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碳化硼陶瓷喷嘴及其应用

责任编辑:凯发    人气:5000   发表时间:2020/3/28
一、喷嘴用途

喷嘴,英文NOZZLE,中文也称喷头、喷咀。喷嘴广泛应用于日常生活、工业生产、农业生产和军用器械中,是喷淋、喷雾、喷油、喷砂、喷涂等设备里非常关键的一个部件,起着重要的作用。


喷嘴的材质从不锈钢、塑料到碳化硅、聚四氟乙烯、PP(工程塑料)、铝合金和钨钢、陶瓷等,应用范围一般常用在汽车、电镀、表面处理、高压清洗、除尘、降温、脱硫、加湿、搅拌、园林等各个行业(图1)。

图1.各种类型材质喷嘴

二、喷嘴分类

喷嘴有很多分类标准,喷嘴分类可以按喷嘴的功能、材料、行业、形状分类。

(1)按喷嘴功能大致可分为:喷雾喷嘴,喷油喷嘴,喷砂嘴,及特殊喷嘴;


(2)按材料分类,可分为:金属喷嘴,塑料喷嘴,合金喷嘴,陶瓷喷嘴;


(3)按行业分类,可分为:石化喷嘴,农业喷嘴,纺织喷嘴,造纸喷嘴,印刷喷嘴,环保(脱硫、脱硝、脱氮、除尘等)喷嘴,喷涂喷嘴,钢铁冶金喷嘴,电子喷嘴,食品喷嘴;


(4)按形状分类,可分为空心锥喷嘴,实心锥喷嘴,方形喷嘴,矩形喷嘴,椭圆形喷嘴,扇形喷嘴,柱流(直流)喷嘴,二流体喷嘴,多流体喷嘴等等。


选用喷嘴的因素有流量、压力、喷雾角度、覆盖范围、冲击力、温度、材质、应用等,而这些因素之间往往相互牵连、相互制约。喷嘴的性能优劣与制造喷嘴的材料、工艺、技术等都有关系,但在某些需要耐高温耐腐蚀等特殊环境中,对喷嘴的材料性能要求就极高。


三、各种材质喷嘴

各种材质喷嘴主要包括:金属喷嘴、塑料喷嘴、合金喷嘴,陶瓷喷嘴等等(图2)。

图2.各种材质喷嘴

(1)金属喷嘴在工业喷嘴的领域中占有重要的地位,在工业中应用也极其广泛。金属喷嘴在喷嘴市场中占有比较大的份额。国内生产喷嘴的厂家日益增多,但国内的技术远远不足国外技术,大部分还是采用进口喷嘴等。金属喷嘴由于硬度过坚硬,在生产中产生很大的困难。国内还需要很多机械研发这方面的人才。


(2)塑料是重要的有机合成高分子材料,应用非常广泛。塑料喷嘴质量轻,化学性稳定,不会锈蚀;耐冲击性好;具有较好的透明性和耐磨耗性;绝缘性好,导热性低;一般成型性、着色性好,加工成本低;但是塑料喷嘴耐热性差,热膨胀率大,易燃烧;尺寸稳定性差,容易变形;耐低温性差,低温下变脆,容易老化;某些塑料喷嘴易溶于溶剂。


(3)合金,是由两种或两种以上的金属与金属或非金属经一定方法所合成的具有金属特性的物质。一般通过熔合成均匀液体和凝固而得。根据组成元素的数目,可分为二元合金、三元合金和多元合金。硬质合金喷嘴的优点:耐腐蚀、使用寿命长、性能优良、性价比高、不易磨损。


(4)陶瓷喷嘴自上世纪九十年代引入中国以来,不断的改进更新。主要从外形和材料两方面改进:1)外形:陶瓷喷嘴的外形从最早的螺旋型,大体积,两匝喷雾,逐渐发展为螺旋型,涡流型,小体积。2)材料:材料也从氧化物陶瓷逐渐发展到氮化物陶瓷和碳化物陶瓷。


陶瓷喷嘴主要包括以下材料喷嘴:

(a)氧化物陶瓷喷嘴

氧化物陶瓷喷嘴(指氧化铝和氧化锆材料)(图3)。由于氧化物陶瓷喷嘴性能不及氮化物陶瓷喷嘴和碳化物陶瓷喷嘴,已经逐渐被淘汰。市场主流产品氮化物陶瓷喷嘴和碳化物陶瓷喷嘴。

图3.氧化物陶瓷喷嘴


(b)氮化物陶瓷喷嘴

氮化物陶瓷喷嘴(指氮化硅结合碳化硅材料),其优点是硬度很高,耐磨性强,有利有弊,材料过硬不能做螺旋喷嘴。


(c)碳化物陶瓷喷嘴

碳化物陶瓷喷嘴(指碳化硅,碳化硼材料),碳化物陶瓷具有耐高温、抗氧化、高强度、耐极冷极热、抗热震性好等特性,因此碳化物喷嘴优点是硬度高,延展性好,即可做螺旋喷嘴,亦可做涡流喷嘴。


其中碳化硅(SiC)陶瓷喷嘴可用于电厂脱硫方面,除去电厂烟气中的二氧化硫及一些污染气体,燃煤电厂的烟气和燃煤联合循环中燃气供燃气轮机燃用都有一项共同任务,即脱硫除硝(当然还有除尘)。电厂排出的不经脱硫除硝的烟气直接污染大气环境,而联合循环的燃气不经净化处理则会祸害燃气轮机的热端部件.其排气也会污染环境。


陶瓷喷嘴是火力发电厂、大型锅炉,脱硫除尘成套装置的关键部件。国内生产的反应烧结碳化硅脱硫除尘喷嘴,逐渐代替进口产品,同时具有高强度、高硬度、抗强烈腐蚀、剧烈磨损、耐高温等优良的性能,在恶劣的条件下有超长的使用寿命。碳化硅螺旋喷嘴是众多喷嘴中最具有特色的一种。随着连续变小的螺旋体,浆液不断经螺旋线相切和碰撞后改变方向成片状喷射成同心轴状锥体,而且液体在从进入喷嘴腔体到出口的通道内均没有受到任何阻碍。且在很低的操作压力下仍具有很高的吸收效率,获得了脱硫系统的普遍认可。


碳化硼(B4C)陶瓷喷嘴(图4)在军事火药工业中可用作制造枪炮喷嘴。碳化硼极硬又耐磨,与酸碱不起反应,耐高、低温,耐高压,密度≥2.46g/c显微硬度≥3500kgf/m,抗弯强度≥400MPa,熔点为2450℃。碳化硼喷嘴具有的以上耐磨高硬度的特点,它将逐渐取代已知的硬质合金、钨钢、氧化铝、氧化锆、氮化硅、碳化硅等材质的喷砂嘴。

图4.碳化硼陶瓷喷嘴及其结构示意图


碳化硼陶瓷喷嘴也可以用于水切割技术,水切割技术现已广泛应用到了各行各业,水刀(waterjet)利用了这种技术,让水可以像一把刀一样锋利,如何把水射流控制在可切割范围内从而完美的进行切割,这个时候喷嘴就起到了决定性的作用。高压水射流装置是以喷嘴为中心的,因为喷嘴是形成水射流的直接器件,它能达到的效果直接影响到系统的其他各个部分。不能因为关注于主设备而忽略了小的配件,往往小的配件能起到至关重要的作用。喷嘴属于水射流装置的重要元件,不但控制着水射流的切割速度还制约着系统的其他各个部件。

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