本公开一般性涉及用于防止经受摩擦、冲击和高温的表面磨损的材料，和使用这些材料的方法。本公开的一种实施方式涉及用于防止煤炭燃烧器磨损的材料和使用这些材料的方法。
背景技术：
热电厂一天二十四小时、一周七天地持续运行，在大型燃烧炉中燃烧煤粉产生蒸汽，用以驱动涡轮产生电能。煤炭喷嘴燃烧器主要用于将煤粉传送至燃烧炉中心的预定位置。煤在该预定位置中燃烧为火球。煤炭喷嘴燃烧器需要在高温和经常磨损的非常严酷的环境中持续地运行。煤炭喷嘴燃烧器经历700℃至800℃的连续温度和高至1200℃的间歇温度。煤粉是非常粗糙的，并以15-35吨/小时经过煤炭喷嘴。更大块的煤炭也会偶尔地冲击煤炭喷嘴。
这些严酷的条件致使煤炭喷嘴燃烧器中的挡板在少于6个月的时间内磨损。磨损的挡板会对流至燃烧炉内的煤粉产生不利的影响，改变火球高度并降低效率。计划外的煤粉喷嘴燃烧器的更换是昂贵的，因为其需要关停设施。由于煤炭燃烧器喷嘴的尺寸和难于接近发电厂内的燃烧器喷嘴，在关停过程中的计划更换也是昂贵的。
二氧化硅分散体或胶体二氧化硅和陶瓷基涂层已知其高温性能(＞2000℃)，并用于钢铁厂和水泥厂的燃烧炉和窑炉。然而，绝大多数的这些应用是静态的，其中涂层经历高温环境，但是不会受到冲击或磨损。二氧化硅分散体或胶体二氧化硅和陶瓷基涂层在本质上是易碎的，并具有不良的耐冲击性。二氧化硅分散体或胶体二氧化硅和陶瓷基涂层还对金属具有不良的粘附性，并在经历部件等的冲击时会碎裂或者削去基底表面。尽管具有高温稳定性，但是二氧化硅分散体或胶体二氧化硅和陶瓷基涂层并不适用于用作为煤炭喷嘴燃烧器上的保护性涂层，因为当暴露至连续的滑动磨损和煤炭颗粒对涂层冲击时，它们会趋于碎裂或断开。
用碳化钨基涂层的硬质表面对于这样的应用也是适用的。然而，这些涂层是非常昂贵的，需要经验十分丰富的人员使用特殊的设备和应用条件，并难于应用于所有的区域。由于应用的复杂程度或限制如涂层厚度等，其它的方法，例如等离子喷涂、火焰喷涂、热喷涂等是有局限性的。
发明概述
本公开一般性涉及用于防止经受摩擦、冲击和高温的表面磨损的材料，和使用这些材料的方法。在一种实施方式中，本公开提供了一种给煤炭喷嘴燃烧器形成保护表面用以抵抗高温、摩擦和冲击的方法。保护表面由可固化组合物来制备，所述可固化组合物包含与增强支撑件联合使用的二氧化硅分散体或胶体二氧化硅。在一种实施方式中，增强支撑件为金属网或金属筛，连接至煤炭喷嘴燃烧器挡板。可固化组合物被施加至增强支撑件上并穿过其中。这种可固化组合物在室温下(R.T)下硬化后会产生非常良好的生坯强度，并在高于室温的温度下加热固化后产生额外的强度。一旦在＞800-1000℃的温度下烘烤，就会产生全部强度。
观察到当施加至不含有增强支撑件的洁净钢基底时，可固化组合物并不具有良好的粘附性，并且在＜1米的单次跌落后，固化涂层易于与基底分层。施加至连接于基底表面的增强支撑件上并固化的可固化二氧化硅分散体或胶体二氧化硅基组合物的组合具有良好的粘附性和抗冲击性能，并在1-2米的高度承受大于10次跌落而不会碎裂并与基底分离。
本发明的组合物包括任意和全部的异构体和立体异构体。总的来说，除非另有所指，本发明的材料和方法可以可替换地表述为包含在本文中公开的任意合适的组分、部分或步骤，由其构成或者基本上由其构成。本发明的材料和方法可以另外地、可替换地表述以去除或者基本上不含有在现有技术的组合物中使用的任意组分、材料、成分、助剂、部分、种类和步骤，或者对实现本发明的功能和/或目的而言不是必须的那些。
当在本文中使用词语“约”的时候，意味着其修饰的量或条件可以在一定程度上超出所指出的量，只要能够实现本公开的功能和/或目的。本领域技术人员所理解的是，基本上不会完全地探究本发明结果可能扩展的任何方面和期望的程度，至少在某种程度上会超出一个或多个所公开的限值。在获知本文的优点并理解本文公开的概念和实施方式后，本领域技术人员在无需创造性劳动的前提下可以探究本文限值之外的内容，并且当发现实施方式并不具有任何预期之外的特征时，这些实施方式处于如在本文中所使用的术语约的含义内。
附图说明
现在参考附图，在数个附图中相同的元件具有相同的附图标记：
图1为煤炭喷嘴燃烧器的一部分的一种实施方式的示意图。
图2为示意性的分解图，示出在挡板的一部分上的增强支撑件，其中本发明的组合物被施加在挡板和增强支撑件的一部分上。
图3为挡板的一部分的示意性截面图，具有所连接的增强支撑件和在其上设置的本发明的组合物。
发明详述
如在图1中所示的，煤炭喷嘴燃烧器2的一种实施方式包含外壳4。多个挡板6中的每一个均被设置在所述外壳内，并通过多个支柱8中的每一个连接其上。挡板6和支柱8通常为平坦的金属部件。典型地，挡板6由不锈钢或者其它金属制得，在使用过程中，其将在煤炭喷嘴燃烧器2所暴露的高运行温度下保持强度和耐磨性。挡板具有在使用时会与煤粉接触的磨损表面10。
如在图2中所示的，增强支撑件14连接至期望增强耐磨性的煤炭喷嘴燃烧器2的表面10。在一种有利的实施方式中，增强支撑件14包含多个交叉的金属元件16，例如金属线，其形成筛或格栅或网。增强支撑件14例如可以通过焊接连接至挡板的表面10。增强支撑件14与表面10在相互间隔的位置处的点焊18已被发现是合适的。增强支撑件14可以由可焊接至表面10的金属形成。增强支撑件材料还应当在煤炭喷嘴燃烧器在使用过程中所暴露的高运行温度下保持强度。已发现金属例如不锈钢适用为增强支撑件14材料。
二氧化硅分散体或胶体二氧化硅基组合物22被设置在表面10上并连接增强支撑件14。二氧化硅分散体或胶体二氧化硅基组合物22将会是半流体的或膏状的或油灰状等的材料，其可以使用用于这样的材料的常规技术和设备进行处理。组合物22被设置在交叉金属元件16之间的空间内并向下设置于表面10。典型地，二氧化硅分散体或胶体二氧化硅基组合物22将形成耐磨表面24，其在图3中最佳地示出。组合物22层的厚度将随着金属元件16的尺寸和所期望的耐磨性而变化。认为表面10上的1mm至10mm、有利地3mm至6mm的固化后组合物22厚度对显著地降低挡板6在使用过程中的磨损是适用的。
在表面10和支撑件14上设置的二氧化硅分散体或胶体二氧化硅基组合物22必须在使用前固化。所设置的组合物22将在室温下固化为湿或半硬化状态。湿固化(greencured)的组合物将会是无法再施加或使用的坚硬整块物料。当组合物22处于湿固化状态时，板6、增强支撑件14和组合物22可被处理。在某些实施方式中，湿固化状态的组合物具有5-10mPa、并有利地为10-15mPa的耐压强度(ASTMD-695，25℃)。
无论是在施加之后的短时间内还是在湿固化状态下，组合物22暴露至高于室温的温度将进一步提高组合物22的强度。将温度提高至高于室温会缩短固化组合物22所需要的时间。固化可以通过使设置在表面10和支撑件14上的二氧化硅分散体或胶体二氧化硅基组合物22暴露至室温约12至36小时、并且有利地为约24小时来实现。可替换地，可使设置在表面10和支撑件14上的二氧化硅分散体或胶体二氧化硅基组合物22暴露至室温约12至36小时，随后暴露至高于室温的温度更短的时间。已发现在90℃至200℃的升高温度下持续1至8小时的时间对于提高强度是适用的。在某些实施方式中，完全固化状态的组合物(在800℃下烘烤后)具有45-65mPa、并且有利地为55-60mPa的耐压强度(ASTMD-695，25℃)。
二氧化硅分散体或胶体二氧化硅基组合物22典型地包含多个部分，它们必须单独地存储以防止所不期望的固化。在某些实施方式中，二氧化硅分散体或胶体二氧化硅基组合物22具有三个单独存储的部分。在某些实施方式中，二氧化硅分散体或胶体二氧化硅基组合物22具有两个单独存储的部分。仅仅在使用之前，将多个部分混合并且将混合的组合物22施加至增强支撑件14和表面10。混合的组合物22在其固化至不再能够施加的时刻之前，可以具有10分钟至1小时或更长的适用期。
组合物22包括胶体二氧化硅部分。存在多个等级的胶体二氧化硅，但是所有的均由尺寸为约1nm至约150nm范围的二氧化硅颗粒组成。这些颗粒典型地具有球形的形状，并且它们可以离散的颗粒或者轻微结构化的聚集体存在。这些颗粒还可以以窄或宽的颗粒尺寸范围而存在，这取决于形成它们的方法。胶体二氧化硅可以二氧化硅颗粒在流体中的低粘度分散体形成。二氧化硅在分散体中的最大重量分数基于平均颗粒尺寸而限制。具有较小平均直径的分散体具有较大的总体比表面积，并限于低浓度分散体。相反地，具有较大平均直径的分散体具有较小的总体比表面积，并可以得到更浓的分散体。胶体二氧化硅分散体的表观极大地取决于颗粒尺寸。具有小二氧化硅颗粒(＜10nm)的分散体通常是相当清澈的。中等尺寸的分散体(10-20nm)开始变为乳白色的表观，因为更多的光被散射。包含大胶体二氧化硅颗粒(＞50nm)的分散体通常为白色的。分散体稳定性还可以通过胶体二氧化硅颗粒的表面改性以引入官能团、例如硅烷来增强。硅烷醇基团可以是单独的硅烷醇基团或者硅烷二醇基团或者邻近类型的。尽管胶体二氧化硅具有与石英或沙子相同的化学组成(SiO2)，但是胶体二氧化硅与较大尺寸的石英颗粒具有极为不同的特性，并且胶体二氧化硅所提供的组合物与使用较大尺寸的石英颗粒的相同组合物具有极为不同的特性。
适用的胶体二氧化硅可以是在液相中20-40％的20纳米至100纳米二氧化硅颗粒的分散体。液相典型地包含水和用于帮助保持二氧化硅颗粒分散的材料例如表面活性剂。已发现得自AkzoNobel的BINDZIL401/170或40/220或CC401胶体二氧化硅和得自Aremco的AREMCO664s胶体二氧化硅适用于本发明的组合物。
组合物22包括填料和聚集体部分。该部分包含不同填料、金属和陶瓷粉末以及无机或陶瓷聚集材料的混合物。用于该部分中组分的材料尺寸经选择以提供最终未固化的组合物，其可被容易地施加至支撑件并在所述支撑件上提供具有所需耐磨性能的最终固化的组合物。合适尺寸范围的颗粒尺寸为0.010英寸(500目)至0.1英寸(7目)。珠或聚集体材料可以大于0.1英寸。
在填料和聚集体部分中适用的材料包括下述组中的一种或多种：氧化铝粉末；陶瓷粉末；陶瓷纤维；金属粉末，例如钢粉末或不锈钢粉末；碳化硅粉末；晶体二氧化硅粉末；陶瓷珠；针形氧化铝粉末；偏硅酸钙分散体或胶体二氧化硅(CaSiO3或钙硅石)粉末；工程陶瓷纤维和金属氧化物，例如铜氧化物、钛氧化物和铁氧化物。
组合物22包括交联剂部分。该部分包含通过降低pH并去除带负电的单独颗粒和/或当暴露至热时将所混合的组合物结合在一起的材料。用于该部分的组分的材料尺寸经选择以提供最终未固化的组合物，其可以容易地施加至支撑件并在支撑件上提供具有所需耐磨特性的最终固化的组合物。市售粉末为适用的。在交联剂部分中适用的材料包括氧化镁(MgO)；正磷酸二氢钠(Na2HPO4)；氟化硅钠(NaSiF6)；和硼酸钠中的一种或多种。
组合物22可以任选地包括流体。所述流体有益于延长混合组合物的开放时间。合适的流体包括水和有机液体。沸点高于40℃的有机液体可被用作为流体部分的一部分或全部。流体部分可以与其它部分分离或者引入至一个部分、多于一个部分或者最终混合物中，例如，流体部分可被引入至填料和/或聚集体部分和/或交联剂部分中。
组合物22有利地避免了有机胶凝剂的使用，例如甲醛、甲酰胺、多聚甲醛、乙二醛、甲酸甲酯、醋酸甲酯、甲酸乙酯和醋酸乙酯。
以下组分、部分和组合物在本发明中适用的。
1pbw为重量份数
在一种实施方式中，组合物22包含单独的胶体二氧化硅、填料和聚集体、和交联剂部分以及任选存在的流体部分。在某些实施方式中，一个或多个部分可被组合，只要所混合的部分能够保持储存稳定性。在一种实施方式中，组合物22包含单独的胶体二氧化硅、填料和聚集体以及交联剂部分，并且流体部分被引入至这些部分之一中。在一种实施方式中，组合物具有包含胶体二氧化硅的第一部分以及包含填料和聚集体以及交联剂的第二部分。
另一种实施方式包含二氧化硅部分、硅酸盐部分、填料和聚集体部分、交联剂部分和任选存在的流体部分。填料和聚集体部分以及交联剂部分可被组合。硅酸盐部分的添加有利地提供了可以不使用随后的固化加热而固化至恰当硬度的组合物。
硅酸盐部分包含碱性硅酸盐，例如硅酸钙、硅酸镁、硅酸钾和/或硅酸钠。有利地，硅酸钾为适用的。
下表例示了这种实施方式的一种变形。
1pbw为重量份数
在任意实施方式中，如果使用的话，流体部分可被引入至一个、两个或所有的部分中。
单独的部分在使用之前的短时间内混合以形成最终的未固化组合物22。在某些有利的实施方式中，未固化组合物22将会是膏状至油灰状材料，包含约50％至约90％固体，有利地为80％至90％固体，例如85％固体。在某些有利的实施方式中，未固化组合物22将具有大于2.0克/立方厘米的比重，并有利地为约2.8克/立方厘米的比重。
将混合的组合物22施加至支撑件22，并渗透至支撑元件16之间的开放区域以接触挡板10。当混合的时候，组合物22将开始固化，因此限制混合的组合物22施加至支撑件14和表面10的时间。
下文的例子是出于说明性的目的的，从而使得本发明更易于理解，并不意图以任何方式限制本发明的范围，除非另有所指。
以下组合物1至4如在下表中所示地制备。所有的含量均为重量份数。
140wt％胶体二氧化硅(20-80nm)在流体中的分散体
2氧化铝粉末，325目
3不锈钢，325目
4氧化镁粉末，纯度98％
5正磷酸二氢钠，纯度98％
6氟化硅钠，纯度98％
7硼酸钠，纯度99％
开放时间为组合物部分混合和混合的组合物固化至无法容易地施加至增强基底和表面的时刻之间所经历的时间。
以下组合物如在下表中所示的制备。所有的含量均为重量％。
140wt％胶体二氧化硅(20-80nm)在流体中的分散体(购自AkzoNobel的Bindzil40/170)。
2硅酸钾(RicasilIndustries的RicasilK-40；得自PQCorp.的Kasil-6)。
3氧化铝粉末，325目(得自Almatis的片状氧化铝T60)。
4不锈钢，325目(得自WashingtonMillsElectroMineralsCorp的Duramet)。
5烧结氧化铝陶瓷珠(得自CoorsTek的SinteredAluminaCeramic)。
6硼酸钠，纯度99％。
7氧化镁粉末，纯度98％。
8粘合剂％为(胶体二氧化硅+硅酸钾)重量/组合物重量×100。
9P/B为(所有填料+所有交联剂)重量/(胶体二氧化硅+硅酸钾)重量
10流变测试结果。
评价标准：
流变性：将混合的油灰以5mm厚度施加至金属板来评价耐拖垂性，润湿和保持性。等级5表示呈乳脂状、易于施加并在金属上恰当润湿但是不拖垂的组合物。等级3表示较稠且超过糊状稠度的组合物。等级0表示易于粉碎并且不会恰当地保持至基体的组合物。
裂纹：将组合物以3mm厚度施加至2英寸铝盘并允许固化。在完全固化后，如果不存在可视裂纹，那么等级为5；如果存在一个或两个裂纹，那么等级为3；并且如果材料具有多于两个裂纹，那么等级为0。
获得四英寸乘四英寸不锈钢板。将增强支撑件点焊至板面的表面上，所述增强支撑件包含形成12.8mm正方形的多个垂直设置的1.8mm直径的线。试样26的组合物被设置在所连接的增强支撑件和板面上以形成3mm至6mm厚的层和磨损表面。所设置的组合物可通过暴露至环境温度4小时至24小时、随后加热至150℃持续1小时、之后在800℃下完全固化12小时而在板上固化。所固化的组合物触摸起来是坚硬的，并且具有灰色的表观。所固化的组合物具有如下的特性。
800℃下持续24小时后的重量损失0％
洛氏硬度(ASTMD-785)35HRA
耐压强度(ASTMD-695)41MPa(25℃)
耐压强度(ASTMD-695)65MPa(250℃)
耐压强度(ASTMD-695)80MPa(586℃)
Taber磨耗H18-1000循环(烘烤试样至400℃)0％
Taber磨耗CS-65(WC轮，烘烤试样至400℃)0％
根据ASTMD-2463对试样26的固化试样执行跌落抗冲击测试。4磅锤子从160英寸高度落在涂覆w.的金属增强网上，其根据在第38-44行中描述的来制备。涂层在160英寸-磅的力的五次跌落持续冲击后保持为完整无缺。磨损表面和固化后组合物不会从板脱离。
根据ASTMD-2463对四英寸乘四英寸不锈钢板执行跌落抗冲击测试，所述不锈钢板包含完全固化的3mm至6mm厚的试样26的组合物层且不存在增强支撑件。不存在任何增强网的对比测试板仅在一次跌落之后就失败，并且固化后组合物粉碎并从金属基底脱离。
增强支撑件和固化后组合物的组合提供了被认为是适用于煤炭喷嘴燃烧器的抗冲击磨损涂层。仅具有固化后组合物的测试板基本上是更易碎的，并且不适用于煤炭喷嘴燃烧器。
出人意料地发现包含硅酸钾的组合物在室温下干燥之后并且无需在高于室温的温度下加热固化就能够实现适用于煤炭喷嘴燃烧器的涂层的涂层硬度。在高于室温下加热固化包含硅酸钾的组合物会进一步提高固化后硬度。不含硅酸钾的相同的组合物仅在室温下干燥时并不会实现相同的涂层硬度。
根据上述的硅酸钾和胶体二氧化硅含量的变化，观察到胶体二氧化硅的含量对流动性能和干燥后裂纹的形成具有直接影响。较高的粘合剂含量(即较低的P/B值)示出具有最佳性能的材料流变和减少的裂纹形成。发现试样编号8、9、10、11和21提供了非常期望的各个特性的平衡(流变性能和减少的裂纹形成)。
虽然出于说明性的目的已经列出了优选的实施方式，但是上文的说明并不应当被认为是对在本文中所公开的内容的限定。据此，本领域技术人员可以进行不同的改进、调整和替换，而不会背离本发明的精神和范围。