燃燒器頭部組件用新型高溫耐磨材料的研究

鄧榮娟，劉旭，王文清

燃燒器頭部組件用新型高溫耐磨材料的研究

鄧榮娟，劉旭，王文清

本文介紹了中材裝備集團(tuán)有限公司熱工分公司為提高燃燒器使用壽命而研發(fā)的一種碳化物強(qiáng)化奧氏體耐熱鋼T810N。通過添加W、V、Ti、Nb等元素來形成高硬度、高熔點(diǎn)的碳化物，從而提高材質(zhì)的高溫耐磨性能。試驗(yàn)研究表明，T810N在高溫抗氧化性能、室溫及高溫拉伸性能、高溫耐磨性能方面較ZG40Cr28Ni16有顯著提高，能夠滿足提高燃燒器頭部組件使用壽命的要求。

奧氏體耐熱鋼；碳化物；合金元素；硬度；高溫耐磨性

煤粉燃燒器作為水泥廠煅燒水泥熟料的重要熱工設(shè)備，其使用壽命的長短直接影響燒成系統(tǒng)熱工制度的穩(wěn)定及水泥熟料的產(chǎn)量和質(zhì)量。而燃燒器的使用壽命，主要取決于其頭部組件所用材料的性能，如耐熱性和耐磨性。當(dāng)前水泥熟料生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)因煤粉燃燒器的頭部組件燒蝕及磨損而提前停窯維修的現(xiàn)象，導(dǎo)致燃燒器整體性能指標(biāo)達(dá)不到燒成系統(tǒng)煅燒的要求。

燃燒器頭部組件的工況較為惡劣，不僅在高溫堿性環(huán)境中極易被氧化，同時(shí)還受到煤粉顆粒的高速?zèng)_刷，使頭部大外筒內(nèi)表面呈規(guī)則的沖刷槽狀，使冷卻風(fēng)的截面積變大，其風(fēng)速達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的指標(biāo)，導(dǎo)致整個(gè)燃燒器失效。圖1為某水泥廠現(xiàn)場燃燒器頭部組件失效后的表面形貌照片。

目前，燃燒器頭部組件所使用的材料為ZG40Cr8Ni16，為了更好地提高燃燒器的使用壽命，中材裝備集團(tuán)有限公司熱工分公司研發(fā)了新型高溫耐熱耐磨材料T810N，以適應(yīng)市場需求。

T810N是自行設(shè)計(jì)研發(fā)的一種碳化物強(qiáng)化奧氏體耐熱鋼，設(shè)計(jì)思路為：合金中的Cr、Ni主要滿足高溫抗氧化性的需要，并通過添加W、V、Ti、Nb等元素來形成高強(qiáng)度、高硬度、高熔點(diǎn)的碳化物，從而提高材質(zhì)的高溫耐磨性能；而Ti、Nb兩種元素則能夠細(xì)化晶粒，提高材質(zhì)的韌性。[1]

用T810N和ZG40Cr28Ni16兩種材料分別進(jìn)行制樣，并進(jìn)行顯微組織對比分析、鑄態(tài)下的硬度測試、高溫抗氧化實(shí)驗(yàn)[2]、室溫拉伸試驗(yàn)、高溫拉伸試驗(yàn)[3]、[4]以及高溫磨損試驗(yàn)[5]等一系列的研究，其結(jié)果對比如下。

1 顯微組織分析

采用掃描電鏡（SEM）對試樣的微觀組織進(jìn)行分析，主要是觀察兩種材料中強(qiáng)化相碳化物的組成及分布狀況，見圖2、3所示。

圖2中對ZG40Cr28Ni16試樣的發(fā)亮部位進(jìn)行EDS（能譜）分析，得出的成分主要為Cr、C，由此可知，合金中的碳化物主要為碳化鉻。從圖2中可以看出，碳化物基本上較為連續(xù)地分布在晶界上。

圖3中對T810N試樣的發(fā)亮部位進(jìn)行EDS（能譜）分析，得出的成分主要為W、Cr、C，微量的Ti、V、Nb，由此可以得出，合金中的碳化物主要為碳化鎢和碳化鉻，一定量的碳化鈦、碳化釩及碳化鈮。從圖3中可以看出，碳化物在合金中呈彌散狀不連續(xù)地分布在基體中。

2 高溫抗氧化試驗(yàn)分析

對兩組試樣進(jìn)行抗氧化實(shí)驗(yàn)研究。氧化實(shí)驗(yàn)采用北京電爐廠生產(chǎn)的SK2-2.5-13S型管式爐，試驗(yàn)溫度為1000℃。氧化實(shí)驗(yàn)采用等溫氧化模式，氧化時(shí)間為100h。

氧化實(shí)驗(yàn)測試步驟：

（1）測量計(jì)算試樣表面積；

（2）對試樣進(jìn)行超聲波清洗，稱量其初始重量；

（3）將試樣裝入95瓷氧化鋁坩堝中，放入高溫管式爐中進(jìn)行靜態(tài)抗氧化性能測試，溫度定為1000℃；

（4）測量氧化后的試樣重量并計(jì)算其增重，氧化過程中每隔20h對試樣進(jìn)行稱重。

所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4中的1號(hào)試樣為ZG40Cr28Ni16，2號(hào)試樣為T810N，在連續(xù)100h的恒溫氧化后，試樣1的單位面積氧化增重為0.465mg/cm2，試樣2的單位面積氧化增重為0.336mg/cm2。

可以得出，T810N在1000℃的抗氧化性能明顯優(yōu)于ZG40Cr28Ni16。

表1 ZG40Cr28Ni16與T810N硬度對比表

表2 ZG40Cr28Ni16與T810N室溫拉伸性能

表3 ZG40Cr28Ni16與T810N在650℃的高溫拉伸性能

表4 ZG40Cr28Ni16與T810N在650℃的耐磨性能對比表*

3 機(jī)械性能試驗(yàn)分析

從表1中可以得出，T810N的硬度顯著高于ZG40Cr28Ni16，表明T810N中合金元素所形成的強(qiáng)化相起到了關(guān)鍵作用。。

4 結(jié)論

本文介紹了熱工分公司為提高燃燒器頭部組件的使用壽命而研發(fā)出一種新型的碳化物強(qiáng)化奧氏體耐熱鋼，通過添加W、V、Ti、Nb等元素來形成高強(qiáng)度、高硬度、高熔點(diǎn)的碳化物，從而提高材質(zhì)的高溫耐磨性能。

通過一系列的試驗(yàn)研究表明，T810N較ZG40Cr28Ni16在高溫抗氧化性能、室溫及高溫拉伸性能、高溫耐磨性能方面都有顯著提高，能夠滿足提高燃燒器頭部組件使用壽命的要求。

[1]樊東黎，徐越明，佟曉輝.熱處理技術(shù)數(shù)據(jù)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006，第二版[2]李鐵藩.金屬高溫氧化和熱腐蝕[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[3]梁新邦，李久林，張振武.金屬力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)方法國家標(biāo)準(zhǔn)匯編.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.

[4]冶金工業(yè)部信息標(biāo)準(zhǔn)研究院標(biāo)準(zhǔn)研究所編.金屬材料物理試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)匯編[G].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

[5]蔡澤高,等.金屬磨損與斷裂[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1985.

Investigation on Material of the High Temperature Wear Resistant for Head Parts of Coal Powder Burner

DENG Rong-juan,LIU Xu,WANG Wen-qing
（Pyrology Subsidiary Company,Sinoma Technology&Equipment Group Co.,Ltd.,Tianjin 300400,China）

The article introduced the research of the new high temperature wear resistant material(T810N)which was from Sinoma Technology&Equipment Group Co.,Ltd.-Pyrology Subsidiary Company.In order to increase operating life of coal powder burner,the new material required excellent high temperature wear resistant.Through adding the alloy element of W、V、Ti、Nb,the high temperature wear resistant of material was increased because of the high hardness and high melting-point carbide.The application of the high temperature oxidation experiment,room-temperature tensile test,high-temperature tensile test and the high temperature wear resistant experiment expressed that T810N was better than ZG40Cr28Ni16.The request of increasing operating life of coal powder burner was satisfied by the performance of the new material(T810N).

Austenitic heat-resistance steel;Carbide;Alloy element;Hardness;High temperature wear resistant

TQ172.625.3

A

1001-6171（2012）03-0082-03

通訊地址：中材裝備集團(tuán)有限公司熱工分公司，天津 300400；

2011-01-13；

呂 光