硬質(zhì)合金水煤漿噴嘴損壞機理的研究

第25卷第6期2005年12月MINING AND METALLURGICAL ENGINEERINGDecember 2005硬質(zhì)合金水煤漿噴嘴損壞機理的研究丁澤良,吳吉平,孫曉,楊靜(株洲工學(xué)院無(wú)機非金屬材料湖南省重點(diǎn)實(shí)驗室湖南株洲412008)摘要:用Yc8、YT5和YW13種硬質(zhì)合金材料制備水煤漿噴嘴,研究它們在水煤漿霧化燃燒過(guò)程中的磨損特性及損壞機理。結果表眀:噴嘴材料的硬度對水煤漿噴嘴的磨損起重要作用。在相同條件下,硬度較高的YWI噴嘴的磨損率較低,硬度較低的YGξ噴嘴磨損率較高。噴嘴不同部位表現出不同的損壞機理,其中人口部位主要表現為晶粒脫落和脆性斷裂,中間和出口部位主要表現為研磨損傷。關(guān)鍵詞:硬質(zhì)合金;噴嘴;磨損;水煤漿中圖分類(lèi)號:TG1464文獻標識碼:A章編號:0253-6099(2005)6-0098-04Failure Mechanism of Cemented Carbide Nozzles in Atomizingand Burning Process of Coal Water SlurryDING Ze-liang, WU Ji-ping, SUN Xiao, YANG JingHunan Engineering Technology hey Laboratory of inorganic Nonmetal Materials, Zhuzhou institute of Technology, Zhuzhou412008,Hunan, China)Abstract: Nozzles for coal water slurry(CWS)were made of YG8, YT15 and YWI cemented carbides. The wear propertieand failure mechanism of these nozzles in CWS atomizing and buming process have been studied. The results showed that thehardness of nozzle material has an effect on the wear resistance of CWs nozzle. The Ywi cemented carbide nozzle with highhardness exhibited low wear rate, while the YG8 cemented carbide nozzle with low hardness showed higher wear rate under thesame test conditions. Analyses of the eroded bore surface of the nozzles demonstrated that the failure mechanism of the nozzlevaried with the different sections of the nozzle. The failure of the entry section was mainly brittle fracture and particlesing off, while the middle section and exit section showed abrasive wearKey words: cemented carbide; nozzle; wear; coal water slurry水煤漿是一種理想的煤基代油液體燃料,具有燃YT15和Yw13種硬質(zhì)合金材料制作水煤漿噴嘴,并對用成本低、燃燒效率高、環(huán)境效益好以及儲運方便等優(yōu)它們進(jìn)行現場(chǎng)磨損試驗,探討和分析硬質(zhì)合金水煤漿點(diǎn),已廣泛用作鍋爐窯爐和鍛造爐的燃料噴嘴的磨損特性和損壞機理。噴嘴是水煤漿燃燒器中的關(guān)鍵部件之一。在水煤漿的霧化燃燒過(guò)程中,噴嘴一方面要承受煤粉中黃鐵1試驗方法礦、石英等許多高硬質(zhì)粒子對它的高速沖擊,另一方面試驗在2th蒸汽鍋爐(型號為DNs2-1.0-SM)又要承受高溫環(huán)境和溫度變化帶來(lái)的熱沖擊,噴嘴工上進(jìn)行,噴嘴材料為YG8、YT5和YW13種硬質(zhì)合金,作時(shí)承受了嚴重的熱沖蝕磨損2。其主要物理性能見(jiàn)表1。噴嘴內孔直徑為5mm,入口根據制作噴嘴材料的不同,目前國內外水煤漿噴錐角β為30°~60,噴嘴長(cháng)度為10mm,噴嘴結構見(jiàn)圖嘴主要有金屬、硬質(zhì)合金和陶瓷3種,其中硬質(zhì)合金噴1。圖2為噴槍結構簡(jiǎn)圖,霧化氣進(jìn)氣角a為45°,霧化嘴因具有良好的耐磨、耐熱沖擊和耐腐蝕等綜合性能,氣孔直徑2.0mm,霧化氣孔數量3~6(均布)。水煤漿在實(shí)際應用中占有絕對的比例。國內外對于硬質(zhì)合金的濃度65%±2%、發(fā)熱量18.81~20.48M/kg、粘度的氣固沖蝕和漿體沖蝕的研究很多,但對于硬質(zhì)100-2500MPas粒度40-80m。水煤漿的額定消合金水煤漿噴嘴磨損方面的研究很少。本文用YG8、耗量200kg/h,供漿壓力0.3MPa,霧化氣壓力0.25~①收稿日期:200507-196):株洲第6期丁澤良等:硬質(zhì)合金水煤漿噴嘴損壞機理的研究0.45MPa,鍋爐爐膛最高溫度1400℃。光滑,粗糙度降低,發(fā)生磨損的程度減輕。另一方面,為減小水煤漿進(jìn)入噴嘴時(shí)的阻力噴嘴一般都設有一表1水煤漿噴嘴材料的成分和性能定的入口角(又稱(chēng)收縮角)。水煤漿對噴嘴入口部位的牌號主要成分抗拉強度硬度密度沖蝕速度較高,沖蝕角度的變化范圍較大,沖蝕磨損最m/Awm)嚴重。但隨著(zhù)沖蝕過(guò)程的繼續,噴嘴孔徑變大,噴嘴內wCs18508914.7wC78-79,TC15-16,C6130090.512.9孔中的凸起部位被“修平”,銳角部位被“修鈍”,噴嘴內ww∞-84,TG-7,山(4-6c61∞091.513.0孔形狀逐漸變成適應煤漿流動(dòng)的“自然形”,噴嘴磨損由此進(jìn)入相對穩定階段。-YT15-E-YG&-Yw12447%120144沖蝕時(shí)間/h圖1噴嘴結構示意圖3噴嘴材料對噴嘴磨損率的影響霧化氣圖3還顯示YW1噴嘴的磨損率小于YG8和YT5噴嘴的磨損率。這一方面是由于YW1合金的硬度高水煤漿于YG和YT15合金,在水煤漿的沖蝕下,硬質(zhì)合金的硬度越高,其抗沖蝕磨損的能力越強;另一方面,由于YW1硬質(zhì)合金中粘結相Co的含量較YG8要少,在水霧化氣煤漿硬質(zhì)粒子的高速沖擊下,粘結相Co很容易發(fā)生塑性變形而被沖蝕掉,可以說(shuō)硬質(zhì)合金中的Co含量越噴嘴霧化氣孔高,其沖蝕磨損率越大3-。2噴槍結構示意2.2噴嘴入口角對噴嘴磨損的影響圖4為噴嘴入口角β對YT5噴嘴磨損量的影響用萬(wàn)分之一分析電子天平測量噴嘴磨損后的重曲線(xiàn)?？梢?jiàn),隨著(zhù)入口角β的增大噴嘴的磨損量明顯量噴嘴的磨損率W以單位質(zhì)量的水煤漿所引起的噴增大。噴嘴工作120h后,入口角β為60°的噴嘴其磨嘴體積流失表征。定義為:損量是入口角為30噴嘴的2倍以上。由于人口角W=m;/(d·m2)直接影響水煤漿在噴嘴入口部位的沖蝕角a(如圖5式中m1為噴嘴的質(zhì)量損失,d為噴嘴材料的密度,m2所示)那么隨著(zhù)噴嘴入口角β的增大,粒子對噴嘴入為燃用水煤漿的質(zhì)量,kg。用 LEICA/M6型高倍晶相口處的沖蝕角α也隨著(zhù)增大。水煤漿對噴嘴入口部位顯微鏡對噴嘴磨損后的表面形貌進(jìn)行觀(guān)察分析。的沖蝕角a與噴嘴入口角之間可近似認為有如下關(guān)系:2試驗結果與討論2.1噴嘴材料對噴嘴磨損的影響圖3為YC8、YT5和YW13種硬質(zhì)合金噴嘴的磨損率隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)?？梢?jiàn),隨著(zhù)沖蝕時(shí)間的增加,噴嘴的磨損率迅速上升,但48h后磨損率變化趨于平穩。這一方面是由于沖蝕前的噴嘴內壁表面粗糙度較大,沖蝕粒子與表面之間的摩擦力大,更容易發(fā)生磨入口角/(°)第25卷圖8為YTl5合金噴嘴磨損量隨霧化氣壓力的變化曲線(xiàn)。隨著(zhù)霧化氣壓力的提高,噴嘴的磨損量明顯二二二增加。因為提高霧化氣的壓力,會(huì )增大煤漿中沖蝕粒子對噴嘴的沖擊速度,那么沖蝕粒子的動(dòng)能就越大,它=+"對噴嘴的破壞力也就越大。研究表明,沖蝕速度與沖蝕率存在如下的關(guān)系:W∝W(指數n與噴嘴材料--二的性能和磨料的硬度有關(guān),一般為1.8~29)。因此,在保證水煤漿充分霧化的前提下,盡可能減少霧化氣的壓力有助于減少?lài)娮斓哪p,延長(cháng)噴嘴的使用壽命。5水煤漿對噴嘴入口部位的沖蝕示意60a=B2。而硬質(zhì)合金等脆性材料的沖蝕磨損率與沖蝕角a有如下關(guān)系36: Rosin"2a,噴嘴沖蝕磨損率與入口角β之間的關(guān)系是:W∝sinβ。因此,噴嘴的磨損9水郵區量隨入口角β的增大而增加。23霧化氣對噴嘴磨損的影響020.250.300.350.400.45圖6為YT5合金噴嘴的磨損量與霧化氣孔數量霧化壓力/Pa的關(guān)系曲線(xiàn)?？梢?jiàn),隨著(zhù)霧化氣孔數量的增多,噴嘴的圖8霧化氣壓力對YT5噴嘴磨損的影響磨損減少。因為在高速氣流的沖擊下,水煤漿被破碎成無(wú)數漿滴后,擠壓到兩霧化氣孔之間的壁面處,對壁2.4噴嘴的損壞機理面進(jìn)行高速沖蝕而使壁面磨損,噴嘴內壁磨損最嚴重圖9為YG8硬質(zhì)合金噴嘴在水煤漿霧化燃燒過(guò)的部位就發(fā)生在兩霧化氣孔之間的壁面上(如圖7所程中內孔磨損表面的SEM照片?？梢?jiàn)噴嘴入口部位示)口。增加霧化氣孔的數量,并使霧化氣孔成對稱(chēng)分磨損后的表面高低不平,出現許多空洞和凸峰,而噴嘴布,可以縮小霧化氣孔之間的距離減少?lài)娮焓軡{滴沖的中間和出口部位的磨損表面顯得比較光滑。擊的面積,起到保護噴嘴內壁減少?lài)娮炷p的作用。感(0 15um霧化氣孔數量/個(gè)圖9高溫下YG8硬質(zhì)合金噴嘴磨損表面SEM照片圖6霧化氣孔數量對YT5噴嘴磨損的影響(a)入口部位;(b)中間出口部位霧化空氣由于噴嘴入口部位屬于高角沖蝕區,沖蝕粒子對該部位的沖蝕速度最高沖擊能量也最大,YC8合金中水媒漿含有的金屬粘結相Co在硬質(zhì)粒子的高速沖擊下,易發(fā)生塑性變形而被沖蝕掉,從而在沖蝕磨損表面形成許多空洞和凹坑,留下凸起的硬質(zhì)相顆粒因失去支撐而霧化空氣發(fā)生斷裂破壞,并逐漸脫落。高磨損區噴嘴中間和出口部位屬于低角沖蝕區,脆性材料圖7噴嘴的磨損區域分析在低角沖蝕下具有較好的抗沖蝕能力。水煤漿是一種第6期丁澤良等:硬質(zhì)合金水煤漿噴嘴損壞機理的研究角度在噴嘴表面髙速滑行時(shí),其中硬質(zhì)粒子對噴嘴表綜上分析,在水煤漿霧化燃燒過(guò)程中,硬質(zhì)合金水面產(chǎn)生微觀(guān)的切削作用,而硬度相對較低的粒子則對煤漿噴嘴的損壞機理主要表現為晶粒脫落、脆性斷裂噴嘴表面進(jìn)行研磨和拋光作用和研磨損傷,其中噴嘴入口部位主要表現為晶粒脫落為比較合金噴嘴在室溫和高溫環(huán)境下的損壞機和脆性斷裂,中間和出口部位主要表現為研磨損傷。理,作者還對YG8硬質(zhì)合金噴嘴進(jìn)行了室溫實(shí)驗(水由此得到圖11所示的硬質(zhì)合金水煤漿噴嘴損壞機理煤漿霧化后不燃燒),并得到了霧化環(huán)境下的磨損表面示意圖。SEM照片,如圖10所示。與圖9進(jìn)行對比,可以發(fā)現,YCR合金噴嘴室溫下的磨損形貌與高溫的基本相同,3結論即其室溫和高溫的損壞機理基本一樣。1)硬質(zhì)合金的硬度對噴嘴的磨損有重要影響。在相同條件下,硬度較高的YW1噴嘴的磨損率較低硬度較低的YG8噴嘴磨損率較高。2)合理設計噴嘴的入口角,在保證水煤漿充分霧餐汽化的前提下減少霧化氣的壓力或者增加霧化氣孔的數量,均能起到減少?lài)娮炷p的作用。3)硬質(zhì)合金水煤漿噴嘴的不同部位表現出不同的損壞機理,其中入口部位主要表現為晶粒脫落和脆躍業(yè)該性斷裂中間和出口部位主要表現為研磨損傷圖10室溫下YG8噴嘴磨損表面SEM照片參考文獻:(a)人口部位;(b)中間/出口部位[1]岑可法,姚強,曹欣玉,等,煤漿燃燒、流動(dòng)、傳熱和氣化的理論與應用技術(shù)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,1997此外,還對YT5和YW12種合金噴嘴磨損表面2]丁澤良,李劍峰,鄧建新,等.水煤漿霧化噴嘴的磨損行為分析進(jìn)行了研究。結果顯示,它們與YC8噴嘴具有相似的J].礦冶工程,2003,23(3):86-88表面特征。[3]Beste U, Hammerstrom L, Enggvist H, et al. Particle erosion of cementedcarbides with low Co content[J]. Wear, 2001, 250: 809-817[4] D erico G E, Bugliosi S, Cuppini D. Erosion of ceramics and cermets[J]. Joumal of Materials Processing Technology, 2001, 118(1-3):448出口端入口端[5] Hashish M. Observations of wear of abrasive-waterjet node materials[J]Joumal of Tribology, 1994, 116: 439-444水煤漿[6]牟軍,酈劍,等.金屬及陶瓷材料沖蝕研究的進(jìn)展[J.材料科學(xué)與工程,1994,12(2):9-15[7] Nanduri M, Taggart D G, Kim T The effects of system and geometric以晶粒脫落和parameters on abrasive water jet nozzle wear[J]. Intemational Joumal of以研磨損傷為主性斷裂為主Machine Tools Manufacture, 2002, 42: 615-623[8] Hussainova I. Some aspects of solid particle erosion of圖11硬質(zhì)合金水煤漿噴嘴損壞機理示意bology International, 2001, 34: 89-93