工業(yè)爐窯輕質(zhì)隔熱耐火爐襯結(jié)合劑的研究

工業(yè)爐窯輕質(zhì)隔熱耐火爐襯結(jié)合劑的研究

耐火纖維填充技術(shù)是在20世紀(jì)80年代初開發(fā)的一種新技術(shù)，以建造工業(yè)爐的輕涂層和耐火加熱爐的結(jié)構(gòu)。該技術(shù)采用專用的纖維噴涂機(jī),將預(yù)處理的散狀耐火纖維棉和結(jié)合劑通過外部混合的方式,噴涂到爐壁表面,形成耐火保溫纖維爐襯。這種外部混合方式使纖維棉能成絮片狀附在受噴涂的壁面上,并使纖維噴涂爐襯呈三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種先進(jìn)的施工技術(shù)與其它筑爐方法相比,具有簡便、省時(shí)、高效的特點(diǎn),尤其能適應(yīng)復(fù)雜異形爐襯的施工,使整個(gè)爐襯成為無接縫、密封性好的整體結(jié)構(gòu),可根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行多層纖維復(fù)合爐襯的施工,以獲得高性能、低成本的最佳組合。纖維噴涂爐襯最大厚度可達(dá)300mm。采用該技術(shù)不僅能大幅度縮短施工周期,而且還能提高爐窯的熱效率,獲得優(yōu)良的綜合節(jié)能效果。因此,該技術(shù)自誕生以來,在工業(yè)爐窯的新建、改造和檢修工程中已得到成功的應(yīng)用和迅速推廣。由目前相關(guān)資料的報(bào)道得知,耐火纖維噴涂通常采用的結(jié)合劑是由溶膠、硅酸鹽、磷酸鹽、金屬氯化物、高嶺土或膨潤土、有機(jī)物等材料中的一種或多種材料外加水和少量添加劑構(gòu)成,實(shí)際噴涂中發(fā)現(xiàn),結(jié)合劑產(chǎn)生的常溫結(jié)合強(qiáng)度低,常溫固化時(shí)間長。在噴涂施工過程中,先后噴涂的纖維層間以及纖維層和受噴壁面之間的粘合不牢,致使噴涂層大面積脫落;同時(shí),還發(fā)現(xiàn)纖維噴涂爐襯抗氣體沖刷能力較弱,實(shí)際應(yīng)用中往往出現(xiàn)沖刷脫落現(xiàn)象。由此可見,有必要對(duì)耐火纖維噴涂用結(jié)合劑進(jìn)行研究,以改善纖維噴涂層的結(jié)合強(qiáng)度與抗沖刷能力,更有效地利用纖維噴涂爐襯的優(yōu)良性能。1結(jié)合劑技術(shù)性能要求在耐火纖維噴涂的實(shí)際施工過程中,要求纖維噴涂施工環(huán)境溫度≥5℃,首先將施工體表面清理干凈,焊接錨固件,涮上機(jī)粘合劑。噴涂時(shí),將散狀纖維棉送入噴涂機(jī),纖維棉被均勻破碎后,在輸送氣體的動(dòng)力作用下,經(jīng)噴槍內(nèi)環(huán)噴出,結(jié)合劑經(jīng)噴槍外環(huán)噴嘴呈霧狀噴射,帶有一定噴射沖力的纖維散棉與結(jié)合劑在噴槍外均勻混合后,噴涂在壁面上。以每層厚度為30～70mm進(jìn)行噴涂施工,要求噴槍不停地作螺旋式移動(dòng),進(jìn)行分區(qū)、多次噴涂,以達(dá)到噴涂層設(shè)計(jì)厚度。在達(dá)到設(shè)計(jì)厚度要求后,對(duì)纖維層表面進(jìn)行壓平和表面固化處理。由于耐火纖維優(yōu)良的吸水性,剛剛噴涂上的纖維層含水量高,因而,在噴涂過程中,根據(jù)不同的結(jié)合劑常溫結(jié)合強(qiáng)度與固化速度,在每一噴涂層達(dá)到一定的厚度時(shí),噴涂纖維層在其自重的作用下,會(huì)大面積脫落。在噴涂纖維爐襯中水分揮發(fā)后,于爐窯高溫生產(chǎn)條件下,噴涂的纖維層能否形成一個(gè)整體性好、強(qiáng)度高、不易剝落的爐襯,關(guān)鍵就在于結(jié)合劑能否將耐火纖維牢固結(jié)合。由此可見,結(jié)合劑是決定耐火纖維噴涂爐襯質(zhì)量優(yōu)劣的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)上述噴涂耐火纖維時(shí)結(jié)合劑所起的作用,可分析出對(duì)結(jié)合劑的技術(shù)性能有下列要求。首先,結(jié)合劑應(yīng)具備良好常溫結(jié)合強(qiáng)度和高溫結(jié)合強(qiáng)度,以滿足纖維噴涂的施工性能要求和爐襯的高溫抗沖刷性能要求;其次,結(jié)合劑應(yīng)能承受爐窯的工作溫度且不降低纖維耐火性能,以滿足纖維噴涂爐襯的耐高溫性能的要求;第三,結(jié)合劑應(yīng)具有良好的擴(kuò)散性能、滲透性能、浸潤性能和流動(dòng)性能,以便結(jié)合劑能均勻地分散于噴涂的纖維層內(nèi),保證纖維噴涂層的均勻性與整體性;第四,結(jié)合劑應(yīng)不腐蝕鋼板、錨固件、膠泵泵體和膠泵隔膜等,若膠泵隔膜稍有腐蝕,會(huì)大幅度地降低膠泵的揚(yáng)程,影響噴涂時(shí)結(jié)合劑的噴射壓力和結(jié)合劑霧化效果,導(dǎo)致噴涂的纖維層中結(jié)合劑分散不均勻,進(jìn)而會(huì)降低爐襯結(jié)合強(qiáng)度和整體性,縮短爐襯的使用壽命。2綜合劑的開發(fā)2.1結(jié)合劑的結(jié)合機(jī)制通常爐窯砌筑材料用的結(jié)合劑種類較多,按照其化學(xué)性質(zhì)的不同,其結(jié)合機(jī)理也不同。以下是常用結(jié)合劑的6種典型的結(jié)合機(jī)理。2.1.1基于水化反應(yīng)機(jī)理產(chǎn)生強(qiáng)度借助于常溫下結(jié)合劑與水發(fā)生水化反應(yīng),生成水化產(chǎn)物而產(chǎn)生結(jié)合作用。如水泥通過水化結(jié)合機(jī)理而產(chǎn)生強(qiáng)度。水化結(jié)合的結(jié)合劑在常溫下進(jìn)行水化反應(yīng)需要有一個(gè)過程,因而需要一定的凝結(jié)與硬化時(shí)間,一般初期強(qiáng)度較差。如水泥結(jié)合劑,在潮濕的條件下需要進(jìn)行一定時(shí)間的養(yǎng)護(hù)。2.1.2酸相或磷酸鹽類促凝劑強(qiáng)化推動(dòng)凝劑的制備借助于結(jié)合劑與促凝劑,在常溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或加熱時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成具有結(jié)合作用的化合物,進(jìn)而產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合。由于結(jié)合劑與促凝劑的化學(xué)反應(yīng)速度和相互混合接觸的擴(kuò)散速度的限制,因而形成強(qiáng)度需要一定的時(shí)間。如硅酸鈉(水玻璃),加氟硅酸鈉促凝劑時(shí),發(fā)生反應(yīng)生成水溶液SiO2·nH2O,經(jīng)脫水形成硅氧(Si-O-Si)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而產(chǎn)生較高的結(jié)合強(qiáng)度。磷酸與磷酸鹽結(jié)合劑的硬化機(jī)理則是,磷酸根離子奪取促凝劑中的金屬陽離子或銨離子等,形成具有良好膠凝性磷酸鹽、含水磷酸鹽或使生成物沉淀而凝結(jié)硬化;聚合氯化物結(jié)合劑也是在促凝劑的作用下,通過化學(xué)反應(yīng)而凝結(jié)硬化。2.1.3甲階酚醛樹脂加酸固載體催化劑借助于加催化劑或交聯(lián)劑,使結(jié)合劑發(fā)生縮聚形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生結(jié)合強(qiáng)度。如甲階酚醛樹脂加酸作催化劑或加熱時(shí)通過縮聚反應(yīng)而產(chǎn)生較好的結(jié)合強(qiáng)度。同樣,縮聚結(jié)合也需要一定的時(shí)間。又如,在加熱條件下,線型酚醛樹脂加甲基四胺通過交聯(lián)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生縮聚結(jié)合。2.1.4納米結(jié)合劑的制備方法借助于如下數(shù)種物理作用之一或幾種作用疊加而產(chǎn)生結(jié)合。其一是吸附作用,包括物理吸附和化學(xué)吸附,依靠分子間的相互作用力-范德華力而產(chǎn)生結(jié)合。其二是擴(kuò)散作用,即在物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)的作用下,結(jié)合劑與被結(jié)合物的分子發(fā)生相互擴(kuò)散作用,在界面上形成擴(kuò)散層,從而形成牢固結(jié)合。其三是靜電作用,即結(jié)合劑與被結(jié)合物的界面存在雙電層,由雙電層的靜電引力作用而產(chǎn)生結(jié)合。因而,能迅速形成結(jié)合,并隨著結(jié)合劑中溶劑的蒸發(fā),結(jié)合強(qiáng)度不斷增強(qiáng)。產(chǎn)生粘附結(jié)合的粘合劑多為有機(jī)結(jié)合劑,其中有的是暫時(shí)性結(jié)合劑(即在常溫下或低溫下起粘結(jié)作用,經(jīng)中溫或高溫后會(huì)燃燒掉),如糊精、羥甲基纖維素、環(huán)氧樹脂、紙漿廢液、淀粉等;有的為永久性結(jié)合劑,經(jīng)中高溫后,除部分揮發(fā)物分解揮發(fā)外,其余的成分會(huì)碳化形成碳結(jié)合,如瀝青、焦油、酚醛樹脂等。此外,還有一些永久性無機(jī)結(jié)合劑具有粘附作用,如水玻璃、硅溶膠、磷酸二氫鋁、粘土、膨潤土等。2.1.5電解質(zhì)液對(duì)雙電層凝聚性的影響依靠加入凝聚劑(主要為有機(jī)高分子物質(zhì),可分為陽離子、陰離子和非離子三種類型)使微粉(膠體粒子)發(fā)生凝聚而產(chǎn)生結(jié)合。由于膠體質(zhì)點(diǎn)之間存在范德華力,當(dāng)質(zhì)點(diǎn)相互接近時(shí),因雙電層的重疊而產(chǎn)生排斥力,膠體的穩(wěn)定性與凝聚性則取決于質(zhì)點(diǎn)之間的吸引力和排斥力的相對(duì)大小。要使微粒發(fā)生凝聚,就必須克服雙電層重疊時(shí)產(chǎn)生的排斥力。加入電解質(zhì)后,會(huì)使更多的反離子進(jìn)入雙電層中的擴(kuò)散層,起到電性中和的作用,使擴(kuò)散層厚度變薄,排斥力下降。當(dāng)擴(kuò)散層變薄(壓縮)到與緊密層疊合時(shí),ζ電位為零,膠體粒子會(huì)發(fā)生快速凝聚。因而,該種結(jié)合在凝聚劑種類和用量適當(dāng)?shù)臈l件下可迅速形成結(jié)合強(qiáng)度,因此,也會(huì)帶來施工困難的問題。如氧化物超細(xì)粉、粘土、膨潤土等加分散劑和遲效促凝劑的結(jié)合體系。2.1.6低液相溫度陶瓷結(jié)合也就是燒結(jié)結(jié)合,即在爐窯的砌筑材料中加入可降低燒結(jié)溫度的助劑或金屬粉末,大大降低液相出現(xiàn)溫度,促進(jìn)低溫下固-液反應(yīng)而產(chǎn)生低、中溫?zé)Y(jié)結(jié)合。一般所使用的燒結(jié)助劑是在500～1000℃的低溫下,首先產(chǎn)生粘性液相將材料粘結(jié)在一起,隨后隨著溫度的提高,依靠液-固之間的高溫化學(xué)反應(yīng),生成具有更高熔融溫度的結(jié)合相而產(chǎn)生堅(jiān)固的結(jié)合,如耐火燒成磚的結(jié)合。2.2結(jié)合劑對(duì)纖維噴涂層性能的影響根據(jù)耐火纖維噴涂常用結(jié)合劑的組成,不難看出,涉及的結(jié)合劑種類有無機(jī)結(jié)合劑和有機(jī)結(jié)合劑兩大類,既有一種結(jié)合劑組成,也有多種結(jié)合劑混合組成的復(fù)合結(jié)合劑;結(jié)合機(jī)理有化學(xué)結(jié)合、粘附結(jié)合、凝聚結(jié)合、陶瓷結(jié)合等。針對(duì)纖維噴涂過程中存在的問題,根據(jù)不同的結(jié)合機(jī)理及其特點(diǎn),從改善結(jié)合劑常溫與高溫結(jié)合性能的角度出發(fā),認(rèn)為結(jié)合劑應(yīng)由有機(jī)粘附結(jié)合劑、無機(jī)化學(xué)結(jié)合劑、氧化物微粉凝聚結(jié)合劑、分散劑等復(fù)合構(gòu)成。通過有機(jī)結(jié)合劑的粘附結(jié)合為纖維噴涂層提供初始結(jié)合強(qiáng)度;通過無機(jī)鹽結(jié)合劑的化學(xué)結(jié)合來改善纖維層的常溫強(qiáng)度,提供中溫和高溫強(qiáng)度;通過活性氧化物微粉的凝聚結(jié)合進(jìn)一步提高纖維層的常溫強(qiáng)度、中溫強(qiáng)度與高溫強(qiáng)度,降低結(jié)合劑中有害成分對(duì)纖維層耐高溫性能的影響;在纖維層壓平整理過程中,微粉隨著結(jié)合劑的外溢而逐漸沉積,在高溫使用條件下進(jìn)行燒結(jié),形成密度,從里向外不斷增強(qiáng)纖維爐襯,可大幅度地改善纖維爐襯的抗高溫沖蝕性能,延緩爐襯纖維的結(jié)晶粉化進(jìn)程,達(dá)到延長纖維爐襯的使用壽命。2.3結(jié)合劑的原材料選擇按照上述結(jié)合劑的構(gòu)成分析,根據(jù)不同的有機(jī)與無機(jī)結(jié)合劑的性質(zhì)與化學(xué)成分,針對(duì)不同的使用溫度條件和纖維層的表面性能要求,考慮到原材料來源廣、價(jià)廉、易于購買的要求,對(duì)結(jié)合劑的原材料進(jìn)行了選擇分析。2.3.1微粉結(jié)合劑選擇對(duì)于1000℃以下的使用條件,選擇模數(shù)為2.9、密度為1.38g/㎝3水玻璃為結(jié)合劑的主要成分,氟硅酸鈉為促凝劑,考慮到許多常用的有機(jī)結(jié)合劑對(duì)水玻璃的促凝作用,選擇黃糊精為有機(jī)結(jié)合劑,選擇三聚氰胺為分散劑。根據(jù)纖維噴涂層表面性能要求的不同來選擇氧化物微粉凝聚結(jié)合劑。當(dāng)表面有高輻射性能要求時(shí),可選擇Cr2O3微粉、穩(wěn)定氧化鋯微粉或其它輻射性能優(yōu)良的微粉為凝聚結(jié)合劑;當(dāng)表面有反輻射性能要求時(shí),可選擇氧化鈦微粉為凝聚結(jié)合劑;當(dāng)表面沒有特殊要求時(shí),可選擇硅微粉、氧化鋁微粉為凝聚結(jié)合劑?？紤]到有機(jī)結(jié)合劑的防腐要求,還應(yīng)添加微量的防腐劑。按照上述選擇的原材料進(jìn)行了結(jié)合劑的配方設(shè)計(jì),并在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了結(jié)合劑的配制工藝、結(jié)合性能與配方調(diào)整等實(shí)驗(yàn)研究工作,通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,確定結(jié)合劑配方,表1所列為1000℃以下使用的結(jié)合劑配比。2.3.2施工用納米藥劑和有機(jī)物微粉結(jié)合劑的選擇在1000～1350℃下的使用條件下,選擇SiO2濃度為29%硅溶膠為結(jié)合劑的主要成分,氯化鋁為促凝劑;考慮到許多常用的有機(jī)結(jié)合劑對(duì)硅溶膠的促凝作用,選擇黃糊精為有機(jī)結(jié)合劑,選擇三聚氰胺為分散劑。根據(jù)纖維噴涂層表面性能要求的不同來選擇氧化物微粉凝聚結(jié)合劑,具體要求如上所述。此外,考慮到有機(jī)結(jié)合劑的防腐要求,還應(yīng)添加適量的防腐劑。按照上述選擇的原材料,對(duì)結(jié)合劑的配方進(jìn)行了設(shè)計(jì),并在實(shí)驗(yàn)室條件下,對(duì)結(jié)合劑的配制工藝、結(jié)合性能和配方調(diào)整等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,確定結(jié)合劑配方,表2為1000～1350℃下使用的結(jié)合劑配比。2.3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析分別采用預(yù)處理的硅酸鋁、含鋯纖維棉和研制的結(jié)合劑在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了40mm×40mm×160mm試樣成型與實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與原結(jié)合劑相比,研制的結(jié)合劑試樣硬化時(shí)間明顯縮短,結(jié)合強(qiáng)度大幅度提高,硬化后試樣表面有微粉沉積層,且1000℃×3h燒后收縮率明顯減小,燒后表層具有一定的陶瓷結(jié)合特征,氣孔率大幅度降低,延緩了纖維的晶粒長大速度和粉化速度,改善了纖維層的高溫抗氣流沖刷性能,但試樣密度有所提高,不利于纖維爐襯的保溫性能要求。3一般配方的應(yīng)用3.1全纖維爐襯的研制根據(jù)武鋼軋輥有限公司高溫?zé)崽幚砘鹧鏍t的設(shè)計(jì)要求,該熱處理爐為全纖維爐襯,最高熱處理溫度為1300℃,臺(tái)車面積為20m2,爐子容積為40m2,以高焦混合煤氣為燃料,通過爐子下部兩側(cè)對(duì)面均勻布置的多個(gè)高速燒嘴對(duì)爐子進(jìn)行加熱,主要用于高鉻鑄輥的熱處理。為了保證纖維爐襯的整體性,要求采用纖維噴涂進(jìn)行爐襯施工?；谘兄频慕Y(jié)合劑性能,考慮到全纖維爐襯的輕質(zhì)保溫性能和成本化爐襯結(jié)構(gòu)的要求,通過與設(shè)計(jì)單位和產(chǎn)權(quán)單位的共同協(xié)商,決定采用表2所列的結(jié)合劑和含鋯纖維噴涂爐襯高溫側(cè)140mm纖維層,同時(shí),還希望能提高爐襯的表面輻射性能。經(jīng)過兩周的時(shí)間,完成了高溫?zé)崽幚頎t全纖維噴涂爐襯的施工,并投入生產(chǎn)使用。實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果表明,爐墻保溫性能優(yōu)良,升溫速度快,達(dá)到了預(yù)期的節(jié)能效果;與常規(guī)的高溫?zé)崽幚頎t相比,節(jié)能率可達(dá)30%以上。經(jīng)過2年多的實(shí)際生產(chǎn)使用后觀察,發(fā)現(xiàn)爐襯表面光滑、平整,色澤均勻,說明研制的粘結(jié)劑能提高爐襯表面的結(jié)合強(qiáng)度,改善了纖維爐襯的表面抗沖刷能力,達(dá)到了延長使用壽命的目的;同時(shí),也改善了纖維爐襯表面的紅外輻射性能,提高爐壁黑度,強(qiáng)化了爐內(nèi)輻射傳熱,收到了良好的節(jié)能效果。3.2爐襯噴涂工藝武鋼機(jī)械制造公司650℃臺(tái)車式熱處理爐用于鍛件的熱處理,爐襯原為纖維制品貼塊結(jié)構(gòu),在實(shí)際應(yīng)用中,由于貼塊粘結(jié)不牢,出現(xiàn)嚴(yán)重的爐襯脫落現(xiàn)象,基于纖維噴涂爐襯優(yōu)良的整體性能,決定對(duì)熱處理爐爐襯進(jìn)行纖維噴涂施工,采用表1所列的結(jié)合劑和普通硅酸鋁纖維進(jìn)行了爐襯噴涂施工。該熱處理爐經(jīng)過2年的實(shí)際應(yīng)用,纖維噴涂層完整,未出現(xiàn)脫落破損現(xiàn)象,與傳統(tǒng)的纖維制品貼塊相比,爐襯使用壽命延長50%。經(jīng)實(shí)際測試,爐外壁溫度下降40℃,綜合節(jié)能率為6%。4微粉改性纖維噴涂材料的篩選總結(jié)耐