梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的设计理论及其试验研究

摘要

水煤浆喷嘴不耐磨、使用寿命短一直是水煤浆应用技术中有待解决的关键性难题之一。本文融合梯度功能材料的设计理论、有限元分析、喷嘴技术于一体，对梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的设计、制备、性能检测以及磨损特性进行了系统地研究。　　在分析均质陶瓷水煤浆喷嘴工作特性和损坏机制的基础上，提出了梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的设计思路和设计方法。根据梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的物理模型，选择Al2O3/(W,Ti)C材料体系作为喷嘴的制作材料，通过材料物性参数的计算和组分分布模型，确定了梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的初步模型。采用有限元方法，深入分析了梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴制备过程中形成的残余应力与梯度层的厚度、层数及烧结温度之间的关系，并确定了两种梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的理论模型。　　采用热压烧结法成功制备了Al2O3/(W,Ti)C材料系两种梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴，即单向梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴（型号DXPZ）和双向梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴（型号 SXPZ）；为对比研究，同时制备了均质陶瓷水煤浆喷嘴（型号JZPZ），并对三种喷嘴材料性能进行了测试。结果表明，梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴烧结良好，致密化程度较高；其力学性能明显优于均质功能陶瓷水煤浆喷嘴，且与梯度层数有密切关系。　　对三种陶瓷水煤浆喷嘴进行了现场磨损试验，对比研究了喷嘴的重量损失、孔径变化以及磨损后的宏观形貌、微观形貌。根据喷嘴磨损后的孔径及冲蚀磨损量的变化，初步估算三种喷嘴的使用寿命为：JZPZ喷嘴＞2100h，DXPZ喷嘴＞3500h，SXPZ喷嘴＞4100h。在相同的试验条件下，双向梯度陶瓷喷嘴 SXPZ的抗热冲蚀性能较好，单向梯度陶瓷喷嘴DXPZ次之，均质陶瓷喷嘴JZPZ较差。　　研究结果表明，本文提出的梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的设计思路正确，应用效果好。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 水煤浆喷嘴的研究现状

1.2.1水煤浆喷嘴结构的研究

1.2.2水煤浆喷嘴材料的研究

1.2.3水煤浆喷嘴冲蚀磨损特性的研究

1.3 本课题的研究目的、意义及主要研究内容

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究意义

1.3.3 主要研究内容

第二章 梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的设计理论

2.1 陶瓷水煤浆喷嘴的损坏特点

2.1.1 水煤浆喷嘴的工作特性

2.1.2 陶瓷水煤浆喷嘴的损坏机制

2.2 梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的设计

2.2.1 梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的设计思路

2.2.2 梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的物理模型

2.2.3 梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴材料的选择

2.2.4梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴材料物性参数的计算

2.2.5 梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的组分分布

2.2.6 梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴总体模型的初步确定

2.3 梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴残余应力的有限元计算

2.3.1 有限元模型的建立

2.3.2 残余应力的有限元分析结果

2.4 本章小结

第三章 梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的制备及性能测试

3.1 梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的制备

3.1.1 原料处理

3.1.2 成型

3.1.3 烧结

3.2 梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴材料性能的测试

3.2.1 吸水率

3.2.2 体积密度

3.2.3 硬度

3.2.4 断裂韧性

3.3 本章小结

第四章 梯度功能陶瓷水煤浆喷嘴的试验研究

4.1 试验方法

4.1.1 试验工作原理

4.1.2 试验装置

4.1.3 试验材料

4.1.4 检测方法

4.2 试验结果与分析

4.2.1 陶瓷水煤浆喷嘴的磨损情况

4.2.2 陶瓷水煤浆喷嘴磨损后的宏观、微观特征

4.3本章小结

第五章 结论

参考文献

附录

致谢