用氧化锆陶瓷材料制作电厂除灰阀门耐磨部件的分析

杨兴强

（蓬莱半岛电力设备有限公司，山东 烟台 265600）

引言

目前，我国火力发电厂的除灰系统的阀门主要就是国外进口，我国国产的除灰阀门比较少。火力发电厂除灰阀门的寿命比较短，一般使用几个星期或是半个月左右就需要更换，这不仅需要电厂投入更多的资金，也是对环境的污染。目前，除灰阀门渗漏是行业难以解决的问题，而且对电厂工作的进行也有一定的影响。除灰阀门的渗漏主要就是电厂的产品有一定的弱酸性，导致对除灰阀门的腐蚀。而氧化锆陶瓷不会被腐蚀，氧化锆陶瓷可以抵抗弱酸性的影响，这样除灰阀门使用的时间也就更长，一般可以提升寿命10倍左右，这就可以保证电厂除灰系统的稳定运行，避免对产品的影响，保证系统维护工作的正常运行。

1 陶瓷材料概述

陶瓷的结构特点主要为具有较强的离子键和共价键。陶瓷的显微组织是不均匀的，而且结构比较复杂[1]。陶瓷经过多项工艺才成形，主要经过粉碎、成形和烧结等过程，所以陶瓷的显微组织中存在晶体相、玻璃相等，各相相对量也不同。而且一旦陶瓷烧制成形，陶瓷的结构和组织就比较稳定，不会改变。氧化锆是自然界矿物原料，纯氧化锆是一种耐火性比较强的材料。氧化锆材料的硬度比较高，而且强度高，韧性也比较高。氧化锆陶瓷制备的方法比较多，氧化锆陶瓷的高韧性、高抗压、耐磨性和隔热性比较强，这些特点促进了氧化锆陶瓷在电厂除灰阀门耐磨部件制作中的应用。

2 电厂除灰阀门耐磨部件的加工工艺

2.1 材料确定

很多材料都能加工成电厂除灰阀门，但是制成的阀门质量不同。本文选择氧化锆陶瓷进行研究。主要是由于氧化锆陶瓷的熔点比较高，而且在任何环境下都比较稳定，与很多金属和化合物接触时，也比较稳定，氧化锆陶瓷在高温下的性能优于氧化铝。在应力作用下，氧化锆陶瓷也比较稳定，相变时能够将相变的能量吸收，而且还能增加自身裂纹扩张能力，实现尖端应力松弛[2]。

2.2 制作方法

2.2.1 喷雾干燥法

喷雾干燥法是采用化学原料进行制作，主要就是采用带八个水的氯氧化锆和氧化镁进行研究，氯氧化锆的纯度高于99.9%，制备的过程是在高速离心喷雾干燥仪器中进行，所以被称为喷雾干燥法。这一过程主要就是为了得到Mg-PSZ粉末，反应的条件为900℃下进行灼烧，时间为2 h。反应需要选择氧化镁进行研究，主要就是将氧化镁粉末和氧化锆进行配比，之后将其放入干燥剂中，以5 L/h等速度进行例行喷雾，在高速旋转下氧化锆液化，这样氧化锆可以充分与空气接触，氧化锆溶液中的水分可以被快速的蒸发，之后需要将雾气收集在收集瓶中，废气需要经过离心排风机排除[3]。然后设置一定的条件得到Mg-PSZ粉末，设置喷头压力为1.5×10-1MPa，进口温度设置为400℃，出口温度为140℃。这样就可以得到纯度更高Mg-PSZ粉末，而且得到的粉末湿度可以控制在0.15%～0.2%。将得到的Mg-PSZ粉末在900℃下灼烧2 h就可以得到Mg-PSZ颗粒。

2.2.2 常压烧结法

常压烧结法也是陶瓷成形的一种方式，在制作电厂除灰阀门的时候可以采用以下四个阶段进行。烧结的过程是在马弗炉中进行，条件为常压。

1）蒸发期。这一阶段主要就是让氧化锆中的水分排出，这样才能进行其他工作，此时需要的温度为300℃。

2）转化期。在转化期，氧化锆发生分解和晶型化，这一阶段，氧化锆不仅发生了物理反应，还发生了化学反应，这是氧化锆电厂除灰阀门制作的重要的过程。此时需要的温度需要大于300℃，温度需要保持在950℃以下。

3）玻化成瓷期。这一阶段是实现成形的关键，也是通过胚体的原料的活动和高温下固态原子的扩张实现成形，也就是实现颗粒之间的合并。此时的温度需要在950℃以上，但是需要控制在1470℃以下。

4）冷却期。在这一阶段氧化锆台陶瓷已经成形，但是温度还比较高，这一阶段主要就是让氧化锆陶瓷降低温度，避免由温度变化过快导致陶瓷的结构的变化。

采用这种方式进行烧结，可以得到较高的氧化锆陶瓷，而且其中的晶体细度比较高，晶体裂纹的情况也可以改善。采用这种方式进行烧结得到的氧化锆陶瓷的质量更好。采用等温分级进行烧结的方式主要就是防止烧结中出现裂纹。在烧结中也需要注意烧结的最高温度应该控制在1 470℃左右，这样才能保证晶粒的细度，温度变化不能超过20℃。温度过低会导致晶粒不规范，而温度过高，晶粒的细度会降低。

2.3 切削加工

切削加工中要达到精度和细度的要求就需要进行全面的研究工作。电厂除灰阀门部件的磨损部位主要就是闸板密封面、阀体密封面，还有就是除灰阀门等，现在一般研究的除灰阀门的孔径为250 mm。这一孔径比较大，所以就增大了烧结的难度，而且在烧结中容易出现不均匀、变形等问题，采用切削加工主要就是通过这种形式将产品在几百吨的静压压铸机中进行压缩，主要就是为了保证晶体成形，采用模坯的方式进行制作，而在之后的过程中间试验按照收缩比例进行烧结，之后用冷加工的方式去掉中间的部分，就可以确保形状好尺寸。采用这种方式得到的氧化锆陶瓷的硬度比较高，而切削工作也会比较难，所以就需要在高温烧结的时候，注意收缩形变的问题，避免由于这一问题导致切削工作的增多。

3 氧化锆陶瓷材料制作电厂除灰阀门耐磨部件的优势

3.1 与金属除灰阀门比较

氧化锆阀门与金属相比，最大的优势就是耐磨。金属阀门使用的时间最长也就是半年左右，最短的时间为几个星期，更换的频率比较高。而氧化锆陶瓷阀门的寿命是金属阀门的10倍，氧化锆除灰阀门短时间内不需要更换，最长可以使用5年左右。而经济性能上，虽然氧化锆陶瓷阀门的费用高于金属除灰阀门，但是氧化锆陶瓷阀门的寿命比较长，而从长远的角度看，还是氧化锆陶除灰阀门的性能更优越，虽然其价格比较贵，但是寿命长。

3.2 与氧化铝阀门比较

与氧化铝相比，氧化锆除灰阀门的耐磨性能更高。氧化铝除灰阀门的缺点就是氧化铝比较脆，韧性比较低，所以这种材料不能做大口径的阀门，而电厂的工作中，需要较多的大口径阀门，而氧化铝除灰阀门无法满足要求。而氧化锆陶瓷的硬度比较高，氧化锆陶瓷的韧性也比较强，适合做大口径的阀门。但是在实际的工作中，氧化锆陶瓷制作电厂除灰阀门的工艺难度比较高，这是氧化锆陶瓷除灰阀门制造中的主要的问题。

4 结语

氧化锆是一种硬度比较高，韧性也比较强的材料，氧化锆陶瓷可以解决电厂除灰阀门寿命短，投入成本较高的问题。虽然氧化锆陶瓷的昂贵，但是其寿命长，从长远的角度看，具有应用价值，可以降低电厂除灰阀门投入。但是目前，在氧化锆陶瓷除灰阀门的制作中还存在较大的问题，主要是除灰阀门的制作工艺比较复杂，这也是行业有待解决的问题。