燃烧器头部组件用新型高温耐磨材料的研究

邓荣娟，刘旭，王文清

燃烧器头部组件用新型高温耐磨材料的研究

邓荣娟，刘旭，王文清

本文介绍了中材装备集团有限公司热工分公司为提高燃烧器使用寿命而研发的一种碳化物强化奥氏体耐热钢T810N。通过添加W、V、Ti、Nb等元素来形成高硬度、高熔点的碳化物，从而提高材质的高温耐磨性能。试验研究表明，T810N在高温抗氧化性能、室温及高温拉伸性能、高温耐磨性能方面较ZG40Cr28Ni16有显著提高，能够满足提高燃烧器头部组件使用寿命的要求。

奥氏体耐热钢；碳化物；合金元素；硬度；高温耐磨性

煤粉燃烧器作为水泥厂煅烧水泥熟料的重要热工设备，其使用寿命的长短直接影响烧成系统热工制度的稳定及水泥熟料的产量和质量。而燃烧器的使用寿命，主要取决于其头部组件所用材料的性能，如耐热性和耐磨性。当前水泥熟料生产中，经常出现因煤粉燃烧器的头部组件烧蚀及磨损而提前停窑维修的现象，导致燃烧器整体性能指标达不到烧成系统煅烧的要求。

燃烧器头部组件的工况较为恶劣，不仅在高温碱性环境中极易被氧化，同时还受到煤粉颗粒的高速冲刷，使头部大外筒内表面呈规则的冲刷槽状，使冷却风的截面积变大，其风速达不到设计要求的指标，导致整个燃烧器失效。图1为某水泥厂现场燃烧器头部组件失效后的表面形貌照片。

目前，燃烧器头部组件所使用的材料为ZG40Cr8Ni16，为了更好地提高燃烧器的使用寿命，中材装备集团有限公司热工分公司研发了新型高温耐热耐磨材料T810N，以适应市场需求。

T810N是自行设计研发的一种碳化物强化奥氏体耐热钢，设计思路为：合金中的Cr、Ni主要满足高温抗氧化性的需要，并通过添加W、V、Ti、Nb等元素来形成高强度、高硬度、高熔点的碳化物，从而提高材质的高温耐磨性能；而Ti、Nb两种元素则能够细化晶粒，提高材质的韧性。[1]

用T810N和ZG40Cr28Ni16两种材料分别进行制样，并进行显微组织对比分析、铸态下的硬度测试、高温抗氧化实验[2]、室温拉伸试验、高温拉伸试验[3]、[4]以及高温磨损试验[5]等一系列的研究，其结果对比如下。

1 显微组织分析

采用扫描电镜（SEM）对试样的微观组织进行分析，主要是观察两种材料中强化相碳化物的组成及分布状况，见图2、3所示。

图2中对ZG40Cr28Ni16试样的发亮部位进行EDS（能谱）分析，得出的成分主要为Cr、C，由此可知，合金中的碳化物主要为碳化铬。从图2中可以看出，碳化物基本上较为连续地分布在晶界上。

图3中对T810N试样的发亮部位进行EDS（能谱）分析，得出的成分主要为W、Cr、C，微量的Ti、V、Nb，由此可以得出，合金中的碳化物主要为碳化钨和碳化铬，一定量的碳化钛、碳化钒及碳化铌。从图3中可以看出，碳化物在合金中呈弥散状不连续地分布在基体中。

2 高温抗氧化试验分析

对两组试样进行抗氧化实验研究。氧化实验采用北京电炉厂生产的SK2-2.5-13S型管式炉，试验温度为1000℃。氧化实验采用等温氧化模式，氧化时间为100h。

氧化实验测试步骤：

（1）测量计算试样表面积；

（2）对试样进行超声波清洗，称量其初始重量；

（3）将试样装入95瓷氧化铝坩埚中，放入高温管式炉中进行静态抗氧化性能测试，温度定为1000℃；

（4）测量氧化后的试样重量并计算其增重，氧化过程中每隔20h对试样进行称重。

所得实验结果如图4所示。

图4中的1号试样为ZG40Cr28Ni16，2号试样为T810N，在连续100h的恒温氧化后，试样1的单位面积氧化增重为0.465mg/cm2，试样2的单位面积氧化增重为0.336mg/cm2。

可以得出，T810N在1000℃的抗氧化性能明显优于ZG40Cr28Ni16。

表1 ZG40Cr28Ni16与T810N硬度对比表

表2 ZG40Cr28Ni16与T810N室温拉伸性能

表3 ZG40Cr28Ni16与T810N在650℃的高温拉伸性能

表4 ZG40Cr28Ni16与T810N在650℃的耐磨性能对比表*

3 机械性能试验分析

从表1中可以得出，T810N的硬度显著高于ZG40Cr28Ni16，表明T810N中合金元素所形成的强化相起到了关键作用。。

4 结论

本文介绍了热工分公司为提高燃烧器头部组件的使用寿命而研发出一种新型的碳化物强化奥氏体耐热钢，通过添加W、V、Ti、Nb等元素来形成高强度、高硬度、高熔点的碳化物，从而提高材质的高温耐磨性能。

通过一系列的试验研究表明，T810N较ZG40Cr28Ni16在高温抗氧化性能、室温及高温拉伸性能、高温耐磨性能方面都有显著提高，能够满足提高燃烧器头部组件使用寿命的要求。

[1]樊东黎，徐越明，佟晓辉.热处理技术数据手册[M].北京：机械工业出版社，2006，第二版[2]李铁藩.金属高温氧化和热腐蚀[M].北京：化学工业出版社，2003.

[3]梁新邦，李久林，张振武.金属力学及工艺性能试验方法国家标准汇编.北京：中国标准出版社，1996.

[4]冶金工业部信息标准研究院标准研究所编.金属材料物理试验方法标准汇编[G].北京：中国标准出版社，1997.

[5]蔡泽高,等.金属磨损与断裂[M].上海：上海交通大学出版社，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

通讯地址：中材装备集团有限公司热工分公司，天津 300400；

2011-01-13；

吕 光