燃燒器頭部組件用新型高溫耐磨材料的研究

鄧榮娟，劉旭，王文清

燃燒器頭部組件用新型高溫耐磨材料的研究

鄧榮娟，劉旭，王文清

本文介紹了中材裝備集團有限公司熱工分公司為提高燃燒器使用壽命而研發的一種碳化物強化奧氏體耐熱鋼T810N。通過添加W、V、Ti、Nb等元素來形成高硬度、高熔點的碳化物，從而提高材質的高溫耐磨性能。試驗研究表明，T810N在高溫抗氧化性能、室溫及高溫拉伸性能、高溫耐磨性能方面較ZG40Cr28Ni16有顯著提高，能夠滿足提高燃燒器頭部組件使用壽命的要求。

奧氏體耐熱鋼；碳化物；合金元素；硬度；高溫耐磨性

煤粉燃燒器作為水泥廠煅燒水泥熟料的重要熱工設備，其使用壽命的長短直接影響燒成系統熱工制度的穩定及水泥熟料的產量和質量。而燃燒器的使用壽命，主要取決于其頭部組件所用材料的性能，如耐熱性和耐磨性。當前水泥熟料生產中，經常出現因煤粉燃燒器的頭部組件燒蝕及磨損而提前停窯維修的現象，導致燃燒器整體性能指標達不到燒成系統煅燒的要求。

燃燒器頭部組件的工況較為惡劣，不僅在高溫堿性環境中極易被氧化，同時還受到煤粉顆粒的高速沖刷，使頭部大外筒內表面呈規則的沖刷槽狀，使冷卻風的截面積變大，其風速達不到設計要求的指標，導致整個燃燒器失效。圖1為某水泥廠現場燃燒器頭部組件失效后的表面形貌照片。

目前，燃燒器頭部組件所使用的材料為ZG40Cr8Ni16，為了更好地提高燃燒器的使用壽命，中材裝備集團有限公司熱工分公司研發了新型高溫耐熱耐磨材料T810N，以適應市場需求。

T810N是自行設計研發的一種碳化物強化奧氏體耐熱鋼，設計思路為：合金中的Cr、Ni主要滿足高溫抗氧化性的需要，并通過添加W、V、Ti、Nb等元素來形成高強度、高硬度、高熔點的碳化物，從而提高材質的高溫耐磨性能；而Ti、Nb兩種元素則能夠細化晶粒，提高材質的韌性。[1]

用T810N和ZG40Cr28Ni16兩種材料分別進行制樣，并進行顯微組織對比分析、鑄態下的硬度測試、高溫抗氧化實驗[2]、室溫拉伸試驗、高溫拉伸試驗[3]、[4]以及高溫磨損試驗[5]等一系列的研究，其結果對比如下。

1 顯微組織分析

采用掃描電鏡（SEM）對試樣的微觀組織進行分析，主要是觀察兩種材料中強化相碳化物的組成及分布狀況，見圖2、3所示。

圖2中對ZG40Cr28Ni16試樣的發亮部位進行EDS（能譜）分析，得出的成分主要為Cr、C，由此可知，合金中的碳化物主要為碳化鉻。從圖2中可以看出，碳化物基本上較為連續地分布在晶界上。

圖3中對T810N試樣的發亮部位進行EDS（能譜）分析，得出的成分主要為W、Cr、C，微量的Ti、V、Nb，由此可以得出，合金中的碳化物主要為碳化鎢和碳化鉻，一定量的碳化鈦、碳化釩及碳化鈮。從圖3中可以看出，碳化物在合金中呈彌散狀不連續地分布在基體中。

2 高溫抗氧化試驗分析

對兩組試樣進行抗氧化實驗研究。氧化實驗采用北京電爐廠生產的SK2-2.5-13S型管式爐，試驗溫度為1000℃。氧化實驗采用等溫氧化模式，氧化時間為100h。

氧化實驗測試步驟：

（1）測量計算試樣表面積；

（2）對試樣進行超聲波清洗，稱量其初始重量；

（3）將試樣裝入95瓷氧化鋁坩堝中，放入高溫管式爐中進行靜態抗氧化性能測試，溫度定為1000℃；

（4）測量氧化后的試樣重量并計算其增重，氧化過程中每隔20h對試樣進行稱重。

所得實驗結果如圖4所示。

圖4中的1號試樣為ZG40Cr28Ni16，2號試樣為T810N，在連續100h的恒溫氧化后，試樣1的單位面積氧化增重為0.465mg/cm2，試樣2的單位面積氧化增重為0.336mg/cm2。

可以得出，T810N在1000℃的抗氧化性能明顯優于ZG40Cr28Ni16。

表1 ZG40Cr28Ni16與T810N硬度對比表

表2 ZG40Cr28Ni16與T810N室溫拉伸性能

表3 ZG40Cr28Ni16與T810N在650℃的高溫拉伸性能

表4 ZG40Cr28Ni16與T810N在650℃的耐磨性能對比表*

3 機械性能試驗分析

從表1中可以得出，T810N的硬度顯著高于ZG40Cr28Ni16，表明T810N中合金元素所形成的強化相起到了關鍵作用。。

4 結論

本文介紹了熱工分公司為提高燃燒器頭部組件的使用壽命而研發出一種新型的碳化物強化奧氏體耐熱鋼，通過添加W、V、Ti、Nb等元素來形成高強度、高硬度、高熔點的碳化物，從而提高材質的高溫耐磨性能。

通過一系列的試驗研究表明，T810N較ZG40Cr28Ni16在高溫抗氧化性能、室溫及高溫拉伸性能、高溫耐磨性能方面都有顯著提高，能夠滿足提高燃燒器頭部組件使用壽命的要求。

[1]樊東黎，徐越明，佟曉輝.熱處理技術數據手冊[M].北京：機械工業出版社，2006，第二版[2]李鐵藩.金屬高溫氧化和熱腐蝕[M].北京：化學工業出版社，2003.

[3]梁新邦，李久林，張振武.金屬力學及工藝性能試驗方法國家標準匯編.北京：中國標準出版社，1996.

[4]冶金工業部信息標準研究院標準研究所編.金屬材料物理試驗方法標準匯編[G].北京：中國標準出版社，1997.

[5]蔡澤高,等.金屬磨損與斷裂[M].上海：上海交通大學出版社，1985.

Investigation on Material of the High Temperature Wear Resistant for Head Parts of Coal Powder Burner

DENG Rong-juan,LIU Xu,WANG Wen-qing
（Pyrology Subsidiary Company,Sinoma Technology&Equipment Group Co.,Ltd.,Tianjin 300400,China）

The article introduced the research of the new high temperature wear resistant material(T810N)which was from Sinoma Technology&Equipment Group Co.,Ltd.-Pyrology Subsidiary Company.In order to increase operating life of coal powder burner,the new material required excellent high temperature wear resistant.Through adding the alloy element of W、V、Ti、Nb,the high temperature wear resistant of material was increased because of the high hardness and high melting-point carbide.The application of the high temperature oxidation experiment,room-temperature tensile test,high-temperature tensile test and the high temperature wear resistant experiment expressed that T810N was better than ZG40Cr28Ni16.The request of increasing operating life of coal powder burner was satisfied by the performance of the new material(T810N).

Austenitic heat-resistance steel;Carbide;Alloy element;Hardness;High temperature wear resistant

TQ172.625.3

A

1001-6171（2012）03-0082-03

通訊地址：中材裝備集團有限公司熱工分公司，天津 300400；

2011-01-13；

呂 光