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整體燒結碳化鎢在耐磨閥門上的應用

      分析了閥門在粉料、顆粒和漿料等輸送管線中損壞的原因，介紹了整體燒結碳化鎢硬質合金的特性，論述了閥門采用整體燒結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，進而導致損壞，加劇閥門失效。因此，認為粉料輸送等嚴苛工況下，耐磨性成為閥門的一項重要的性能考核指標。

2、分析

    依據摩擦發生的條件和機理，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(表面硬度應超過磨料的硬度)，同時還應在工作溫度下具有良好的抗氧化性能力，控制或將磨損減至最小的有效辦法是提高材料硬度和耐磨性。燒結碳化鎢強度高，表面光潔度也可以很高，與其他材料配對使用時，摩擦系數比鋼小，能顯著減小接觸面摩擦力，有效降低操作力矩。

3、特點

    整體燒結碳化鎢硬質合金由鎢和碳的混合物高溫加熱制成，大多數碳化鎢的硬度很高，其顯微硬度僅次于鉆石，熔點2870℃.沸點6000℃，相對密度15.63(18℃)，高溫下不易分解，抗氧化能力好。對現場使用情況調查表明，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、應用

    在煤氣化和多晶硅等高溫、高壓、強腐蝕性及含固體顆粒的漿料與粉料等工況中，常規使用的硬密封球閥、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合金構成密封副。由于碳化鎢涂層厚度<2mm，硬度<60HRC，涂層與基體結合力<1000psi。噴涂通常在10000℃的高溫條件下進行，操作施工條件惡劣。閥門使用壽命難以保證10000 次循環，不能滿足煤化工漿料和多晶硅粉料等系統長周期穩定生產要求。另一方面，噴涂碳化鎢強度主要由基體材質提供，當兩種材料線膨脹系數較大時，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碳化鎢硬質合金構成密封副，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的高速沖刷。

    (2)耐高溫。能長期工作在750℃的高溫狀態下，強度、結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。整體燒結碳化鎢橫向斷裂強度達到4000MPa，是常規鋼材強度的10 倍以上，能在25MPa 的工況壓力等級下長期工作。

    (4)耐腐蝕。整體燒結碳化鎢化學性質穩定，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對腐蝕性能的特殊要求。

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

圖3 煤粉控制閥

圖4 圓盤閥

    (6)耐沖蝕。常規閥采用噴涂碳化鎢涂層作為密封面，閥門內件承受嚴重的的沖蝕，通常在250℃工況下，1 個月內就呈現蜂窩狀，完全喪失功能。采用整體燒結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12 個月。頻繁開啟的圓盤閥和滑板閥等開關次數>300000 次，完全滿足煤化工等8000h 的長周期運行要求。

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

    (8)低摩擦。采用燒結碳化鎢硬質合金減磨墊片，不但延長墊片高溫使用壽命，鑒于其較低的摩擦系數，通常只有常規配對材料的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、結語

    整體燒結碳化鎢硬質合金高強度，高硬度，高熔點，高穩定性，低摩擦系數，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，保證了閥門各項性能指標，滿足了化工行業的發展需要。