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整體燒結(jié)碳化鎢在耐磨閥門上的應(yīng)用

      分析了閥門在粉料、顆粒和漿料等輸送管線中損壞的原因，介紹了整體燒結(jié)碳化鎢硬質(zhì)合金的特性，論述了閥門采用整體燒結(jié)碳化鎢的閥瓣與閥座適用性更廣泛，壽命更長。

1、概述

    在多晶硅、煤化工、電廠除灰、泥漿和鍋爐排渣等物料輸送管線中，閥門密封部位不僅受到密封副部件的滑動摩擦磨損作用，而且承受高溫高硬度氣固雙相混合物高速沖擊，及高壓流體引起的閃蒸和汽蝕，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p壞，加劇閥門失效。因此，認(rèn)為粉料輸送等嚴(yán)苛工況下，耐磨性成為閥門的一項(xiàng)重要的性能考核指標(biāo)。

2、分析

    依據(jù)摩擦發(fā)生的條件和機(jī)理，磨損有多種不同的形式，常見的有磨粒磨損、黏著磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損，以及沖蝕磨損等。表征材料磨損性能的常用參量有磨損量、磨損率、磨損度、耐磨性和相對耐磨性等。耐磨料磨損的基本要求是物體表面必須有高的硬度(表面硬度應(yīng)超過磨料的硬度)，同時(shí)還應(yīng)在工作溫度下具有良好的抗氧化性能力，控制或?qū)⒛�損減至最小的有效辦法是提高材料硬度和耐磨性。燒結(jié)碳化鎢強(qiáng)度高，表面光潔度也可以很高，與其他材料配對使用時(shí)，摩擦系數(shù)比鋼小，能顯著減小接觸面摩擦力，有效降低操作力矩。

3、特點(diǎn)

    整體燒結(jié)碳化鎢硬質(zhì)合金由鎢和碳的混合物高溫加熱制成，大多數(shù)碳化鎢的硬度很高，其顯微硬度僅次于鉆石，熔點(diǎn)2870℃.沸點(diǎn)6000℃，相對密度15.63(18℃)，高溫下不易分解，抗氧化能力好。對現(xiàn)場使用情況調(diào)查表明，碳化鎢在磨粒磨損、沖蝕磨損和擦傷等情況下的耐磨性比工具鋼、不銹鋼、鐵和黃銅等高100 倍，剛性比鋼高2～3 倍，比鑄鐵和黃銅高4～6 倍，抗沖擊性能與淬硬工具鋼相似。

4、應(yīng)用

    在煤氣化和多晶硅等高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕性及含固體顆粒的漿料與粉料等工況中，常規(guī)使用的硬密封球閥、文丘里黑水控制閥、煤粉控制閥、圓盤閥和滑板閥的閥瓣與閥座分別采用噴涂碳化鎢硬質(zhì)合金構(gòu)成密封副。由于碳化鎢涂層厚度<2mm，硬度<60HRC，涂層與基體結(jié)合力<1000psi。噴涂通常在10000℃的高溫條件下進(jìn)行，操作施工條件惡劣。閥門使用壽命難以保證10000 次循環(huán)，不能滿足煤化工漿料和多晶硅粉料等系統(tǒng)長周期穩(wěn)定生產(chǎn)要求。另一方面，噴涂碳化鎢強(qiáng)度主要由基體材質(zhì)提供，當(dāng)兩種材料線膨脹系數(shù)較大時(shí)，使用受到溫度的局限，難以超過450℃。新型硬密封球閥(圖1)、文丘里黑水控制閥(圖2)、煤粉控制閥(圖3)、圓盤閥(圖4)和滑板閥等的閥瓣與閥座均采用整體燒結(jié)碳化鎢硬質(zhì)合金構(gòu)成密封副，閥門性能有了明顯的改善。

圖1 新型硬密封球閥

圖2 文丘里黑水控制閥

     (1)硬度高。硬度>80HRC，可以承受水煤漿、煤粉、硅粉等多相顆粒介質(zhì)的高速沖刷。

    (2)耐高溫。能長期工作在750℃的高溫狀態(tài)下，強(qiáng)度、結(jié)合力和熱膨脹等不受溫度的局限，完全滿足了煤化工等高溫工況。

    (3)耐高壓。整體燒結(jié)碳化鎢橫向斷裂強(qiáng)度達(dá)到4000MPa，是常規(guī)鋼材強(qiáng)度的10 倍以上，能在25MPa 的工況壓力等級下長期工作。

    (4)耐腐蝕。整體燒結(jié)碳化鎢化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，即使在加熱情況下，不溶于水.也不與鹽酸和硫酸起作用，甚至在王水中也不會被溶解，足以滿足煤化工等特殊行業(yè)對腐蝕性能的特殊要求。

    (5)耐磨損。整體燒結(jié)碳化鎢高硬度和高穩(wěn)定性等特性保證了密封副材料優(yōu)良抗磨損性能，滿足煤粉、有機(jī)硅等(硅粉顆粒硬度為62HRC)特殊介質(zhì)磨損要求。

圖3 煤粉控制閥

圖4 圓盤閥

    (6)耐沖蝕。常規(guī)閥采用噴涂碳化鎢涂層作為密封面，閥門內(nèi)件承受嚴(yán)重的的沖蝕，通常在250℃工況下，1 個月內(nèi)就呈現(xiàn)蜂窩狀，完全喪失功能。采用整體燒結(jié)碳化鎢作為控制件的文丘里黑水控制閥、煤粉控制閥，在450℃溫度下(其余工況相同)使用壽命達(dá)12 個月。頻繁開啟的圓盤閥和滑板閥等開關(guān)次數(shù)>300000 次，完全滿足煤化工等8000h 的長周期運(yùn)行要求。

    (7)高溫動作性能靈活。球體和閥座同為整體燒結(jié)碳化鎢硬質(zhì)合金，其線膨脹系數(shù)均為常規(guī)鋼材的1/3～1/2，有效避免了常規(guī)閥門高溫卡塞現(xiàn)象，保障了高溫差工況下其優(yōu)異的動作性能。

    (8)低摩擦。采用燒結(jié)碳化鎢硬質(zhì)合金減磨墊片，不但延長墊片高溫使用壽命，鑒于其較低的摩擦系數(shù)，通常只有常規(guī)配對材料的1/3～1/2，極大地減輕了二者之間的摩擦力，降低了閥門操作力矩。

5、結(jié)語

    整體燒結(jié)碳化鎢硬質(zhì)合金高強(qiáng)度，高硬度，高熔點(diǎn)，高穩(wěn)定性，低摩擦系數(shù)，耐磨損，耐沖蝕和汽蝕，耐腐蝕，制造用于工況條件苛刻的耐磨閥門密封件，提高了閥門的適用性，擴(kuò)大了閥門的使用范圍，延長了閥門的工作壽命，保證了閥門各項(xiàng)性能指標(biāo)，滿足了化工行業(yè)的發(fā)展需要。