新型复相碳化硅陶瓷在送粉管道上的应用

张亚轩 马 俊 谢 悦 王 洋 常 威

（1.国能粤电台山发电有限公司，广东 台山 529228；2.葫芦岛市华能工业陶瓷有限公司，辽宁 葫芦岛 125000）

0 引言

送粉管道用于将煤粉从磨煤机出口输送到燃烧器，其运行特点是流速高、颗粒硬度高，且有一定温度。在此运行环境下会造成磨损严重，特别是弯头部分，不做任何防护措施，一般不到一年就会磨穿。这些设备大部分在高空支架上，检修不方便，一旦磨穿，将会严重影响设备的安全使用。

常用的防磨材料包括中碳低合金铸钢、抗磨白口铸铁、氧化铝陶瓷、橡胶、铸石和高温耐磨衬里等。这些材料对磨料磨损的攻角敏感，使耐磨材料在某一攻角下易于磨损，某些部位被磨漏，造成煤粉泄露，极大影响生产的安全性，对环境也造成了粉尘污染。

1 新型复相SiC陶瓷

SiC陶瓷是由碳化硅砂（别名金刚砂）添加高温结合剂烧结而成。SiC陶瓷不仅具有优良的常温力学性能，如较高的抗弯强度、优良的抗氧化性、良好的耐腐蚀性、较高的抗磨损以及较低的摩擦系数，而且高温力学性能（强度、抗蠕变性等）是已知陶瓷材料中最佳的。在燃煤火力发电行业，考虑成本因素，作为防磨材料的碳化硅陶瓷是一种氧化物结合碳化硅陶瓷，与其他材料一样，也存在对磨料磨损的攻角敏感的缺陷。

陶瓷材料是脆性材料，材料的磨损是“脆性磨削”，脆性材料不发生塑性变形而直接产生裂纹，随后裂纹扩展，形成碎片状磨屑。脆性材料在90°攻角下磨损最严重。为了提高新型复相SiC陶瓷的耐冲蚀性能，降低其冲蚀率，避免颗粒脱落，防止黏结相裂纹产生和扩展，可从以下方面加以改进。1） 提高级配的临界粒度，临界颗粒为5 mm，大颗粒穿插在中小颗粒和基质中，基质为大颗粒提供结合强度，大颗粒抵御冲击磨损。2） 适当降低SiC颗粒的含量百分比，相应地提高黏结相百分比，从量上加强黏结相的黏结能力。3） 在基质中，加入240目、3%~5%的金属硅，可以使陶瓷的结合更加致密，使结合界面得到加强。4） 加入高温膨胀剂（红柱石），高温烧结过程程中，膨胀剂因晶型转变，使体积增加5%，体积增加会使制品密度提高，进而提高了产品的耐磨性。

通过正交试验设计，制成尺寸（长×宽×厚）20mm~55mm×20mm~55mm×3mm~10mm的样块，采用ASTM-G76-83标准做磨损试验，筛选出合格的配方。

2 新型复相SiC陶瓷与Al2O3陶瓷、铸钢体积冲蚀率的比较

新型复相SiC陶瓷的5个攻角下的体积冲蚀率与AlO陶瓷、铸钢2种传统塑性、脆性材料的对比见表1和图1。

表1 新型复相SiC陶瓷、Al2O3陶瓷、铸钢2个攻角下的体积冲蚀率（mm3/g）

图1 新型复相SiC陶瓷、Al2O3陶瓷、铸钢的体积冲蚀率随攻角的变化情况

根据图1、表1可知，铸钢在30°攻角附近出现最大冲蚀率，大于或小于该攻角时其冲蚀率均减小，表现出塑性材料的冲蚀规律。AlO陶瓷在30°攻角以下的体积冲蚀率低于铸钢，在30°攻角以上其冲蚀率随攻角的增大而增大，并远远超过铸钢，在90°攻角出现最大冲蚀率，表现为典型脆性材料的冲蚀磨损特点，这也反映了AlO陶瓷耐冲蚀性能远不及对比中的金属材料。这3种材料都在某一攻角下出现最大冲蚀率，其冲蚀行为符合I.Finnie及Bitter等人描述的典型韧、脆性材料的冲蚀规律。

对比3种材料，新型复相SiC陶瓷在各个攻角下体积冲蚀率均远小于AlO陶瓷、铸钢2种对比材料，仅为其他材料的1/4~1/2，表现出十分优异的耐冲蚀性能。更加重要的是其5个攻角下的体积冲蚀率绝对值大小相近，几乎不随攻角变化，表现出了对攻角低敏感的冲蚀特性。

3 新型复相SiC陶瓷与Al2O3陶瓷、铸钢冲蚀坑形貌比较

新型复相SiC陶瓷、AlO陶瓷和铸钢3种材料在15°、45°和90°这3个典型攻角下的冲蚀坑宏观形貌如图2~图4所示。

图2是放大了的冲蚀坑核心部分，冲蚀坑表面局部放大后均呈连续光滑状。从中可以看出，铸钢在冲蚀后，样品在表面留下一个很大的冲蚀坑。低攻角冲蚀坑较大并呈彗星状，头部较深，随着向尾部的延伸越来越浅；随着攻角的增大，冲蚀坑逐渐向椭圆形发展，坑的核心也越来越深，表面积也越来越小。由于坑体积主要受表面积影响，因此也越来越小；直到90°正冲后呈圆形，坑深度达到最大，表面积和体积达到最小。

图2 铸钢放大24倍后的冲蚀坑形貌[2]

同样，氧化铝陶瓷在大量冲蚀后，表面也留下一个类似铸钢的冲蚀坑，如图3所示。从图3可以看出，冲蚀坑和铸钢一样呈单独而连续状态，坑周围比较光滑。相对铸钢而言，氧化铝陶瓷低攻角冲蚀坑要更短和更浅，因此坑表面积和体积更小；而随着攻角的增大，冲蚀坑也向椭圆形发展，坑的核心也越来越深，表面积也越来越小。与铸钢相反的是，坑的体积主要受深度变化的影响，因此逐渐变大；直到90°正冲后呈圆形，坑深度和体积达到最大。

图3 Al2O3陶瓷放大24倍后的冲蚀坑形貌

图4是新型复相SiC陶瓷是冲蚀前后样品表面形貌。图4（a）是样品冲蚀前的典型形貌，其中黑色大颗粒为SiC，与之相邻还有其他更小一些的SiC颗粒，它们之间是含有大量孔隙的黏结相。而各攻角下冲蚀后的形貌与铸钢、AlO陶瓷截然不同，冲蚀坑不再只有一个，而是在受冲蚀影响区内大大小小地分布着。坑的周围也不再连续而光滑，而是凹凸不平、突兀着许多大小不等的SiC颗粒，颗粒之间由黏结相紧密结合。低攻角下，坑浅而细长，似沟槽状而且比较缓。随着攻角的增大，冲蚀影响区变小，坑逐渐向深度发展，出现一个最深的核心坑。冲蚀前暴露出来的黏结相在冲蚀后流失，有些颗粒周围黏结相已经全部流失，只有底端与基体黏结，也有部分颗粒已经脱落，坑底与凸出大颗粒顶端距离差可达1 mm。

图4 新型复相SiC陶瓷放大24倍后的冲蚀坑形貌

可见新型复相SiC陶瓷兼备金属及陶瓷的优点，在低攻角冲蚀时，表现出了传统陶瓷本来所具有的优秀耐低攻角冲蚀能力，SiC颗粒的抗犁削使材料不易被犁削掉；而在高攻角冲蚀时，黏结相很好地吸收了冲击能量，再加上多粒度和强界面结合作用，使材料在高攻角也具备了优秀耐冲蚀能力，表现出与传统陶瓷相反的冲蚀特性。

4 新型复相碳化硅陶瓷冲蚀特性

4.1 黏结相和强化相的相互配合

在冲蚀过程中，冲蚀粒子作用到样品上的冲击能量相当一部分就被黏结相吸收，进而而减缓了冲蚀粒子对大颗粒SiC的作用。而SiC颗粒本身具有比一般陶瓷优秀的抗冲蚀性能，阻挡了冲蚀粒子对黏结相的作用，起了对黏结相的庇护作用。因此二者相互配合，大大耗散了冲蚀能量，有效地减少了材料的流失。

4.2 多粒度SiC颗粒效应

陶瓷内有多种不同粒度SiC颗粒组成，最大颗粒锂电3mm~5mm，表面形成凹凸不平/ 大小不一且深浅不均的特殊形貌，冲蚀粒子因表面不平而向各种方向反弹，与后续的冲蚀粒子发生相互碰撞，消耗了相当一部分的冲击能。

4.3 萌生的裂纹不发生扩展

新型复相碳化硅陶瓷与传统的连续性块体材料不同的是，多粒度分布的SiC颗粒使材料呈不连续性，进而阻止裂纹在脆性材料上的扩展。因此新型复相碳化硅陶瓷裂纹不扩展这一特性使其具有优秀的耐冲蚀性能。

4.4 对攻角低敏感性

新型复相碳化硅陶瓷的复相设计使样品两相配合得以实现，同时具备韧、脆两性，且不再具有取向性。因此新型复相碳化硅陶瓷已经综合了典型韧、脆材料的耐冲蚀优点，在低攻角冲蚀时，样品表现出了传统陶瓷本来所具有的优秀耐低攻角冲蚀能力，表面的SiC颗粒的抗犁削作用使样品不易被犁削掉；而在高攻角冲蚀时，样品中的黏结相很好地吸收了冲击能量，再加上多粒度和强界面结合作用使样品在高攻角也具备了优秀耐冲蚀能力，表现出与传统陶瓷相反的冲蚀特性。

5 新型复相SiC陶瓷在送粉管道上的应用

新型复相SiC陶瓷具有对磨料冲击磨损攻角不明感的特性，把它应用于燃煤火力发电厂送粉管道系统并作为防磨材料是创造性的发明。新型复相SiC陶瓷对攻角不敏感，能够使防磨内衬各部位的磨损量保持一致，不会因为局部磨损严重被磨漏而影响耐磨管道的整体使用寿命。通过优化设计，送粉管道弯头，煤粉流过时，背弧部分因为惯性，煤粉浓度偏高，磨损也比弯头其他部分磨损量大。所以，新型复相SiC陶瓷内衬在设计时背弧比内弧厚3 mm~5 mm，为偏心结构，如图5所示。为了避免陶瓷脱落，新型复相SiC陶瓷根据弯头的曲率半径制造成偏心的虾米腰管节。新型复相SiC陶瓷内衬/钢复合送粉管道耐磨弯头使用3年情况如图6所示，应用于某电厂2×600MW机组工程送粉管道耐磨弯头使用3年后经过测量，各部位磨损量符合设计要求，最大磨损厚度为2.1 mm，根据测量的数据，该新型复相SiC陶瓷内衬/钢复合送粉管道耐磨弯头磨损量为0.7 mm/a（7500 h），可以安全使用15 a。

图5 新型复相SiC陶瓷应用于送粉管道的3D示意图

图6 新型复相SiC陶瓷内衬/钢复合送粉管道耐磨弯头使用3年情况

6 结论

该文通过提高级配的临界粒度、加强基质的强度以及使用高温膨胀剂的措施，使新型复相SiC陶瓷具有对磨料磨损冲击攻角不明感的特性。新型复相SiC陶瓷非常适合应用于气、固两项输送小颗粒物料且强力磨损的工况，应用于燃煤火力发电厂送粉管道可以极大地延长设备的使用寿命，值得大力推广。通过优化设计，应用于燃煤火力发电厂送粉管道作为防磨材料的新型复相SiC陶瓷，可以制作成偏心的陶瓷管节，可防止防磨材料脱落。