第1 章绪论 磨性和耐热性。目前，国内外制作水煤浆喷嘴的材料主要有三大类：即金属、硬 质合金和陶瓷。 ( 1 ) 金属材料 金属材料具有良好的加工工艺性，结构复杂的喷嘴可采用整体制作，金属材 料具有良好的韧性和抗热疲劳性能。早期的水煤浆喷嘴和我国现在的小容量喷嘴 基本上采用金属材料制作。但由于金属材料的硬度相对较低，而且在低角度冲蚀 下的冲蚀磨损率较高，因而用其制作的水煤浆喷嘴，通常冲蚀磨损严重，使用寿 命短。目前，金属水煤浆喷嘴的使用寿命一般在1 0 0h 以下【2 9 】。因此，对于要求水 煤浆喷嘴连续工作时间较长的行业如电力、冶金等，用金属材料来制作水煤浆喷 嘴的很少。 ( 2 ) 硬质合金材料 硬质合金是由难熔金属硬质化合物和金属粘结相经粉末冶金方法而制成的。 它具有高硬度、高弹性模量、红硬性好、线胀系数小以及耐磨、耐腐蚀和抗氧化 - 眭好等特点1 3 0 1 。这使得它在现代工具材料以及耐磨、耐腐和耐高温材料等方面占 据着重要地位。硬质合金的韧性和抗热震性能比金属材料低，加工工艺性差，因 此不适合制作结构复杂的喷嘴。实际应用中，通常把硬质合金制成环状或块状镶 嵌在喷嘴某些磨损严重的部位上。如美国和加拿大等国家使用的y 型喷嘴以及我 国的撞击式多级水煤浆雾化喷嘴都是在喷嘴容易磨损的部位镶上硬质合金f 7 j 。实际 证明，硬质合金水煤浆喷嘴的使用寿命一般在1 0 0 0h 以上。硬质合金材料是目前 水煤浆喷嘴的主要材料。 ( 3 ) 陶瓷材料 陶瓷材料具有金属等材料所不具备的优点，如：高熔点、耐磨损，耐高温和 耐腐蚀等，已在工程中获得了广泛的应用。如：用来制作切削刀具、发动机零件、 轴承零件以及冶金、矿山、煤炭、化工等行业的耐磨和耐腐蚀零件p l q 6 1 。陶瓷材 料的这些优点，使得它作为水煤浆喷嘴材料具有得天独厚的优势，是其它材料无 法比拟的。金属陶瓷水煤浆唢嘴在日本、法国等国家已有应用，通常也是在水煤 浆喷嘴容易磨损的部位镶嵌由陶瓷材料制成的部件【7 1 。日本还对陶瓷和硬质合金材 料制成的水煤浆喷嘴进行了对比性磨损试验，结果显示陶瓷材料的抗磨性能明显 优于硬质合金【3 7 1 。虽然陶瓷材料具有许多优点，但同时存在难加工、脆性大等致 命弱点，尤其是其抗热震性能较差，在出现温度突变时，很容易因较大的热应力 山东大学博士学位论文 而导致它丌裂和热崩p 扣4 1 j 。国内外在提高陶瓷材料抗热震性能方面作了不少的研 究，并取得了一些成果，其中用得最多的方法是对淘瓷材料采取增强补韧 1 0 手段 来提高它的强度和断裂韧性口引。可以预料，如果能解决陶瓷材料抗热震性能差的 问题，陶瓷材料：舟是非常有前途的、理想的水煤浆喷嘴材料。 i 3 2 水煤浆喷嘴结构的研究 水煤浆喷嘴是从油喷嘴、油煤浆喷嘴技术基础上发展和演变而来的，已经问 世的结构形式有数百种，但实际中应用较多的喷嘴结构主要有以下几种1 7 - 4 2 , 4 3 】： ( 1 ) 旋流型喷嘴 旋流型喷嘴主要由螺旋体、雾化嘴等部分组成，见图1 1 所示【7 1 。螺旋体圆周 殴有螺旋槽，旋流槽个数由喷嘴容量确定，螺旋角一般为1 8 。, - - 2 0 0 。雾化嘴上设有 切向孔，切向孔的设置与螺旋体上螺旋槽的旋转方向一致。 雾化气一 水媒浆一 雾化气一 图1 _ 1旋流型喷嘴结构示意图 水煤浆由分配盘经螺旋体上的螺旋槽流入，在旋流室旋转流动，由于离心力 的作用，在旋流室和雾化嘴中形成中间空心的薄层旋转圆环，由雾化嘴喷出，喷 出的水煤浆形成空心锥膜与从雾化嘴切向旋流引入的雾化气相遇，使水煤浆受到 冲击而被破碎成大小不同的水煤浆雾滴。同时雾化气高速冲刷贴壁流动的水煤浆 薄膜使水煤浆薄膜表面上受到一股切向应力的作用而被破碎成较细的雾滴。 旋流型水煤浆喷嘴的优点是：雾化效果好，燃烧效率高，能适合高浓度水 煤浆的雾化：工作压力较低，水煤浆和雾化气的压力一般为o 3 0 5m p a ：喷 第】章绪论 出的雾距呈旋流型，火炬稳定、可靠。但该喷嘴存在结构复杂、不易制作和成本 高等缺点。 ( 2 ) y 型喷嘴 y 璎喷嘴是目前应用最广泛的一种水煤浆喷嘴，它因水煤浆和雾化气成y 型 相交而得名，其基本结构见图1 2 所示7 ，4 3 1 。水煤浆沿斜孔进入喷嘴的混和室，雾 化气沿直线进入混合室并冲击从斜孔进来的水煤浆，一部分水煤浆在气流的冲击 下形成雾滴，另一部分水煤浆被气流冲向壁面，形成流动的薄膜并产生表面波， 形成初次雾化；同时水煤浆被加速，其膜变薄，离开喷嘴后因失去壁面的支撑而 变成不稳定波动，最后全部雾化。 y 型喷嘴一般设计成中心进气，侧i l 进浆的形式。因为雾化气的动量比水煤 浆的动量要大得多，气流走直道有利于减少流动阻力，也可以减轻壁面的磨损。 如果气流从n f l 通入，则高速气流直冲混合室壁面时会产生较大的流动阻力，同 时雾化气夹带水煤浆颗粒高速冲击壁面，会加剧喷嘴的磨损。y 型喷嘴的特点是 出力大，雾化质量好，气耗低等，而且为提高雾化质量可设计成多级y 型喷嘴， 但加工起来比较复杂。 术煤浆 雾化气 水煤浆 图1 - 2y 型喷嘴结构示意图 ( 3 ) t 型喷嘴 t 型喷嘴实际上是y 型喷嘴的一种演变形式，其结构特点是雾化气与水煤浆 垂直或接近垂直相交，这样雾化气能够最大限度地与水煤浆进行动量交换，使雾 化气动量得以充分利用。图l 一3 为带钝体的t 型水煤浆雾化喷嘴4 ”。 这种喷嘴的优点是：喷嘴磨损小。雾化气与水煤浆在喷嘴出口处相交减 山乐大学博士学位论文 小了煤粒对喷嘴内部的磨损。雾化效果易调整，雾化质量高。通过改变水煤浆 与雾化气出i z i 缝隙的宽度可调整水煤浆雾化质量，并且还能起到调节喷嘴雾化角 的作用。但是由于钝体直接受到水煤浆的高速冲击，因此磨损非常严重。为了减 少磨损提高喷嘴的使用寿命，钝体材料一般采用耐磨性能好的硬质合金。 ；* 一 * 一 ； t 一 图1 3t 硝喷嘴结构示意图 ( 4 ) 撞击式多级雾化喷嘴 撞击式多级雾化喷嘴主要由内混件、t 形喷口、撞击件和雾化头子组成，图 1 4 为其结构示意图m4 “。水煤浆从中心浆孔进入混和室，经一级或多级对称y 型结构的雾化气冲击雾化后，在临出口处遇上一级t 型雾化气的冲击，然后气浆 一起冲击正前方的撞击件产生机械撞击雾化，最后从喷嘴雾化头上的出孔喷 出。 三叛雾化 图1 4 撞击式多级雾化喷嘴结构示意图 该喷嘴的优点是：雾化质量好，燃烧效率高。由于该喷嘴采用了多级强化 第1 苹绪论 雾化措施，大大提高了水煤浆的雾化质量，燃烧效率高。防堵性能好。该喷嘴 的水煤浆通道直径较大且呈直线形，从而避免了粗粒子和杂质在浆道中的积留， 杜绝了堵塞现象的发生。喷嘴使用寿命长。该喷嘴采取了雾化气孔对称分布、 易磨部位镶嵌耐磨材料等防磨措施，大大提高了喷嘴的使用寿命。喷嘴的负荷 调节范围较宽、气耗力低。如设计负荷为1 2 0 0k g h 的喷嘴，调节范围为6 0 0 1 5 0 0 k g m 。当气耗率为1 5 1 8 时，就能满足雾化要求。该喷嘴在国内的电厂锅炉和 大型生活锅炉上应用较多。 ( 5 ) 对冲型喷嘴 对冲型喷嘴如图1 - 5 所示【7 钉】，水煤浆以单股形式喷出并受到多股对称分布的 雾化气的冲击而雾化。为了提高水煤浆雾化质量，降低雾化颗粒平均真径，可采 用多级对冲形式的喷嘴。这种喷嘴的优点是：雾化性能好。通过采用多股雾化 气，增加了雾化气对煤浆冲击，使煤浆雾化充分。防堵性能好。由于水煤浆管 路比较糖，一般不会发生喷嘴堵塞现象。但这种结构喷嘴的气耗率通常比较高。 随着水煤浆应用范围的扩大，实际生产中对喷嘴规格的系列化、喷嘴制作的 简单化以及喷嘴的长寿命等方面提出了更高的要求，因此，以实际需要为目的， 以现有喷嘴结构形式为基础，开发出长寿命的、结构多样化、容量系列化的水煤 浆喷嘴将是今后科研者们努力的方向。 图卜5 对冲型喷嘴结构示意图 i 3 , 3 水煤浆喷嘴雾化性能的研究 水煤浆喷嘴雾化性能的好坏直接决定水煤浆的燃烧效率和燃烧稳定性，并对 水煤浆应用的经济性和环境效益产生影响。评价水煤浆喷嘴雾化性能的指标主要 山东大学博士学位论文 有雾化颗粒直径的大小与分布、雾化角、雾距的流量密度分布以及喷嘴出口的颗 粒速度等等，目前一般采用了冷态试验装置来研究水煤浆喷嘴的雾化性能。 影响水煤浆喷嘴雾化性能的因素主要有喷嘴的结构形式，气耗率，雾化气和 水煤浆的压力，水煤浆的浓度、粘度和煤粉颗粒的大小，添加剂的含量和水煤浆 的温度等等【7 4 5 5 讲。 目前。有关水煤浆喷嘴雾化性能方面的研究比较成熟，取得的成果也较多， 对生产实践起到了很好的指导作用。但是，随着新型水煤浆喷嘴结构的不断出现， 其雾化性能的特征还有待于研究和发现。 1 3 4 陶瓷水煤浆喷嘴冲蚀磨损的研究 冲蚀磨损是指流动介质以一定的速度和角度对材料表面进行冲击，使材料表 面出现破坏的一种现象。冲蚀磨损可分为气固冲蚀、液固冲蚀、液滴冲蚀和汽蚀【5 ”。 冲蚀磨损现象在工程实际中非常普遍，如：气流携带固体粒子对喷砂嘴、抛丸机 叶片、飞机发动机、气流输运管路和粉煤锅炉换热器管路等的冲蚀；浆体对水煤 浆喷嘴、水射流喷嘴、水轮机叶片、泥浆泵、杂浆泵以及选矿行业的脱水、脱介 和筛选设备等的冲蚀【5 2 。引。冲蚀磨损已成为引起设备失效或材料破坏的一个重要 原因。据统计，冲蚀磨损已占到工业生产中经常出现的磨损破坏总数的8 【5 。为 此，世界许多国家都投入了大量的人力和物力对冲蚀磨损进行专门的研究，并取 得了一些研究成果，这对于有效预防和减少材料的损耗，提高设备和材料的使用 寿命，保证生产的正常进行具有十分重要的现实意义和经济价值。 l j 3 4 1 陶瓷材料的冲蚀磨损理论 自1 9 4 6 年h w a h l 和f h a r t s l e i n 第一次系统讨论冲蚀磨损问题以来，人们在 陶瓷材料的冲蚀磨损方面做了大量的研究工作，也建立了一些理论模型，但由于 冲蚀过程的复杂性，因研究方法和实验条件的不同，产生的观点也不全相同。 ( 1 ) 气固冲蚀磨损理论 1 ) 气固冲蚀磨损机制 气固冲蚀磨损是指气体介质携带固体粒子冲击到材料表面而产生的冲蚀。陶 瓷材料属于典型的脆性材料，但在固体粒子的冲蚀下，其冲蚀初期也会发生一定 量的弹塑性变形。然后引起表面裂纹的形成与扩展。因此，在固体粒子的冲蚀下， l o 第1 章绪论 陶瓷材料的冲蚀磨损机制是先在冲蚀坑附近产生一定的弹塑性变形然后引起表 面裂纹的形成与扩展。表面裂纹分为径向裂纹、锥状裂纹和横向裂纹【3 ”。在高角 冲蚀条件下，陶瓷材料的冲蚀机理表现为沿晶裂纹及这些裂纹交错发展所产生的 晶粒脱落；在低角冲蚀条件下，除了晶粒脱落外，还存在由硬质粒子对材料的切 入发生犁沟状微观切削损伤f 6 6 9 1 。 2 ) 气固冲蚀理论模型 a g e v a n s 等人7 0 】提出了陶瓷材料的弹塑性冲蚀理论。他们根据冲击粒子为 球形且冲蚀后不变形，冲击点压力等于颗粒冲到材料表面的即时动态压力和冲击 粒子透入深度取决于平均冲蚀速率和接触时间的三点假设，推导出陶瓷材料的冲 蚀磨损率矽为： w v 3 2 r ”p 。6 k i c - t - 3 h 。o 2 5 ( 1 1 ) 式中，矿为冲蚀速度，r 和p 分别为冲蚀粒子的半径和密度，k i c 和风分别为陶瓷 材料的断裂韧性和硬度。 w i e d e r h o m 等认为陶瓷材料晶面上形成的裂纹一般限于塑性变形区内，而 且不同的陶瓷材料其塑性变形区域的大小不同，如s i c 和a l z 0 3 的塑性区域就要比 m 2 0 的小。他们在假设冲蚀粒子动能完全被靶材的塑性变形所吸收和横向裂纹的 产生正比于裂纹最大透入深度的基础上，提出了陶瓷材料的准静态冲蚀模型，并 推导出陶瓷材料的冲蚀率为： w o cv 2 4 ，3 7 p 12 s 1 - 3 风o ”( 】- 2 ) 比较式( 1 1 ) 和( 1 2 ) 可见发现它们具有相同的特点，即材料硬度所占的比重很 小，丽断裂韧性对冲蚀率的影响很大。虽然实验证明，上述两种冲蚀理论能较好 地解释固体粒子在低温度环境下对陶瓷材料的冲蚀行为，但由于它们是建立在一 些假设基础之上，而且没有考虑温度对冲蚀磨损的影响，从而也无法解释高温环 境下固体粒子对陶瓷材料的冲蚀行为。因此，它们有一定的局限性，只能适应一 定的范围。 ( 2 ) 陶瓷材料的浆体冲蚀理论 浆体冲蚀是指液体介质携带固体粒子冲击材料表面，使材料表面产生磨损的 现象，又称为液固冲蚀磨损。对于陶瓷材料浆体冲蚀的研究起步较晚，迄今还很 不深入。一般认为浆体冲蚀对材料造成的破坏主要是通过浆体中的固体颗粒对材 料表面的微切削与变形等因素起作用的，因而认为浆体冲蚀磨损机理与气固冲蚀 l j j 东大学博士学位论文 磨损基本相同。但由于浆体中液相的存在，又使得浆体冲蚀与气固冲蚀之间存在 定的差异( 7 2 7 引。 1 ) 浆体冲蚀的速度降低和冲蚀角度减小 由于液相的存在，浆体的冲蚀粒子必须穿过液膜才能到达靶材表面，这必然 导致粒子冲蚀速度的降低。而且由于浆体粘性较大，粒子冲击材料表面时会因浆 体的铺展作用，其运动方向会偏斜液体原来的运动方向，这使得大多数粒子的实 际冲蚀角减小。另外，浆体冲蚀磨损的速度指数”随冲蚀角而变化，且比固体粒 予冲蚀时要小。冲蚀角砬2 0 。9 0 0 时，速度指数门在1 6 2 - - 2 1 2 之间。 2 ) 浆体中参与冲蚀的磨粒较少 气固冲蚀时，固体粒子的冲击不是连续的，而浆体却是连续的。由于浆体有 钠展作用，只有铺展层中离靶材表面较近的那些磨粒能冲击到材料表面产生磨损， 而离靶材表面较远的浆体中，一部分磨粒不能参与冲蚀而流失，所以浆体冲蚀磨 损时，实际参与磨损的磨粒数量要少得多。 3 ) 硬度对浆体冲蚀的作用大于韧性 磨粒冲击到靶材表面住往形成一个压坑，压坑的末端产生变形唇。在浆体冲 蚀下，由于浆体的冲刷作用，这些变形唇或变形的凸体很容易被冲刷掉。因而在 浆体冲蚀磨损中靶材的硬度所起的作用更为重要，而韧性所起的作用相对减小。 4 ) 浆体冲蚀的冷却作用 气固冲蚀时，由于局部产生剧烈的变形和绝热剪切作用，靶材表面局部地区 会产生很高的温升，使材料的组织发生变化，甚至熔化。而在浆体冲蚀磨损时， 液相的存在起到了冷却作