水煤浆喷嘴在实际使用中,由于水煤浆锅炉的炉膛温度高,加上水煤浆的急冷作用,使得水煤浆喷嘴内部的温度梯度很大,因此出现了较大的热应力。水煤浆陶瓷喷嘴在热应力集中的地方出现了热裂、热崩等热损伤现象,严重影响了水煤浆喷嘴寿命。因此如何合理的评价水煤浆喷嘴的抗热冲击性能尤为重要。本文采用有限元计算和水淬试验的方法对Al2O3/TiC陶瓷和YG8硬质合金水煤浆喷嘴的抗热冲击性能进行了系统的研究。根据传热学理论和热应力学理论,对水煤浆喷嘴在稳态和瞬态工况下的温度场和应力场进行理论分析,建立了数学模型,并据此分析了水煤浆喷嘴热冲击损伤的原因。通过有限元方法计算了水煤浆喷嘴在不同工况下的温度场和应力场,分析了喷嘴材料和结构对温度场和应力场的影响。稳态传热有限元分析表明：最大热应力出现在喷嘴出口处,与实际使用中出现热损的部位相符；按最大热应力排序依次为：平口陶瓷喷嘴>平口硬质合金喷嘴>锥口陶瓷喷嘴>锥口硬质合金喷嘴。结构对于喷嘴温度场和应力场影响明显,锥口结构的喷嘴热应力明显低于平口结构的喷嘴,原因是锥口结构与炉内高温环境接触面积减少,减少了吸收的热量,同时与低温水煤浆的接触面积增大,更多的热量被水煤浆带走。不同材料制作的喷嘴温度场和应力场差异明显,Al2O3/TiC陶瓷材料的最高温度和热应力都大于YG8硬质合金材料,原因是硬质合金具有较高的导热系数和较低的热膨胀系数,使得热量传递更为迅速、均匀,减少了温度梯度和变形阻力。瞬态传热有限元分析表明：由于表层的强制对流冷却,使喷嘴内外传热不均,导致表层产生较大拉热应力,内部热应力较小,Al2O3/TiC陶瓷的热应力大于YG8硬质合金。热应力随着冲击温差的增大而增大,其中最大值出现在内壁边缘。冷却过程中,热应力随时间的变化规律是迅速增加到最大值后再缓慢回落,最大值出现在2-3s之间。通过水淬试验和压痕-淬火试验研究了Al2O3/TiC陶瓷、YG8硬质合金两种喷嘴的抗热冲击性能。试验结果表明：水淬试验后,Al2O3/TiC陶瓷和YG8硬质合金的硬度都出现下降,YG8硬质合金的硬度下降更为明显。水淬试验中,Al2O3/TiC陶瓷和YG8硬质合金表现出不同的失效形式,Al2O3/TiC陶瓷喷嘴在水淬试验中的主要失效形式是整体开裂,即裂纹首先在端面产生,然后沿轴向纵深扩展直至贯穿整个喷嘴。YG8硬质合金喷嘴在水淬试验中的失效形式主要是局部块状脱落,集中分布在端面的内孔边缘和外圆柱面边缘。YG8硬质合金喷嘴的抗热震能力更优。从试验前后的成分对比发现,Al2O3/TiC陶瓷和YG8硬质合金两种材料制备的喷嘴都有一定程度的氧化,YG8硬质合金氧化更明显。在预制裂纹的压痕-淬火试验中,Al2O3/TiC陶瓷喷嘴的裂纹扩展率高于YG8硬质合金,说明YG8硬质合金的抗裂纹扩展能力更优。通过抗热震参数的计算,解释了YG8硬质合金抗热冲击能力高的原因。

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