硬质合金水煤浆喷嘴损坏机理的研究

第25卷第6期2005年12月MINING AND METALLURGICAL ENGINEERINGDecember 2005硬质合金水煤浆喷嘴损坏机理的研究丁泽良,吴吉平,孙晓,杨静(株洲工学院无机非金属材料湖南省重点实验室湖南株洲412008)摘要:用Yc8、YT5和YW13种硬质合金材料制备水煤浆喷嘴,研究它们在水煤浆雾化燃烧过程中的磨损特性及损坏机理。结果表眀:喷嘴材料的硬度对水煤浆喷嘴的磨损起重要作用。在相同条件下,硬度较高的YWI喷嘴的磨损率较低,硬度较低的YGξ喷嘴磨损率较高。喷嘴不同部位表现出不同的损坏机理,其中人口部位主要表现为晶粒脱落和脆性断裂,中间和出口部位主要表现为研磨损伤。关键词:硬质合金;喷嘴;磨损;水煤浆中图分类号:TG1464文献标识码:A章编号: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水煤浆是一种理想的煤基代油液体燃料,具有燃YT15和Yw13种硬质合金材料制作水煤浆喷嘴,并对用成本低、燃烧效率高、环境效益好以及储运方便等优它们进行现场磨损试验,探讨和分析硬质合金水煤浆点,已广泛用作锅炉窑炉和锻造炉的燃料喷嘴的磨损特性和损坏机理。喷嘴是水煤浆燃烧器中的关键部件之一。在水煤浆的雾化燃烧过程中,喷嘴一方面要承受煤粉中黄铁1试验方法矿、石英等许多高硬质粒子对它的高速冲击,另一方面试验在2th蒸汽锅炉(型号为DNs2-1.0-SM)又要承受高温环境和温度变化带来的热冲击,喷嘴工上进行,喷嘴材料为YG8、YT5和YW13种硬质合金,作时承受了严重的热冲蚀磨损2。其主要物理性能见表1。喷嘴内孔直径为5mm,入口根据制作喷嘴材料的不同,目前国内外水煤浆喷锥角β为30°~60,喷嘴长度为10mm,喷嘴结构见图嘴主要有金属、硬质合金和陶瓷3种,其中硬质合金喷1。图2为喷枪结构简图,雾化气进气角a为45°,雾化嘴因具有良好的耐磨、耐热冲击和耐腐蚀等综合性能,气孔直径2.0mm,雾化气孔数量3~6(均布)。水煤浆在实际应用中占有绝对的比例。国内外对于硬质合金的浓度65%±2%、发热量18.81~20.48M/kg、粘度的气固冲蚀和浆体冲蚀的研究很多,但对于硬质100-2500MPas粒度40-80m。水煤浆的额定消合金水煤浆喷嘴磨损方面的研究很少。本文用YG8、耗量200kg/h,供浆压力0.3MPa,雾化气压力0.25~①收稿日期:200507-196):株洲第6期丁泽良等:硬质合金水煤浆喷嘴损坏机理的研究0.45MPa,锅炉炉膛最高温度1400℃。光滑,粗糙度降低,发生磨损的程度减轻。另一方面,为减小水煤浆进入喷嘴时的阻力喷嘴一般都设有一表1水煤浆喷嘴材料的成分和性能定的入口角(又称收缩角)。水煤浆对喷嘴入口部位的牌号主要成分抗拉强度硬度密度冲蚀速度较高,冲蚀角度的变化范围较大,冲蚀磨损最m/Awm)严重。但随着冲蚀过程的继续,喷嘴孔径变大,喷嘴内wCs18508914.7wC78-79,TC15-16,C6130090.512.9孔中的凸起部位被“修平”,锐角部位被“修钝”,喷嘴内ww∞-84,TG-7,山(4-6c61∞091.513.0孔形状逐渐变成适应煤浆流动的“自然形”,喷嘴磨损由此进入相对稳定阶段。-YT15-E-YG&-Yw12447%120144冲蚀时间/h图1喷嘴结构示意图3喷嘴材料对喷嘴磨损率的影响雾化气图3还显示YW1喷嘴的磨损率小于YG8和YT5喷嘴的磨损率。这一方面是由于YW1合金的硬度高水煤浆于YG和YT15合金,在水煤浆的冲蚀下,硬质合金的硬度越高,其抗冲蚀磨损的能力越强;另一方面,由于YW1硬质合金中粘结相Co的含量较YG8要少,在水雾化气煤浆硬质粒子的高速冲击下,粘结相Co很容易发生塑性变形而被冲蚀掉,可以说硬质合金中的Co含量越喷嘴雾化气孔高,其冲蚀磨损率越大3-。2喷枪结构示意2.2喷嘴入口角对喷嘴磨损的影响图4为喷嘴入口角β对YT5喷嘴磨损量的影响用万分之一分析电子天平测量喷嘴磨损后的重曲线。可见,随着入口角β的增大喷嘴的磨损量明显量喷嘴的磨损率W以单位质量的水煤浆所引起的喷增大。喷嘴工作120h后,入口角β为60°的喷嘴其磨嘴体积流失表征。定义为:损量是入口角为30喷嘴的2倍以上。由于人口角W=m;/(d·m2)直接影响水煤浆在喷嘴入口部位的冲蚀角a(如图5式中m1为喷嘴的质量损失,d为喷嘴材料的密度,m2所示)那么随着喷嘴入口角β的增大,粒子对喷嘴入为燃用水煤浆的质量,kg。用 LEICA/M6型高倍晶相口处的冲蚀角α也随着增大。水煤浆对喷嘴入口部位显微镜对喷嘴磨损后的表面形貌进行观察分析。的冲蚀角a与喷嘴入口角之间可近似认为有如下关系:2试验结果与讨论2.1喷嘴材料对喷嘴磨损的影响图3为YC8、YT5和YW13种硬质合金喷嘴的磨损率随时间的变化曲线。可见,随着冲蚀时间的增加,喷嘴的磨损率迅速上升,但48h后磨损率变化趋于平稳。这一方面是由于冲蚀前的喷嘴内壁表面粗糙度较大,冲蚀粒子与表面之间的摩擦力大,更容易发生磨入口角/(°)第25卷图8为YTl5合金喷嘴磨损量随雾化气压力的变化曲线。随着雾化气压力的提高,喷嘴的磨损量明显二二二增加。因为提高雾化气的压力,会增大煤浆中冲蚀粒子对喷嘴的冲击速度,那么冲蚀粒子的动能就越大,它=+"对喷嘴的破坏力也就越大。研究表明,冲蚀速度与冲蚀率存在如下的关系:W∝W(指数n与喷嘴材料--二的性能和磨料的硬度有关,一般为1.8~29)。因此,在保证水煤浆充分雾化的前提下,尽可能减少雾化气的压力有助于减少喷嘴的磨损,延长喷嘴的使用寿命。5水煤浆对喷嘴入口部位的冲蚀示意60a=B2。而硬质合金等脆性材料的冲蚀磨损率与冲蚀角a有如下关系36: Rosin"2a,喷嘴冲蚀磨损率与入口角β之间的关系是:W∝sinβ。因此,喷嘴的磨损9水邮区量随入口角β的增大而增加。23雾化气对喷嘴磨损的影响020.250.300.350.400.45图6为YT5合金喷嘴的磨损量与雾化气孔数量雾化压力/Pa的关系曲线。可见,随着雾化气孔数量的增多,喷嘴的图8雾化气压力对YT5喷嘴磨损的影响磨损减少。因为在高速气流的冲击下,水煤浆被破碎成无数浆滴后,挤压到两雾化气孔之间的壁面处,对壁2.4喷嘴的损坏机理面进行高速冲蚀而使壁面磨损,喷嘴内壁磨损最严重图9为YG8硬质合金喷嘴在水煤浆雾化燃烧过的部位就发生在两雾化气孔之间的壁面上(如图7所程中内孔磨损表面的SEM照片。可见喷嘴入口部位示)口。增加雾化气孔的数量,并使雾化气孔成对称分磨损后的表面高低不平,出现许多空洞和凸峰,而喷嘴布,可以缩小雾化气孔之间的距离减少喷嘴受浆滴冲的中间和出口部位的磨损表面显得比较光滑。击的面积,起到保护喷嘴内壁减少喷嘴磨损的作用。感(0 15um雾化气孔数量/个图9高温下YG8硬质合金喷嘴磨损表面SEM照片图6雾化气孔数量对YT5喷嘴磨损的影响(a)入口部位;(b)中间出口部位雾化空气由于喷嘴入口部位属于高角冲蚀区,冲蚀粒子对该部位的冲蚀速度最高冲击能量也最大,YC8合金中水媒浆含有的金属粘结相Co在硬质粒子的高速冲击下,易发生塑性变形而被冲蚀掉,从而在冲蚀磨损表面形成许多空洞和凹坑,留下凸起的硬质相颗粒因失去支撑而雾化空气发生断裂破坏,并逐渐脱落。高磨损区喷嘴中间和出口部位属于低角冲蚀区,脆性材料图7喷嘴的磨损区域分析在低角冲蚀下具有较好的抗冲蚀能力。水煤浆是一种第6期丁泽良等:硬质合金水煤浆喷嘴损坏机理的研究角度在喷嘴表面髙速滑行时,其中硬质粒子对喷嘴表综上分析,在水煤浆雾化燃烧过程中,硬质合金水面产生微观的切削作用,而硬度相对较低的粒子则对煤浆喷嘴的损坏机理主要表现为晶粒脱落、脆性断裂喷嘴表面进行研磨和抛光作用和研磨损伤,其中喷嘴入口部位主要表现为晶粒脱落为比较合金喷嘴在室温和高温环境下的损坏机和脆性断裂,中间和出口部位主要表现为研磨损伤。理,作者还对YG8硬质合金喷嘴进行了室温实验(水由此得到图11所示的硬质合金水煤浆喷嘴损坏机理煤浆雾化后不燃烧),并得到了雾化环境下的磨损表面示意图。SEM照片,如图10所示。与图9进行对比,可以发现,YCR合金喷嘴室温下的磨损形貌与高温的基本相同,3结论即其室温和高温的损坏机理基本一样。1)硬质合金的硬度对喷嘴的磨损有重要影响。在相同条件下,硬度较高的YW1喷嘴的磨损率较低硬度较低的YG8喷嘴磨损率较高。2)合理设计喷嘴的入口角,在保证水煤浆充分雾餐汽化的前提下减少雾化气的压力或者增加雾化气孔的数量,均能起到减少喷嘴磨损的作用。3)硬质合金水煤浆喷嘴的不同部位表现出不同的损坏机理,其中入口部位主要表现为晶粒脱落和脆跃业该性断裂中间和出口部位主要表现为研磨损伤图10室温下YG8喷嘴磨损表面SEM照片参考文献:(a)人口部位;(b)中间/出口部位[1]岑可法,姚强,曹欣玉,等,煤浆燃烧、流动、传热和气化的理论与应用技术[M].杭州:浙江大学出版社,1997此外,还对YT5和YW12种合金喷嘴磨损表面2]丁泽良,李剑峰,邓建新,等.水煤浆雾化喷嘴的磨损行为分析进行了研究。结果显示,它们与YC8喷嘴具有相似的J].矿冶工程,2003,23(3):86-88表面特征。[3]Beste U, Hammerstrom L, Enggvist H, et al. 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