新型復(fù)相碳化硅陶瓷在送粉管道上的應(yīng)用

張亞軒 馬 俊 謝 悅 王 洋 常 威

（1.國(guó)能粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司，廣東 臺(tái)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(jī)出口輸送到燃燒器，其運(yùn)行特點(diǎn)是流速高、顆粒硬度高，且有一定溫度。在此運(yùn)行環(huán)境下會(huì)造成磨損嚴(yán)重，特別是彎頭部分，不做任何防護(hù)措施，一般不到一年就會(huì)磨穿。這些設(shè)備大部分在高空支架上，檢修不方便，一旦磨穿，將會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)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(duì)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(chǎn)的安全性，對(duì)環(huán)境也造成了粉塵污染。

1 新型復(fù)相SiC陶瓷

SiC陶瓷是由碳化硅砂（別名金剛砂）添加高溫結(jié)合劑燒結(jié)而成。SiC陶瓷不僅具有優(yōu)良的常溫力學(xué)性能，如較高的抗彎強(qiáng)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(xué)性能（強(qiáng)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(jié)合碳化硅陶瓷，與其他材料一樣，也存在對(duì)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(chǎn)生裂紋，隨后裂紋擴(kuò)展，形成碎片狀磨屑。脆性材料在90°攻角下磨損最嚴(yán)重。為了提高新型復(fù)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(jié)相裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展，可從以下方面加以改進(jìn)。1） 提高級(jí)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(zhì)中，基質(zhì)為大顆粒提供結(jié)合強(qiáng)度，大顆粒抵御沖擊磨損。2） 適當(dāng)降低SiC顆粒的含量百分比，相應(yīng)地提高黏結(jié)相百分比，從量上加強(qiáng)黏結(jié)相的黏結(jié)能力。3） 在基質(zhì)中，加入240目、3%~5%的金屬硅，可以使陶瓷的結(jié)合更加致密，使結(jié)合界面得到加強(qiáng)。4） 加入高溫膨脹劑（紅柱石），高溫?zé)Y(jié)過(guò)程程中，膨脹劑因晶型轉(zhuǎn)變，使體積增加5%，體積增加會(huì)使制品密度提高，進(jìn)而提高了產(chǎn)品的耐磨性。

通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，制成尺寸（長(zhǎng)×寬×厚）20mm~55mm×20mm~55mm×3mm~10mm的樣塊，采用ASTM-G76-83標(biāo)準(zhǔn)做磨損試驗(yàn)，篩選出合格的配方。

2 新型復(fù)相SiC陶瓷與Al2O3陶瓷、鑄鋼體積沖蝕率的比較

新型復(fù)相SiC陶瓷的5個(gè)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(duì)比見(jiàn)表1和圖1。

表1 新型復(fù)相SiC陶瓷、Al2O3陶瓷、鑄鋼2個(gè)攻角下的體積沖蝕率（mm3/g）

圖1 新型復(fù)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(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(diǎn)，這也反映了AlO陶瓷耐沖蝕性能遠(yuǎn)不及對(duì)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(duì)比3種材料，新型復(fù)相SiC陶瓷在各個(gè)攻角下體積沖蝕率均遠(yuǎn)小于AlO陶瓷、鑄鋼2種對(duì)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(gè)攻角下的體積沖蝕率絕對(duì)值大小相近，幾乎不隨攻角變化，表現(xiàn)出了對(duì)攻角低敏感的沖蝕特性。

3 新型復(fù)相SiC陶瓷與Al2O3陶瓷、鑄鋼沖蝕坑形貌比較

新型復(fù)相SiC陶瓷、AlO陶瓷和鑄鋼3種材料在15°、45°和90°這3個(gè)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(gè)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(lái)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(lái)越深，表面積也越來(lái)越小。由于坑體積主要受表面積影響，因此也越來(lái)越小；直到90°正沖后呈圓形，坑深度達(dá)到最大，表面積和體積達(dá)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(gè)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(dú)而連續(xù)狀態(tài)，坑周圍比較光滑。相對(duì)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小；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(lái)越深，表面積也越來(lái)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(dá)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(fù)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(jié)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(gè)，而是在受沖蝕影響區(qū)內(nèi)大大小小地分布著。坑的周圍也不再連續(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(jié)相緊密結(jié)合。低攻角下，坑淺而細(xì)長(zhǎng)，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(gè)最深的核心坑。沖蝕前暴露出來(lái)的黏結(jié)相在沖蝕后流失，有些顆粒周圍黏結(jié)相已經(jīng)全部流失，只有底端與基體黏結(jié)，也有部分顆粒已經(jīng)脫落，坑底與凸出大顆粒頂端距離差可達(dá)1 mm。

圖4 新型復(fù)相SiC陶瓷放大24倍后的沖蝕坑形貌

可見(jiàn)新型復(fù)相SiC陶瓷兼?zhèn)浣饘偌疤沾傻膬?yōu)點(diǎn)，在低攻角沖蝕時(shí)，表現(xiàn)出了傳統(tǒng)陶瓷本來(lái)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(shí)，黏結(jié)相很好地吸收了沖擊能量，再加上多粒度和強(qiáng)界面結(jié)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(fù)相碳化硅陶瓷沖蝕特性

4.1 黏結(jié)相和強(qiáng)化相的相互配合

在沖蝕過(guò)程中，沖蝕粒子作用到樣品上的沖擊能量相當(dāng)一部分就被黏結(jié)相吸收，進(jìn)而而減緩了沖蝕粒子對(duì)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(duì)黏結(jié)相的作用，起了對(duì)黏結(jié)相的庇護(hù)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(yīng)

陶瓷內(nèi)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(dāng)一部分的沖擊能。

4.3 萌生的裂紋不發(fā)生擴(kuò)展

新型復(fù)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(jìn)而阻止裂紋在脆性材料上的擴(kuò)展。因此新型復(fù)相碳化硅陶瓷裂紋不擴(kuò)展這一特性使其具有優(yōu)秀的耐沖蝕性能。

4.4 對(duì)攻角低敏感性

新型復(fù)相碳化硅陶瓷的復(fù)相設(shè)計(jì)使樣品兩相配合得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)具備韌、脆兩性，且不再具有取向性。因此新型復(fù)相碳化硅陶瓷已經(jīng)綜合了典型韌、脆材料的耐沖蝕優(yōu)點(diǎn)，在低攻角沖蝕時(shí)，樣品表現(xiàn)出了傳統(tǒng)陶瓷本來(lái)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(shí)，樣品中的黏結(jié)相很好地吸收了沖擊能量，再加上多粒度和強(qiáng)界面結(jié)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(fù)相SiC陶瓷在送粉管道上的應(yīng)用

新型復(fù)相SiC陶瓷具有對(duì)磨料沖擊磨損攻角不明感的特性，把它應(yīng)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(fù)相SiC陶瓷對(duì)攻角不敏感，能夠使防磨內(nèi)襯各部位的磨損量保持一致，不會(huì)因?yàn)榫植磕p嚴(yán)重被磨漏而影響耐磨管道的整體使用壽命。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，送粉管道彎頭，煤粉流過(guò)時(shí)，背弧部分因?yàn)閼T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(fù)相SiC陶瓷內(nèi)襯在設(shè)計(jì)時(shí)背弧比內(nèi)弧厚3 mm~5 mm，為偏心結(jié)構(gòu)，如圖5所示。為了避免陶瓷脫落，新型復(fù)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(fù)相SiC陶瓷內(nèi)襯/鋼復(fù)合送粉管道耐磨彎頭使用3年情況如圖6所示，應(yīng)用于某電廠2×600MW機(jī)組工程送粉管道耐磨彎頭使用3年后經(jīng)過(guò)測(cè)量，各部位磨損量符合設(shè)計(jì)要求，最大磨損厚度為2.1 mm，根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)，該新型復(fù)相SiC陶瓷內(nèi)襯/鋼復(fù)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(fù)相SiC陶瓷應(yīng)用于送粉管道的3D示意圖

圖6 新型復(fù)相SiC陶瓷內(nèi)襯/鋼復(fù)合送粉管道耐磨彎頭使用3年情況

6 結(jié)論

該文通過(guò)提高級(jí)配的臨界粒度、加強(qiáng)基質(zhì)的強(qiáng)度以及使用高溫膨脹劑的措施，使新型復(fù)相SiC陶瓷具有對(duì)磨料磨損沖擊攻角不明感的特性。新型復(fù)相SiC陶瓷非常適合應(yīng)用于氣、固兩項(xiàng)輸送小顆粒物料且強(qiáng)力磨損的工況，應(yīng)用于燃煤火力發(fā)電廠送粉管道可以極大地延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，值得大力推廣。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用于燃煤火力發(fā)電廠送粉管道作為防磨材料的新型復(fù)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。