碳化硅辊棒窑助燃风温度问题的探讨

点击次数:178   更新时间2018-04-27     【关闭分    享:
   为遵循落实国家节能减排的根本政策,加速节约型社会缔造,强化企业的节能技能革新。从前进陶瓷企业窑炉的热能运用功率和节约能源前进效益动身,辊道窑热能合理运用方面必定会越来越好。经过选用高温助燃风烧嘴,并窑炉送风体系恰当改造,烧成办法的变革等,前进窑炉助燃风温度节能办法,必定在经过企业的逐渐运用,企业从中得到最佳的经济效益。
碳化硅辊棒
4超高温陶瓷
        超高温陶瓷是指在高温环境下(2000℃)以及反响气氛中(例如在原子氧环境中)可以坚持物理与化学安稳性的一种特别资料,是具有优秀的高温力学功能、高温抗氧化性和抗热震性的陶瓷基复合资料。超高温陶瓷首要是由高熔点硼化物与碳化物组成,首要包含硼化铪(HfB2)、硼化锆(ZrB2)、碳化铪(HfC)、碳化锆(ZrC)、碳化钽(TaC)等。硼化物、碳化物超高温陶瓷的熔点均超越3000℃,具有优秀的热化学安稳性和优异的物理功能,包含高弹性模量、高硬度、低饱满蒸汽压、适中的热胀大率和杰出抗热震功能等,而且能在高温下坚持很高的强度。超高温陶瓷可以适应超高音速长时飞翔、大气层再入、跨大气层飞翔与火箭推动体系等极点环境,可以运用于飞翔器鼻锥、机翼前缘、发动机热端等各种要害部件。作为运用在航空航天飞翔器上的重要资料,超高温陶瓷资料得到各国的高度关注。
 
                            常见的碳化物、硼化物的功能
 
4.1 超高温陶瓷的研讨发展
 
        国外对超高温陶瓷资料的研讨始于20世纪60年代初期,在美国国防部的大力支持下,Manlab开端对超高温陶瓷资料进行研讨,首要研讨对象是ZrB2和HfB2及其复合资料,其研发出的80 vol%HfB2 - 20 vol%SiC复合资料根本可以到达高温氧化环境下持续运用的要求,为尖锐前缘飞翔器及其热防护体系的剖析与规划供应了巨大的帮助。20世纪90年代,NASA Ames实验室开端对超高温陶瓷资料进行相关研讨,Ames实验室及相关合作伙伴对体系热剖析、资料研发与电弧加热器测验等展开了一系列的研讨作业,并进行了两次飞翔实验(SHARP-B1、SHARP-B2)。其间,SHARP-B2飞翔实验中的尖锐翼前缘因热环境的不同分为三部分,别离选用的是ZrB2 / SiC / C、ZrB2 / SiC和HfB2/SiC资料。实验结果表明,二硼化铪(HfB2)和二硼化锆(ZrB2)为主体的超高温陶瓷资料可以作为大气层中高超声速飞翔器热防护体系资料运用,且运用远景不可估量。2003年2月初,美国的航天飞机“哥伦比亚”号发作了令人震惊的爆破惨剧。为了前进未来航天飞机的飞翔安全性,使相似“哥伦比亚”号爆破惨剧不再重演,在“哥伦比亚”号失过后,美国航天宇航局(NASA)敏捷发动相关研讨方案,其间包含要点研讨、发展新一代熔点高于3000℃的的超高温陶瓷,作为未来航天飞机的阻热资料。
 
        国内对超高温陶瓷资料的研讨相同注重。在2014年世界新资料发展趋势论坛上,李仲平院士侧重,要加速推动高功能、低本钱的SiC前驱体与SiC纤维的研发作业,加速碳化物超高温陶瓷基础研讨和运用基础研讨。西北工业大学的成来飞教授介绍了SiCw / SiC层状结构陶瓷的研讨发展。张立同院士课题组选用CVI、PIP和RMI等工艺制备出Cf / SiC陶瓷基复合资料,一起提出界面区的概念,建立Cf / SiC内基体裂纹和界面区相互效果的物理模型,并对其执役功能作出了体系性的点评。中国科学院上海硅酸盐研讨所的董绍明教授介绍了原位反响法制备碳化物和氮化物陶瓷基复合资料,测验经过PIP工艺,在Cf / SiC、SiCf / SiC复合资料的制备进程中参加硼、铝等添加剂,以缩短PIP细密化时刻、前进抗氧化才干与力学功能。现在,国产超高温陶瓷资料正在逐渐运用于我国的航空航天范畴。
 
4.2 硼化物超高温陶瓷
 
        超高温硼化物首要有硼化铪(HfB2)、硼化锆(ZrB2)、硼化钽(TaB2)和硼化钛(TiB2)等,现在对硼化锆(ZrB2)和硼化铪(HfB2)的研讨最为会集。硼化物超高温陶瓷(UHTCs)由较强的共价键构成,具有高熔点、高硬度、高强度、低蒸腾率、高热导率与电导率等特色,但共价键较强的特性导致了其具有难以烧结和细密化的缺点。为了改进其烧结功能,前进细密度,可以经过前进反响物的外表能、下降生成物的晶界能、前进资料的体分散率、加速物质的传输速率以及前进传质动力学等办法来处理。
 
        单相硼化锆(ZrB2)和硼化铪(HfB2)在1200℃以下具有杰出的抗氧化性,这是因为液态氧化硼(B2O3)玻璃相在外表生成,起到了杰出的抗氧化保护效果。如硼化锆(ZrB2)的氧化进程中,硼化锆(ZrB2)氧化生成氧化锆(ZrO2)与氧化硼(B2O3),构成了抗氧化保护层,阻挠了硼化锆(ZrB2)的氧化,当温度超越了氧化硼(B2O3)的熔点(450℃),氧化硼(B2O3)渐渐蒸腾,温度越高,氧化硼(B2O3)的蒸腾速率越大,其作为氧分散阻挠层的效果越低,导致硼化物的抗氧化功能下降。Parthasarathy等针对硼化锆(ZrB2),硼化铪(HfB2)和硼化钛(TiB2)在1000 ~ 1800℃的氧化,指出在1400℃以下,硼化物的氧化动力学进程契合抛物线规则,金属原子的氧化物构成骨架,而发作的液态氧化硼填充到骨架里、涂敷在硼化物外表。此刻,氧化速率遭到氧经过液态氧化硼(B2O3)进行的分散所操控。高温阶段,氧空位经过氧化物晶格进行的分散进程制约着氧化速率。
 
        经过添加碳化硅(SiC)制备出的ZrB2-SiC复合资料具有更好的归纳功能,例如具有较高的二元共晶温度、杰出的抗氧化功能等。Clougherty等在上世纪 60 年代把碳化硅(SiC)引进硼化锆(ZrB2),硼化铪(HfB2)中,开端的意图是细化晶粒、前进强度。添加碳化硅(SiC)后,高温下硼化物外表最外层,首要由富含二氧化硅(SiO2)的玻璃层组成,内部则是氧化物(ZrO2、HfO2)层。玻璃层可以阻挠氧的分散,因而硼化锆(ZrB2)在添加20 ~ 30 %体积比的碳化硅(SiC)后,在2000℃仍有较高的抗氧化性。Sun等研讨氧化锆(ZrO2)纤维增韧相对ZrB2-SiC复合资料的影响,经过热压法在1850 ℃下制备出的ZrB2-SiC-ZrO2f陶瓷的弹性强度与断裂耐性别离为1086 ± 79 MPa和6.9 ± 0.4 MPa·m1/2。在高温时,ZrB2-SiC复合资料的表层会构成硼硅酸盐保护层,该保护层可以坚持其抛物线氧化规则到超越1600℃。还有的添加物,例如硅化钼(MoSi2)、硅化锆(ZrSi2)、硅化钽(TaSi2)、硼化钽(TaB2)等,也被用于前进硼化锆(ZrB2)和硼化铪(HfB2)的抗氧化性。第二相的添加,使得高温下的资料表层构成高熔点玻璃相,阻挠了氧气向资料内部的分散,前进了资料的高温抗氧化功能。
4.3 碳化物超高温陶瓷
 
        碳化物超高温陶瓷具有高熔点、高强度、高硬度及杰出的化学安稳性,是运用广泛的超高温陶瓷资料,现在常用的碳化物超高温陶瓷首要包含碳化硅(SiC)、碳化锆(ZrC)、碳化钽(TaC)和碳化铪(HfC)。碳化铪(HfC)、碳化锆(ZrC)和碳化钽(TaC)的熔点与其氧化物比较高得多,不经历任何固相相变,具有较好的抗热震功能,在高温下仍具有较高的强度。可是,这类碳化物超高温陶瓷的断裂耐性和抗氧化性相对较低,一般选用纤维进行增强增韧。
 
        超高温碳化物的氧化是氧气向内部分散或金属离子向外部分散,以及气态或液态的(在温度相对较低的条件下)副产品经过氧化物层向外部逸散的归纳进程。超高温碳化物的抗氧化性首要受氧化进程中气态副产品的构成和逸散的影响,例如CO和CO2。在碳化物超高温陶瓷中,碳化锆(ZrC)的价格相对廉价且具有高熔点、高硬度等功能,是十分有远景的超高温资料。单相碳化锆(ZrC)在高温下抗氧化功能较差;在空气中加热至800℃时开端严峻氧化,构成氧化锆(ZrO2)和碳(C);当温度升高至1100℃,碳(C)持续和氧气(O2)发作反响生成一氧化碳(CO)或二氧化碳(CO2)。研讨结果显现,碳化铪(HfC)、碳化锆(ZrC)和碳化钽(TaC)将大量氧气吸收进晶格后,在高温环境下构成的氧化区至少包含2层;一层是含有极少空地的内部氧化层,另一层是多孔的无法阻挠氧分散的外部氧化层。因而单相的碳化锆(ZrC)抗氧化功能较差,所以碳化锆(ZrC)一般与其他资料复合运用,如ZrC-Mo-Si2、ZrC-ZrB2、ZrC-SiC、ZrC-ZrO2和ZrC-Mo等。Savino等将体积分数为5 %的硅化钼(MoSi2)加到碳化铪(HfC)中,发现硅化钼(MoSi2)促进烧结,烧结体密度到达理论密度的98 %,而且空地很少。表层为多层结构,有裂纹,但与底层未反响的碳化铪(HfC) 结合较结实。最外层仍是多孔氧化铪(HfO2),没有发现有接连的玻璃相。第二相添加物在前进碳化锆(ZrC)、碳化铪(HfC)的抗氧化性和烧结功能的一起,还可以有用的按捺基体晶粒的长大、引进剩余应力,前进资料的强度和耐性。此外,Al、Cr 在高温下能氧化成细密的氧化铝(Al2O3)、氧化铬(Cr2O3)膜。刘东亮运用第一性原理,比较了在碳化铪(HfC)中掺Al、Cr的构成能。他发现在碳化铪(HfC)中掺 Cr 的安稳性要优于掺 Al。
 
        碳氧化物的烧结性、细密程度等对氧的分散有很大影响。硼硅玻璃与金属碳氧化物比较相对细密,对氧的分散有更好的按捺效果。这也是迄今为止,掺硅硼化物超高温陶瓷得到广泛研讨的原因之一。
5 结语
        现在,我国在超高温资料范畴的研讨现已获得较大的突破性发展,可是对超高温资料的研讨依然有许多问题悬而未决。未来关于超高温资料的研讨,应侧重加强以下几方面:
 
(1)加强对C/C复合资料基体进行改性的研讨。现在C/C复合资料基体改性研讨大多在细小试样中进行,应改动研讨对象,针对详细的运用构件,由细小试样改动为运用构件,要在怎么前进制备工艺的安稳性、基体改性办法的可移植性和构件归纳功能的协调性等问题上下功夫。
 
(2)运用资料计算办法进行原子氧的研讨。该办法可以防止常规实验中资料与原子氧接触而发作的氧化;运用流体动力学办法模仿资料周围有流体活动时的现象,从这些方面去探究超高温陶瓷资料的氧化机理。
 
(3)展开超高温陶瓷资料外表的研讨。分子氧、原子氧是怎么与这些陶瓷资料的外表结合并进行分散的,探究怎么阻挠超高温陶瓷外表与氧的结合和氧的分散。
 
(4)探究前进超高温陶瓷资料耐性的办法。例如,是否可以将纳米线、纳米带、纳米棒引进碳化物、硼化物及其复合陶瓷中,探究其能否及怎么前进超高温陶瓷的耐性。
 
(5)处理超高温陶瓷资料的缺点操控问题。缺点在超高温陶瓷资料中无法防止,一起,缺点对超高温陶瓷资料的功能影响甚大。因而,探究缺点的构成原因及其检测、表征和操控技能和手段,是未来研讨的方向之一。
 
 
          前进辊道窑助燃风温度问题的讨论
 佛山市欣星陶瓷机械厂
一、问题的提出   
 寻觅企业的节能方向,发掘设备的节能潜力,下降能源耗费和出产本钱,前进经济效益是一个永久的课题。从前进陶瓷企业窑炉的热能运用功率和节约能源的视点了解,现在陶瓷职业界遍及运用的辊道窑,其热能合理运用方面依然存在如下的不足之处:   
 1、窑炉余热未能彻底运用。辊道窑不管其在热工规划及至实践运转中,其热能运用合理方面仍存在不尽人意之外。依据对一些较有代表的窑炉热平衡定所获得的的热工数据来看,其冷却带抽热和排烟带走热二项合计占窑炉输入热量的份额,大多数窑炉为50-60﹪。经过多年来因为燃料本钱份额增大要素影响,配合陶瓷出产工艺变革和枯燥设备技能的进一步完善,在业界技能人员的尽力之下,在窑炉烧成中发作的这些余热大部分是供应坯体枯燥运用了。这在窑炉余热运用方面,的确获得了极大的前进。这一前进根本上使大多数企业不再需求运用燃料于枯燥工序,这方面的成效是恰当明显的。可是,窑炉出产实践运用中,或在各企业的详细操作运用时,或窑炉用于不同产品烧制时,窑炉的余热运用的情况在不同的企业中就各有差异了。经过咱们对现在业界运用的窑炉的余热运用情况调查了解,各种要素仍影响着窑炉的余热未能彻底被运用。一是出产方面,部份企业窑炉排出的冷却带抽热和排烟带走热量供应枯燥线有剩余,剩余部份只采纳向天排空;二是设备方面,部份企业窑炉太短,而又不恰当地加大产量,致使出砖温度在200℃以上,形成了冷却余热的糟蹋;三是操作方面,一些企业为大产量拼命地加大焚烧量而不吝以加大排烟处理窑炉正压,形成排烟丢失大大添加。四是认识方面,一些企业的产量与本钱间仍有空间,不在乎燃料本钱,不自觉节能。上述剖析表明,窑炉余热运用依然有着许多空间和有着许多作业要做。   
 2、助燃风升温难题未能处理。咱们经常讲:假如前进助燃风温度可以使窑炉节约多少多少燃料,可以得到多少多少燃料,。可是,这一节能办法仍未能实践运用。多年来咱们所规划、缔造的辊道窑,均是以9-26型风机(A传动办法)吸入大气送入助燃风管道体系再进入燃油或燃气烧咀焚烧。窑炉设备厂商也仅仅供应了适宜于低温助燃风的烧咀,陶瓷出产企业无法也只可以习惯于运用设备。有企业曾测验运用冷却带热风进入助燃风机进口,以期前进风温节约燃料办法,但因助燃风机、管道体系及烧咀不适应面抛弃。据现在职业界运用此办法的少数企业的情况,也仅仅抽取极少数的冷却带热风给助燃风混合,或只简单只运用窑体的少数散热来前进较低的温度,而全面窑炉余热运用前进助燃风温度技能和设备方面问题依旧未能彻底得到处理。   
 3、窑炉缺少焚烧监控。一些辊道窑烧成带焚烧空气系数高,致使排烟丢失增大。一般,辊道窑在耗费燃料量和窑炉最高烧成温度必定的条件下,需求操控助燃空气量以及焚烧空气系数,使燃油工况的空气系数操控 a=1.4~1.6; 燃煤气工况的空气系数应操控 a =1.2~1.3。经过调整空气系数,可前进焚烧温度,排烟量大大削减,热能的糟蹋也大大削减。因为大多数的窑炉都没有设备焚烧体系烟气氧量计,这方面的监控到现在可算仍是空白。这也使现在窑炉余热不恰当地增大。
二、前进助燃风温度的办法  
  依据辊道窑的结构的现在大多数设备运转实践,可采纳以下办法对助燃风升温:   
 A、直接抽取冷却带热风作为助燃风,只须装置抽取冷却带热风的管道进入助燃风机进口(可规划成悉数运用或部份冷却带热风,依靠风闸调理),可以使窑炉现用助燃风的温度前进至200℃左右。此办法出资小,需求:一是调理好原有抽热风去枯燥的风量份额以及确保烟气不倒流到窑炉冷却带即可。假如觉得抽热风量不满足,彻底可以经过加大窑炉冷却风量的一起开大抽热风机风量处理,将更有利于下降窑炉的出砖温度。二是将原运用的A传动办法的助燃风机为替换为D传动办法风机。此办法已有部分企业在运用,但存在一些操作上的问题。
  B、窑炉排烟量供应枯燥线有剩余而排空糟蹋余热,则可经过换热器将排烟热量转化为助燃风的热量。此办法需求依照实践传热量、排烟流量和热量、助燃风量等工参数规划一台适用的换热器,一起要安置相关的风管体系。但不需求替换原有的助燃风机
 C、将助燃风机的送风经过窑内冷却带辊棒的上、下空间所设置的换热器,使助燃风前进至恰当温度后,再进入助燃风管体系。需求依照实践所需的传热量、助燃风量等热工参数规划一台适宜的换热器,一起也安置相关的风管体系。也不需求替换原有助燃风机。
    以上三种办法均稍为需求改大助燃风的主送风管道和分支至每个喷枪的风管,并依据所前进的助燃风实践温度,选用适宜于该助燃风温度的整个喷枪或枪芯选件(新研发)
三、专用高温助燃风烧嘴是必要的确保设备
  因为助燃风经预热前进温度后,空气体积胀大,动力粘性系数增大,活动阻力加大,假如不采纳有用的技能办法,烧嘴的焚烧才干将会相应下降。咱们对此在实验中做了一个模仿实验:选取市面上5万大卡的液化气烧嘴和燃油烧嘴,焚烧室是一节辊道窑箱体,实验助燃空气加热至不同温度下的焚烧情况。当助燃风和燃气(燃油)的压力不变,助燃风温度到达80℃时,火焰开端变红,证明因空气体积胀大后含氧量不足。    要坚持烧嘴的焚烧才干不变,需求采纳如下办法:  
  1、前进烧嘴前的助燃空气压力,以确保有满足的空气参与焚烧。所需压力可由下式求出:    Pt=Po×(1+t/273)  
  其间 t---为助燃空气预热温度t℃  
   Pt—助燃空气预热温度为t℃时烧嘴前压力   
  Po—助燃空气未预热时烧嘴前压力  
  2、增大空气的流转面积,减小压力丢失,使单位时刻内流过的助燃空气质量坚持不变。依据:    Vt=Vo[1+Av(t-to)]    V—温度为t时体积 m3    Vo—常温to时的体积 m3    Av—体积胀大系数 1/℃(空气=216)    t—加热前助燃风温度 K    to—加热后助燃风温度 K  若助燃空气从30℃加热到200℃时,得出:    Vt=Vo[1+(473-303)/216]=1.78 Vo   
即在不改动流速V 情况下管路的流转面积相应增大1.78倍,在实践运用中可先原管路截面积的1.5倍。  
  依据上述原理,为了使辊道窑及烧嘴可以适用于高温助燃风,咱们依据预热助燃空气的特色,优化了助燃风通道,减小了风道的压力丢失,而且规划出新式的可运用预热空气的专用烧嘴,其特色如下:   
 1、焚烧彻底,焚烧功率高(可达92﹪以上),空气耗费系数在1.2时,烟气的CO﹤7×10-4﹪。   
   2、焚烧安稳牢靠,调理比达5:1。    
   3、适用于200℃高温助燃风。    
   4、焚烧火焰为淡蓝色透明,火焰长度300-500mm。    
   5、烧嘴可电子焚烧,可配紫外线火焰监测探头。   
   辊道窑经过替换此烧嘴及对风管管路相应加大,即能确保运用经余热收回前进温度之后的助燃风,从而使辊窑的节能办法得到施行。 
四、窑炉的规划、缔造及运转准则的改进    
    运用高温助燃风需求从以下几个问题考虑,才干更有用地确保这一节能办法的长时间施行。   
  在窑炉规划、研发和缔造方面,为处理窑炉的断面温差,一种新式的拱顶结构辊道窑已在职业界行到实践运用。拱顶结构窑炉的内部空间比吊顶窑炉大,窑内蓄热量相对较多,确保了窑内温度均匀,调整了热辐射的视点,因而窑内断面遍地温差较小,从而处理了宽断面辊道窑常见的断面温差难题。窑炉的排烟体系选用窑头会集排放办法,也为充分运用窑炉余热、下降能耗发明了条件。   
  辊道窑的宽度问题,要从实践情况和实践来决议,不能越宽越好。窑炉的内宽要考虑选用的燃料质量,燃料质量较好,窑炉的内宽可以恰当添加。另一方面,窑炉内宽增大,必定的致使助燃风加大,从而使窑炉排烟也加大,窑炉排烟热丢失增大了,而使得窑炉的单位产品能耗增多。   
  运用助燃风提温节能办法的窑炉,必需求遵循一个新的烧成准则。这个新的烧成准则,是要使司窑者要改动以往一些在脑袋中凝结了的主意和做法,密切地配合对窑炉新办法的运用。如适宜地调理窑炉的进、出风风量,调理窑内焚烧空气系数,调整或稍改动原来的压力、温度曲线。 不能以为不需调整就能选用新的节能办法,只要能确保产品产量、质量,这些调整对节能办法的运用都是必要的。
 
超高温资料关于航天飞翔器具有重要效果,是飞翔器在长时飞翔、跨大气层或再入飞翔中不可或缺的组成部分,对飞翔器的热防护体系起着至关重要的效果。文章对近年来难熔金属及其合金、C/C复合资料、超高温陶瓷等超高温资料的最新研讨成果进行归纳、总结,剖析超高温资料的优缺点,提出存在的首要问题,讨论往后的首要研讨方针和要点发展方向。
碳化硅辊棒
 

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