专利名称：一种双向梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种用于水煤浆锅炉燃烧器中的雾化喷嘴，特别是一种双向梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴及其制备方法。
背景技术：
水煤浆是一种洁净的煤基液体燃料，已在电力、石化、冶金、化工、建材等行业的锅炉、窑炉和大型锻造炉等方面得到了广泛的应用，并产生了很好的经济效益、环境效益和社会效益。喷嘴是水煤浆燃烧器中的关键部件，喷嘴的耐磨、耐高温和抗热冲击性能直接影响水煤浆的应用成本。水煤浆喷嘴工作时，既要承受煤浆中黄铁矿、石英等高硬度杂质的高速冲击，又要承受因喷嘴不同区域环境温度不同带来的热冲击(出口区域面向温度可达1400℃的锅炉炉膛，入口区域和喷嘴内孔接触室温水煤浆)，使得喷嘴内部存在较大的温度梯度和热应力。因此，制作水煤浆喷嘴的材料应具有很好的耐磨、耐热和抗热冲击性能。
目前，制作水煤浆喷嘴的材料有金属、硬质合金和陶瓷。金属材料具有良好的加工工艺性，即使结构复杂的喷嘴也可采用整体制作，早期的水煤浆喷嘴和现在的小容量喷嘴基本上采用金属材料制作。但金属喷嘴的硬度较低，易磨损，寿命短在100h以下。硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性均高于金属喷嘴，其使用寿命通常为1000h左右，但仍不能满足实际生产的需要。陶瓷材料具有高熔点、高硬度、耐磨损、耐高温、耐腐蚀和化学稳定性好等优点，具有比金属和硬质合金更高的耐磨和耐高温性能，但陶瓷材料存在韧性低、抗热震性能差等缺陷。陶瓷水煤浆喷嘴工作时，入口区域受到煤浆中硬质粒子的高速冲击，内部产生较大的机械冲击应力；出口区域面向高温炉膛，喷嘴表面温度较高，但喷嘴内孔流经的是室温水煤浆，导致喷嘴内部存在较大的温度梯度和热应力；当冲击应力或者热应力超过喷嘴材料的强度极限时，喷嘴就会出现裂纹并发生损坏。因此，陶瓷水煤浆喷嘴材料应该具有较好的抗冲蚀和抗热冲击能力。中国专利(专利号ZL200510042269.7，2007)报道了SiC/(W，Ti)C梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴，它是以SiC为基体，(W，Ti)C固溶体为增韧补强剂，(W，Ti)C固溶体含量沿喷嘴轴向呈单向梯度变化。中国文献“摩擦学学报”(2003，23(5)441～443)、稀有金属材料与工程(2003，32(Z1)33～36)和稀有金属材料与工程(2005，34(Z1)627～631)报道了Al2O3基陶瓷水煤浆喷嘴，它是以Al2O3为基体，TiC 或(W，Ti)C为增韧补强剂，采用热压工艺制备Al2O3/TiC和Al2O3/(W，Ti)C陶瓷水煤浆喷嘴，其烧结温度为1600～1800℃。上述Al2O3基陶瓷水煤浆喷嘴为均质喷嘴，其力学性能不沿喷嘴轴向梯度变化。由于水煤浆喷嘴工作时的条件十分恶劣，现有均质陶瓷喷嘴很难满足实际生产的需要，而单向梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的抗热冲击性能虽有提高，但入口端的机械冲击应力无法缓解，喷嘴使用寿命仍受影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双向梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴及其制备方法，该陶瓷水煤浆喷嘴的成分含有Al2O3、TiC或(W，Ti)C固溶体，以硬度高和耐磨性好的Al2O3作为基体，TiC或(W，Ti)C作为强化相，通过控制TiC或(W，Ti)C的含量沿喷嘴轴向呈双向梯度变化，以缓解陶瓷水煤浆喷嘴工作时出口区域的热应力和入口区域的冲击应力，提高其抗热冲蚀磨损能力。
一种双向梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴，它以Al2O3作为基体，TiC或(W，Ti)C作为强化相，且TiC或(W，Ti)C的含量沿喷嘴轴向呈双向梯度变化，含量的分布规律为从喷嘴入口到中间逐渐减小，再由中间到出口逐渐增大。
其中，喷嘴入口区域TiC或(W，Ti)C的含量按质量百分比为50～30％，喷嘴中间区域TiC或(W，Ti)C含量按质量百分比为40～10％，喷嘴出口区域TiC或(W，Ti)C含量按质量百分比为50～40％，梯度层数量大于或等于3。
一种以Al2O3作为基体，TiC或(W，Ti)C作为强化相，且TiC或(W，Ti)C的含量沿喷嘴轴向呈双向梯度变化的双向梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的制备方法，其步骤如下(1)以Al2O3为基体，以TiC或(W，Ti)C为强化相，配置3种或3种以上的TiC或(W，Ti)C含量不同的Al2O3+TiC或Al2O3+(W，Ti)C陶瓷复合粉末，各种陶瓷复合粉末中TiC或(W，Ti)C按质量百分比含量范围为10％～50％；(2)将配置好的各陶瓷复合粉末分别进行强化球磨，以乙醇作为介质，球磨时间180～260小时；(3)将球磨好的各陶瓷复合粉末分别放置在真空干燥箱中干燥，干燥后在有氮气保护的橱中过筛；(4)将干燥好的不同陶瓷复合粉末分别装入石墨模具中，按照强化相TiC或(W，Ti)C的含量从喷嘴入口到中间逐渐减小，再由中间到出口逐渐增大的顺序在石墨模具中进行粉末的逐层铺展及预压；(5)以氮气作为烧结气氛，采用热压烧结工艺制备陶瓷水煤浆喷嘴。
上述制备工艺步骤(5)中，热压烧结温度范围为1650～1800℃，压力为25～40MPa，保温时间为30～50分钟。
通过上述工艺制备的双向梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴，其强化相TiC或(W，Ti)C的含量沿喷嘴轴向呈双向梯度变化，从而可缓解陶瓷水煤浆喷嘴在使用过程中出口区域的热应力和入口区域的冲击应力，提高其抗热冲蚀磨损能力。该陶瓷水煤浆喷嘴的抗热冲蚀磨损能力明显高于均质陶瓷水煤浆喷嘴和单向梯度功能喷嘴，使用寿命大大延长。
图1为本发明的双向梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴结构示意图；图2为双向对称梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的(W，Ti)C含量梯度变化示意图；图3为双向非对称梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的(W，Ti)C含量梯度变化示意图；图4为双向对称梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的TiC含量梯度变化示意图。
具体实施例方式
实施例一图1为本发明的双向梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴结构示意图。图2为双向对称梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的(W，Ti)C含量梯度示意图。以Al2O3为基体，按(W，Ti)C含量分别为12％、18％、24％、30％、36％、42％、48％的质量百分比称取原料，配置7种不同(W，Ti)C含量的Al2O3+(W，Ti)C陶瓷复合粉末；然后分别进行强化球磨，以乙醇作为介质，球磨时间240小时；将球磨好的Al2O3+(W，Ti)C陶瓷复合粉末放置真空干燥箱中干燥，干燥后，在有氮气保护的气氛的橱中过筛；将干燥好的7种不同(W，Ti)含量的Al2O3+(W，Ti)C陶瓷复合粉末分别装入石墨模具中，按照(W，Ti)C的含量从喷嘴入口48％逐渐减小到中间12％，再由中间12％逐渐增大到出口48％的顺序，共13层粉末在石墨模具中进行粉末的逐层铺展及预压。以氮气作为烧结气氛，采用热压烧结工艺制备陶瓷水煤浆喷嘴，烧结温度为1750℃，压力为28MPa，保温时间为35min。该陶瓷水煤浆喷嘴的成分(W，Ti)C沿喷嘴轴向呈双向梯度变化，其变化趋势是由出口到中间和由入口到中间，(W，Ti)C的含量均逐渐减小。整个喷嘴中，出口区域(W，Ti)C的含量＝入口区域(W，Ti)C的含量＞中间区域(W，Ti)C的含量，从而使喷嘴的入口和出口具有较高的韧性，中间具有较高的硬度，以缓解陶瓷水煤浆喷嘴工作时出口区域的热应力和入口区域的冲击应力，提高其抗热冲蚀磨损能力。该陶瓷水煤浆喷嘴的抗热冲蚀磨损能力明显高于均质陶瓷水煤浆喷嘴和单向梯度功能喷嘴，使用寿命大大延长。
实施例二如实施例一所述，所不同的是7种不同(W，Ti)含量的Al2O3+(W，Ti)C陶瓷复合粉末在石墨模具中铺展11层，烧结温度为1700℃，压力为30MPa，保温时间为45min，制备成双向非对称梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴。图3为该喷嘴(W，Ti)C含量的梯度变化示意图。
实施例三如实施例一所述，所不同的是配置4种TiC含量分别为15％、25％、35％、45％的Al2O3+TiC固溶体陶瓷复合粉末，这些粉末在石墨模具中铺展7层。烧结温度为1650℃，压力为30MPa，保温时间为40min。图4为双向对称梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的TiC含量梯度变化示意图。
权利要求
1.一种双向梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴，它以Al2O3作为基体，TiC或(W，Ti)C固溶体作为强化相，且TiC或(W，Ti)C的含量沿喷嘴轴向呈双向梯度变化，含量的分布规律为从喷嘴入口到中间逐渐减小，再由中间到喷嘴出口逐渐增大。
2.如权利要求1的一种双向梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴，其特征在于所述喷嘴入口区域TiC或(W，Ti)C的含量按质量百分比为50～30％，喷嘴中间区域TiC或(W，Ti)C含量按质量百分比为40～10％，喷嘴出口区域TiC或(W，Ti)C含量按质量百分比为50～40％，梯度层数量大于或等于3。
3.一种以Al2O3作为基体，TiC或(W，Ti)C作为强化相，且TiC或(W，Ti)C的含量沿喷嘴轴向呈双向梯度变化的双向梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的制备方法，其步骤如下第一步，以Al2O3为基体，以TiC或(W，Ti)C为强化相，配置3种或3种以上的TiC或(W，Ti)C含量不同的Al2O3+TiC或Al2O3+(W，Ti)C陶瓷复合粉末，各种陶瓷复合粉末中TiC或(W，Ti)C按质量百分比含量范围为10％～50％；第二步，将配置好的各陶瓷复合粉末分别进行强化球磨，以乙醇作为介质，球磨时间180～260小时；第三步，将球磨好的各固溶体陶瓷复合粉末分别放置在真空干燥箱中干燥，干燥后在有氮气保护的橱中过筛；第四步，将干燥好的不同陶瓷复合粉末分别装入石墨模具中，按照强化相TiC或(W，Ti)C的含量从喷嘴入口到中间逐渐减小，再由中间到出口逐渐增大的顺序在石墨模具中进行粉末的逐层铺展及预压；第五步，在烧结气氛中，采用热压烧结工艺制备陶瓷水煤浆喷嘴，烧结温度范围为1650～1800℃，压力为25～40MPa，保温时间为20～50min。
4.如权利要求3的一种以Al2O3作为基体，TiC或(W，Ti)C作为强化相，且TiC或(W，Ti)C的含量沿喷嘴轴向呈双向梯度变化的双向梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的制备方法，其特征在于所述第五步的烧结气氛采用氮气。
全文摘要
一种双向梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴及其制备方法，它以Al
文档编号F23D11/38GK101033842SQ20071003477
公开日2007年9月12日 申请日期2007年4月19日 优先权日2007年4月19日
发明者丁泽良, 邹永生, 杨鹏 申请人:湖南工业大学陶瓷研究所