整体烧结碳化钨在耐磨阀门上的应用

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The Application of Sintering Tungsten Carbide in W ear-Resisting ValvesWANG Yu-cheng.LIANG Lian-jin.MA Nin(SHK Valve Group Co.，Ltd.ShangHm.201416，China)Abstract：Analyzes the cause of valve damage in powder.granule an d slurry.etc.pipeline.Introducesthe whole sintering characteristics of tungsten carbide，and discusses the applicability of sintered tung-sten carbide disc and seat wider.1onger life。

Key words：valve；sintering tungsten carbide；hard alloy；wear resisted；coefi cient of friction1 概述在多晶硅、煤化工、电厂除灰、泥浆和锅炉排渣等物料输送管线中，阀门密封部位不仅受到密封副部件的滑动摩擦磨损作用，而且承受高温高硬度气固双相混合物高速冲击，及高压流体引起的闪蒸和汽蚀，进而导致损坏，加剧阀门失效。因此，粉料输送等严苛工况下，耐磨性成为阀门的-项重要的性能考核指标。

2 分析依据摩擦发生的条件和机理，磨损有多种不同的形式 ，常见的有磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损，以及冲蚀磨损等。

表征材料磨损性能的常用参量有磨损量、磨损率、磨损度、耐磨性和相对耐磨性等。耐磨料磨损的基本要求是物体表面必须有高的硬度(表面硬度应超过磨料的硬度)，同时还应在工作温度下具有良好的抗氧化性能力，控制或将磨损减至最小的有效办法是提高材料硬度和耐磨性。烧结碳化钨强度高，表面光洁度也可以很高，与其他材料配对使用时，摩擦系数比钢小，能显著减杏触面摩擦力，有效降低操作力矩。

作者简介：王玉成(1977-)，男，工程师，从事阀门设计工作。

3 特点整体烧结碳化钨硬质合金由钨和碳的混合物高温加热制成，大多数碳化钨的硬度很高，其显微硬度仅次于钻、石，熔点 2 870oC.沸点6 000℃，相对密度15.63(18℃)，高温下不易分解，抗氧化能力好。对现场使用情况调查表明，碳化钨在磨粒磨损、冲蚀磨损和擦伤等情况下的耐磨性比工具钢、不锈钢、铁和黄铜等高 100倍，刚性比钢高 2～3倍，比铸铁和黄铜高4～6倍，抗冲击性能与淬硬工具钢相似。

4 应用在煤气化和多晶硅等高温、高压、强腐蚀性及含固体颗粒的浆料与粉料等工况中，常规使用的硬密封球阀、文丘里黑水控制阀、煤粉控制阀、圆盘阀和滑板阀的阀瓣与阀座分别采用喷涂碳化钨硬质合金构成密封副。由于碳化钨涂层厚度 <2mm，硬度 <60 HRC，涂层与基体结合力 <1 000psi。喷涂通常在 10 000oC的高温条件下进行，操作施工条件恶劣。

阀门使用寿命难以保证10 000次循环，不能满足煤化工浆料和多晶硅粉料等系统长周期稳定生产要求。另-方面，喷涂碳化钨强度主要由基体材质提供，当两种材料线膨胀系数较大时，使用受到温度的- 42- 阀 门 2013年第4期局限，难以超过450oC。

新型硬密封球阀(图 1)、文丘里黑水控制阀(图2)、煤粉控制阀(图3)、圆盘阀(图4)和滑板阀等的阀瓣与阀座均采用整体烧结碳化钨硬质合金构成密封副，阀门性能有了明显的改善。

l图 1 新型硬密封球阀图2 文丘里黑水控制阀(1)硬度高。硬度>80 HRC，可以承受水煤浆、煤粉、硅粉等多相颗灵质的高速冲刷。

(2)耐高温。能长期工作在 750℃的高温状态下，强度、结合力和热膨胀等不受温度的局限，完全满足了煤化工等高温工况。

(3)耐高压。整体烧结碳化钨横向断裂强度达到4 000MPa，是常规钢材强度的 10倍以上，能在25MPa的工况压力等级下长期工作。

(4)耐腐蚀。整体烧结碳化钨化学性质稳定，即使在加热情况下，不溶于水.也不与盐酸和硫酸起作用，甚至在王水中也不会被溶解，足以满足煤化工等特殊行业对腐蚀性能的特殊要求。

(5)耐磨损。整体烧结碳化钨高硬度和高稳定性等特性保证了密封副材料优良抗磨损性能，满足煤粉、有机硅等(硅粉颗粒硬度为 62HRC)特殊介质磨损要求。

图3 煤粉控制阀图 4 圆盘 阀(6)耐冲蚀。常规阀采用喷涂碳化钨涂层作为密封面，阀门内件承受严重的的冲蚀，通常在 250℃工况下，1个月内就呈现蜂窝状，完全丧失功能。采用整体烧结碳化钨作为控制件的文丘里黑水控制阀、煤粉控制阀，在450℃温度下(其余工况相同)使用寿命达 12个月。频繁开启的圆盘阀和滑板阀等开关次数 >300 000次，完全满足煤化工等 8 000h的长周期运行要求。

(7)高温动作性能灵活。球体和阀座同为整体烧结碳化钨硬质合金，其线膨胀系数均为常规钢材的1/3-1/2，有效避免了常规阀门高温卡塞现象，保障了高温差工况下其优异的动作性能。

(8)低摩擦。采用烧结碳化钨硬质合金减磨垫片，不但延长垫片高温使用寿命，鉴于其较低的摩擦系数，通常只有常规配对材料的 1/3～1/2，极大地减轻了二者之间的摩擦力，降低了阀门操作力矩。

(下转第45页)2013年第4期 阀 门国内已设计制造了大规格(DN500)钛阀，如锻制球阀、蝶阀和止回阀等，实现了在某大型精对苯二甲酸项目批量供货和成功应用。钛阀在化工行业应用广泛，但必须注意其并非适于任何化学介质。其中氢氟酸、盐酸、硫酸和正磷酸及热浓的草酸、甲酸、三氯乙酸、三氟乙酸以及腐蚀性极强的氯化铝，对钛及钛合金都有严重的腐蚀作用，因此钛阀不适应用于此类化工介质，在使用中应注意。

4.3 核电工程由于核电站均建于海岸沿线，核电站中许多设施涉及海水这-特殊介质，钛及钛合金阀门其优良的耐海水腐蚀性能，使其在核电工程中用量巨大。

核电用阀门在核电站中是使用数量较多的介质输送控制设备，是核电站安全运行中必不可少的重要组成部分。以阀门配置情况看，截止阀占33.6%，隔膜阀占26.2%、球阀占12.8%。在庞大的阀门用量中，钛阀门占有相当比例 ，钛阀用材主要以经过防辐照试验验证的钛材为主。

4.4 其他工程钛及钛合金阀门在海洋平台、造纸、食品、医药等工程中的应用十分普遍↑年海上油田开采进入快速发展期，海洋平台用钛合金阀门需求量逐年增加，主要有关断球阀、止回阀、多路阀等，其阀门用材多选用纯钛。造纸工程涉及强碱介质，介质腐蚀性能极强。造纸行业的管道、泵、阀、风机和搅拌器等常采用钛合金制造，其中纯钛制球阀和截止阀等应用量较大。由于钛及钛合金具有生物惰性，即对人体或其他生物无任何毒害作用，所以，钛及钛合金装置在食品加工和制药工程中应用广泛。高端食品加工企业及制药厂均应用到钛设备、管线和阀门，所用钛阀门主要有纯钛制球阀和蝶阀等。

5 应用前景经过多年科研、设计、制造和用户相结合的共同努力，我国的阀门行业 已取得快速发展。逐步实现了重大装备阀门国产化的计划，其中包括百万千瓦级核电站关键阀门和百万吨级大型乙烯成套设备阀门国产化等。随着我国经济实力的不断增强，近几年我国航空航天工程、电力工程、海洋资源开发利用工程、石油化工工程、食品及医疗工程等发展力度的加大，钛阀的市嘲应用前景十分广阔。

6 结语钛和钛合金阀门作为-种特殊介质及环境下的流体控制必需品，在国外发达国家，其加工制造及应用已有多年历史，其阀门的应用领域及所用材料类型、牌号等对我国设计、加工制造高端阀门有很大帮助。随着我国国民经济高速发展，未来钛阀门应用前景十分广阔。研究和掌握国内外钛阀应用现状及设计选材规律，有益于我国钛阀门产业眷发展。