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摘要 以纯度高于99%的SiC粉为原料，一定比例的硼粉和碳粉作为添加剂，在120MPa下等静压成形，在氢气气氛下热压烧结制成SiC陶瓷水煤浆喷嘴，并在相同试验条件下，与相同尺寸的材质为45#钢、YG8硬质合金的喷嘴进行对比试验。结果表明：SiC陶瓷水煤浆喷嘴的使用寿命是45#钢材质使用寿命的150～200倍，是YG8硬质合金材质的1.5～2.0倍；另外，SiC陶瓷水煤浆喷嘴失效的主要原因是喷嘴出口处的热崩。
关键词 SiC陶瓷，喷嘴，水煤浆
1前言
据世界能源资源统计报道，目前世界上煤的储藏量要大大超过油的储藏量，石油的开采只能再持续30～40年，而煤的开采仍可持续200～300年。再者，我国矿物质能源以煤为主，因而充分而又合理地利用煤资源、大力发展清洁煤技术，高效清洁地利用我国煤炭资源，对于当前建设节约型社会、社会主义和谐社会、促进国民经济的稳定快速发展，以及解决发展所带来的能源危机具有极其重要的战略意义。顺应这一趋势，水煤浆作为一种新型煤基代油液体燃料已越来越广泛地应用于我国的电力、石化、冶金、建材等行业的锅炉、窑炉和锻造炉上。
水煤浆（Coal Water Mixture，简称CWM）是将煤粉碎成一定粒径并与水和添加剂按60%～70%、30%～40%、1%的比例混合制成的高浓度煤/水分散体系，它既保持了煤炭原有的物理、化学特征，又具有石油一样的流动性和稳定性，可以像石油一样在燃烧器上燃烧，而喷嘴就是水煤浆燃烧器的关键部件。工作时，喷嘴将处在最高温度达1400℃的温度场中，同时其内壁受到水煤浆中黄铁矿、石英等许多高硬度粒子的高速冲击，使其产生严重的低角度热冲蚀磨损，易导致喷嘴的快速失效。
2制作水煤浆喷嘴的常用材料
目前，制造水煤浆喷嘴的材料主要有：金属、硬质合金和陶瓷三大类。金属水煤浆喷嘴制造简单、成本低廉，并且金属的加工性能比较好，可用于制造结构复杂的水煤浆喷嘴，但是金属喷嘴的使用寿命很短，需要频繁地更换，给生产造成很多不便。这样既增加了工人的劳动强度，又影响了生产。硬质合金水煤浆喷嘴的制造工艺相对要复杂，成本也高，但寿命长。现在这种材料制造的水煤浆喷嘴在生产中使用较多。陶瓷水煤浆喷嘴是在前两者的基础上发展起来的，虽然与前两者相比，陶瓷水煤浆喷嘴的制造工艺要复杂很多，成本也高很多，但由于陶瓷具有很好的耐磨、耐腐蚀、耐高温的性能，使用寿命比前两者都要长很多，是一种理想的材料。陶瓷家族中的SiC陶瓷具有硬度高、强度高、韧性好（相对于其它陶瓷材料）、耐高温、抗热震、耐腐蚀、抗冲蚀、耐磨、重量轻及热传导性能良好等优点。笔者基于SiC陶瓷的这些优点，尝试用SiC陶瓷材料制作水煤浆喷嘴。
3水煤浆喷嘴的制备
在纯度高于99%的SiC粉中加入一定比例的硼粉和碳粉作为添加剂，再以乙醇为介质球磨。经烘干、过筛处理后，进行120MPa等静压成形，再装入石墨模具中，并加入SiC粉，在氢气气氛下热压烧结。烧结温度为1950℃，压力为30MPa，保温30min。把烧结好的产品做适量的表面加工，得到SiC水煤浆喷嘴成品，用浮力法测得其密度为3.11g/cm3，制得的喷嘴结构如图1所示。
图1 喷嘴结构示意图
4对比试验
选用另外两种材质分别为45#钢和YG8硬质合金具有相同尺寸的水煤浆喷嘴与以上制得的喷嘴一起做比较试验。把喷嘴安装（装置图见图2）在水煤浆燃烧器上，在2t/h蒸汽锅炉（型号为DNS2-1.0-SM）上进行试验，试验所用的水煤浆浓度为65%左右，发热量18.81～20.48MJ/kg、粘度1000～2500MPa/S、粒度40～80μm。水煤浆的额定消耗量200kg/h，供浆压力0.3MPa，雾化气压力0.25～0.50MPa，锅炉炉膛最高温度为1400℃。
用电子天平（双圈牌，型号为MA240D，精确到0.0001g）分别测量三种喷嘴磨损后的重量，计算出质量损失，再用公式精确计算出喷嘴的体积磨损率W。体积磨损率W表示单位质量的水煤浆所引起的喷嘴体积损失。
图2 喷嘴安装图
W=m1/(d·m2)
上式中：
m1 —— 喷嘴的质量损失
d—— 喷嘴材料的密度
m2 —— 试验中对应喷嘴质量损失中的水煤浆的消耗量
用扫描电子显微镜对试验过的喷嘴内壁表面形貌进行观察分析并对喷嘴出口拍照。
5 结果和分析
图3中的三条曲线分别表示了45#钢、YG8硬质合金和SiC陶瓷三种水煤浆喷嘴的冲蚀率随时间变化的关系曲线。45＃钢喷嘴的冲蚀率随时间的增加而加剧，然后趋于平缓。趋于平缓后，45#钢喷嘴的冲蚀率是SiC陶瓷喷嘴的150～200倍，YG8硬质合金喷嘴是SiC陶瓷喷嘴的1.5～2.0倍。因为喷嘴的失效与喷嘴的体积损失量是直接相关的，所以说SiC陶瓷喷嘴的使用寿命是45＃钢喷嘴的150～200倍，是YG8硬质合金喷嘴的1.5～2.0倍。
图3 水煤浆喷嘴冲蚀率与冲蚀时间的关系曲线图
图4是三种喷嘴出口再试用后的表面形貌照片。由图可见，45＃钢喷嘴的孔径显著增大；YG8硬质合金喷嘴的孔径变化很小；SiC陶瓷喷嘴的孔径变化则更小，但表面出现了脱落。导致这种脱落的原因可能有两种：一种是由于水煤浆中硬质粒子的冲击所致；另一种是由于喷嘴出口处表里存在很大温差，这种温差形成的热应力使出口处表层产生热崩。但因为图5显示的SiC陶瓷喷嘴的内表面很光滑，水煤浆中的硬质粒子对SiC材料的冲击根本不会导致表层脱落，所以可以排除第一种可能，其根本原因在于第二种—热崩。
（1） 45#钢喷嘴 （2） YG8硬质合金喷嘴 （3） SiC陶瓷喷嘴
图4 水煤浆喷嘴出口冲蚀磨损表面形貌照片
（1） YG8硬质合金喷嘴（2） 45#钢喷嘴（3） SiC陶瓷喷嘴
图5 水煤浆喷嘴内壁磨损表面形貌SEM照片
6结论
(1) 在相同试验条件下，SiC陶瓷水煤浆喷嘴的使用寿命是45#钢喷嘴使用寿命的150～200倍，是YG8硬质合金喷嘴的1.5～2.0倍；
(2) SiC陶瓷水煤浆喷嘴失效的主要原因是喷嘴出口处的热崩。
参考文献
1 丁泽良，李剑峰，邓建新.水煤浆喷嘴材料的应用研究[J].选煤技术，2002（6）：13～15
2 李世普.特种陶瓷工艺学[M].武汉工业大学出版社
3 员冬玲，邓建新，丁泽良.陶瓷水煤浆喷嘴温度场及热应力的有限元分析[J].山东大学学报
4 岑可法，姚 强，曹欣玉.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，1998
5 崔秀玉，雷晓平.浅谈中国水煤浆技术的开发与应用[J].洁净煤技术，2002，8（4）：13～16
关键词 SiC陶瓷，喷嘴，水煤浆
1前言
据世界能源资源统计报道，目前世界上煤的储藏量要大大超过油的储藏量，石油的开采只能再持续30～40年，而煤的开采仍可持续200～300年。再者，我国矿物质能源以煤为主，因而充分而又合理地利用煤资源、大力发展清洁煤技术，高效清洁地利用我国煤炭资源，对于当前建设节约型社会、社会主义和谐社会、促进国民经济的稳定快速发展，以及解决发展所带来的能源危机具有极其重要的战略意义。顺应这一趋势，水煤浆作为一种新型煤基代油液体燃料已越来越广泛地应用于我国的电力、石化、冶金、建材等行业的锅炉、窑炉和锻造炉上。
水煤浆（Coal Water Mixture，简称CWM）是将煤粉碎成一定粒径并与水和添加剂按60%～70%、30%～40%、1%的比例混合制成的高浓度煤/水分散体系，它既保持了煤炭原有的物理、化学特征，又具有石油一样的流动性和稳定性，可以像石油一样在燃烧器上燃烧，而喷嘴就是水煤浆燃烧器的关键部件。工作时，喷嘴将处在最高温度达1400℃的温度场中，同时其内壁受到水煤浆中黄铁矿、石英等许多高硬度粒子的高速冲击，使其产生严重的低角度热冲蚀磨损，易导致喷嘴的快速失效。
2制作水煤浆喷嘴的常用材料
目前，制造水煤浆喷嘴的材料主要有：金属、硬质合金和陶瓷三大类。金属水煤浆喷嘴制造简单、成本低廉，并且金属的加工性能比较好，可用于制造结构复杂的水煤浆喷嘴，但是金属喷嘴的使用寿命很短，需要频繁地更换，给生产造成很多不便。这样既增加了工人的劳动强度，又影响了生产。硬质合金水煤浆喷嘴的制造工艺相对要复杂，成本也高，但寿命长。现在这种材料制造的水煤浆喷嘴在生产中使用较多。陶瓷水煤浆喷嘴是在前两者的基础上发展起来的，虽然与前两者相比，陶瓷水煤浆喷嘴的制造工艺要复杂很多，成本也高很多，但由于陶瓷具有很好的耐磨、耐腐蚀、耐高温的性能，使用寿命比前两者都要长很多，是一种理想的材料。陶瓷家族中的SiC陶瓷具有硬度高、强度高、韧性好（相对于其它陶瓷材料）、耐高温、抗热震、耐腐蚀、抗冲蚀、耐磨、重量轻及热传导性能良好等优点。笔者基于SiC陶瓷的这些优点，尝试用SiC陶瓷材料制作水煤浆喷嘴。
3水煤浆喷嘴的制备
在纯度高于99%的SiC粉中加入一定比例的硼粉和碳粉作为添加剂，再以乙醇为介质球磨。经烘干、过筛处理后，进行120MPa等静压成形，再装入石墨模具中，并加入SiC粉，在氢气气氛下热压烧结。烧结温度为1950℃，压力为30MPa，保温30min。把烧结好的产品做适量的表面加工，得到SiC水煤浆喷嘴成品，用浮力法测得其密度为3.11g/cm3，制得的喷嘴结构如图1所示。
图1 喷嘴结构示意图
4对比试验
选用另外两种材质分别为45#钢和YG8硬质合金具有相同尺寸的水煤浆喷嘴与以上制得的喷嘴一起做比较试验。把喷嘴安装（装置图见图2）在水煤浆燃烧器上，在2t/h蒸汽锅炉（型号为DNS2-1.0-SM）上进行试验，试验所用的水煤浆浓度为65%左右，发热量18.81～20.48MJ/kg、粘度1000～2500MPa/S、粒度40～80μm。水煤浆的额定消耗量200kg/h，供浆压力0.3MPa，雾化气压力0.25～0.50MPa，锅炉炉膛最高温度为1400℃。
用电子天平（双圈牌，型号为MA240D，精确到0.0001g）分别测量三种喷嘴磨损后的重量，计算出质量损失，再用公式精确计算出喷嘴的体积磨损率W。体积磨损率W表示单位质量的水煤浆所引起的喷嘴体积损失。
图2 喷嘴安装图
W=m1/(d·m2)
上式中：
m1 —— 喷嘴的质量损失
d—— 喷嘴材料的密度
m2 —— 试验中对应喷嘴质量损失中的水煤浆的消耗量
用扫描电子显微镜对试验过的喷嘴内壁表面形貌进行观察分析并对喷嘴出口拍照。
5 结果和分析
图3中的三条曲线分别表示了45#钢、YG8硬质合金和SiC陶瓷三种水煤浆喷嘴的冲蚀率随时间变化的关系曲线。45＃钢喷嘴的冲蚀率随时间的增加而加剧，然后趋于平缓。趋于平缓后，45#钢喷嘴的冲蚀率是SiC陶瓷喷嘴的150～200倍，YG8硬质合金喷嘴是SiC陶瓷喷嘴的1.5～2.0倍。因为喷嘴的失效与喷嘴的体积损失量是直接相关的，所以说SiC陶瓷喷嘴的使用寿命是45＃钢喷嘴的150～200倍，是YG8硬质合金喷嘴的1.5～2.0倍。
图3 水煤浆喷嘴冲蚀率与冲蚀时间的关系曲线图
图4是三种喷嘴出口再试用后的表面形貌照片。由图可见，45＃钢喷嘴的孔径显著增大；YG8硬质合金喷嘴的孔径变化很小；SiC陶瓷喷嘴的孔径变化则更小，但表面出现了脱落。导致这种脱落的原因可能有两种：一种是由于水煤浆中硬质粒子的冲击所致；另一种是由于喷嘴出口处表里存在很大温差，这种温差形成的热应力使出口处表层产生热崩。但因为图5显示的SiC陶瓷喷嘴的内表面很光滑，水煤浆中的硬质粒子对SiC材料的冲击根本不会导致表层脱落，所以可以排除第一种可能，其根本原因在于第二种—热崩。
（1） 45#钢喷嘴 （2） YG8硬质合金喷嘴 （3） SiC陶瓷喷嘴
图4 水煤浆喷嘴出口冲蚀磨损表面形貌照片
（1） YG8硬质合金喷嘴（2） 45#钢喷嘴（3） SiC陶瓷喷嘴
图5 水煤浆喷嘴内壁磨损表面形貌SEM照片
6结论
(1) 在相同试验条件下，SiC陶瓷水煤浆喷嘴的使用寿命是45#钢喷嘴使用寿命的150～200倍，是YG8硬质合金喷嘴的1.5～2.0倍；
(2) SiC陶瓷水煤浆喷嘴失效的主要原因是喷嘴出口处的热崩。
参考文献
1 丁泽良，李剑峰，邓建新.水煤浆喷嘴材料的应用研究[J].选煤技术，2002（6）：13～15
2 李世普.特种陶瓷工艺学[M].武汉工业大学出版社
3 员冬玲，邓建新，丁泽良.陶瓷水煤浆喷嘴温度场及热应力的有限元分析[J].山东大学学报
4 岑可法，姚 强，曹欣玉.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，1998
5 崔秀玉，雷晓平.浅谈中国水煤浆技术的开发与应用[J].洁净煤技术，2002，8（4）：13～16