CN101525244A - 一种中密度耐磨耐火浇注料的制备方法 - Google Patents

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石干
胡书禾
张三华
王战民
曹喜营
王晓利
李少飞
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Abstract

本发明涉及一种中密度耐磨耐火浇注料的制备方法。该浇注料由质量分数为70%~81%的高玻璃相焦宝石和或低氧化铝含量的烧结莫来石(M45-2)、0%~7%的漂珠、4%~10%的氧化硅微粉、0%~6%的氧化铝微粉、5%~12%的耐火水泥和0.12%~0.20%的分散剂等原料组成。该中密度耐磨浇注料的体积密度为1.9~2.4g/cm3,具有良好的耐磨性能(常温磨损量不大于8cm3)和较低的热导率(热导率不大于0.9W/m·K,平板法,热面温度800℃),可作为循环流化床锅炉等的耐磨耐火材料使用。

Description

一种中密度耐磨耐火浇注料的制备方法
技术领域
本发明属于耐火材料领域,主要涉及一种中密度耐磨耐火浇注料的制备方法。
背景技术
通常耐磨耐火浇注料具有较强的耐磨性,使用在高磨损的窑炉衬体部位。美国专利(US4687752)介绍一种中质耐磨浇注料,该耐磨浇注料具有较低的热导率,其体积密度为1.7~2.1g/cm3、常温磨损量小于25cm3、热导率0.65~0.94W/m·K(538℃),该浇注料作为窑炉衬体的工作层,并代替了隔热层。该浇注料由30%~50%(质量分数)的合成堇青石、14%~34%煅烧高岭土或熔融氧化硅、20%~35%铝酸盐水泥以及少量硅灰等组成。另一美国专利(US4992397)介绍一种低导热率高强度的耐磨浇注料,该浇注料由32%~80%无定形氧化硅(如熔融石英)、5%~25%煅烧硅酸铝原料颗粒、5%~40%煅烧粘土粉、1%~10%流动助剂(如硅灰)、5%~25%铝酸盐水泥。上述两个专利所涉及的耐磨浇注料具有耐磨和低热导率的特点,均适应于石化工业用的窑炉,从实施例可以看到浇注料的磨损量在9~25cm3。但该浇注料的磨损量特点表明其不适合作为循环流化床锅炉等使用的高耐磨衬体。循环流化床锅炉中烟气流速大(最高可达29m/s以上),高速烟气夹带大量固体颗粒对耐火材料内衬产生强烈冲刷磨损,因此,对工作衬浇注料的耐磨性要求较高。根据黑色冶金行业标准所规定的循环流化床锅炉用耐磨耐火浇注料(YB/T 4109-2002)的磨损量要求不大于9cm3。目前循环流化床锅炉等条件下使用的耐磨耐火浇注料为高铝质、刚玉质、高铝碳化硅质、碳化硅质等,这些浇注料的体积密度和热导率较高。在隔热型旋风分离器、返料器等部位的耐火材料衬体设计为三层,其中两层为隔热层,如:耐磨浇注料(80~115mm)、隔热浇注料(125mm)、硅钙板砖(120mm),硅钙板砖外侧为结构钢壳;也有其他三层不同耐火材料的构筑方式。设计这种三层结构的耐火材料衬体是为了取得良好的隔热效果。焊接在钢壳上的锚固件(或称销钉)同时对隔热浇注料和耐磨浇注料起固定作用,这种多层结构使锚固件对耐磨浇注料固定作用减弱。由于多层耐火材料的施工,耐火材料层与层之间会产生收缩间隙。如隔热浇注料施工体含有较高水分(30%~50%),施工结束后对炉体进行加热烘烤,炉体所含水分排出,并在隔热浇注料与耐磨浇注料之间产生收缩裂缝,衬体由此产生的缺陷和应力导致耐磨材料的工作层产生裂纹,严重时会导致浇注料掉块、剥落,降低耐火材料使用寿命,影响锅炉正常运行。在循环流化床锅炉运行中,因耐火材料方面的原因造成停炉的诸多因素中,由于衬体多层结构导致施工质量降低,致使耐磨浇注料使用过程中裂缝、剥落,及隔热层损坏,是其因素之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种中密度耐磨耐火浇注料的制备方法,利用该方法制备的中密度耐磨耐火浇注料的体积密度为1.9~2.4g/cm3,具有良好耐磨性能(其常温磨损量不大于8cm3),和较低的热导率(热导率不大于0.9W/m·K,平板法,热面温度800℃),其最高使用温度为1000℃,可作为循环流化床锅炉等的耐磨耐火材料使用,同时该中密度耐磨耐火浇注料具有良好的隔热性可以替代隔热层材料。
本发明的目的采用如下技术方案来实现:
该浇注料由质量分数为70%~81%的高玻璃相焦宝石和或低氧化铝含量的烧结莫来石(M45-2)、0%~7%的漂珠、4%~10%的氧化硅微粉、0%~6%的氧化铝微粉、5%~12%的耐火水泥、0.12%~0.20%的分散剂等原料组成;施工搅拌时外加约5%~10%水,混练均匀。
本发明浇注料所采用的高玻璃相焦宝石和或低氧化铝含量的烧结莫来石(M45-2)原料的主要物相为莫来石相和玻璃相,其中玻璃相含量约40%~50%;高玻璃相焦宝石的氧化铝含量35%~45%,吸水率小于2%,体积密度2.00~2.50g/cm3;低氧化铝含量的烧结莫来石(在黑色冶金行业标准YB/T5267-2005中牌号为M45-2)的氧化铝含量为43%~48%,氧化钾含量1%~3%;原料的粒度范围0~15mm。
本发明浇注料所采用漂珠原料的氧化铝含量25%~36%,粒度20~350μm,堆积密度小于0.37g/cm3
本发明浇注料所采用氧化硅微粉原料的氧化硅含量88%~97%,平均粒度小于1μm。
本发明浇注料所采用氧化铝微粉原料的氧化铝含量大于99%,平均粒度小于5μm。
本发明浇注料所采用耐火水泥可以是纯铝酸钙水泥。纯铝酸钙水泥是指以工业氧化铝和石灰石为原料生产的铝酸钙水泥,其氧化硅、氧化铁、氧化钛等杂质含量较低。
本发明浇注料所采用分散剂为磷酸盐,如三聚磷酸钠、六偏磷酸纳。
本发明浇注料通过选择烧结良好的焦宝石原料(或低氧化铝含量的烧结莫来石)和氧化物微粉原料及合适的粒度级配,增强基质的结合强度,实现浇注料具有良好的耐磨性能。通过选择高玻璃相焦宝石和或低氧化铝含量的烧结莫来石(其氧化铝含量43%~48%,在黑色冶金行业标准YB/T5267-2005中牌号为M45-2)、及漂珠、氧化硅微粉等低热导率原料,实现对浇注料低热导率性质的控制。高玻璃相焦宝石和低氧化铝含量的烧结莫来石含有约40%~50%玻璃相;漂珠、氧化硅微粉主矿相为高氧化硅含量的无定形相;高氧化硅含量的玻璃相或无定形相的热导率较低,因而浇注料具有较低的热导率。其中漂珠的加入量增加,浇注料的体积密度、热导率降低,同时强度和耐磨性也降低;漂珠原料加入量大于7%,会大幅度降低浇注料的强度和耐磨性。因此,根据使用目的,通过调整漂珠的加入量,以调整材料的热导率和耐磨性。如用于循环流化床锅炉的隔热型旋风分离器、返料器等部位,该浇注料可不加漂珠原料,以保证浇注料具有更强的耐磨性。
耐火水泥是浇注料的结合剂,其加入量影响浇注料的强度。而浇注料的强度直接与耐磨性密切相关。耐火水泥的加入量小于5%,浇注料的强度过低,削弱材料的耐磨性,即磨损量高;而耐火水泥加入量大于12%,会降低浇注料在高温下的耐磨性。研究表明水泥结合浇注料的高温下(1000℃)的耐磨性,随水泥含量增加有降低趋势。
本发明的中密度耐磨耐火浇注料的特点是该浇注料具有良好的耐磨性和低的热导率。通常为了制备具有优良耐磨性的浇注料,则通过选择高密度、高硬度的刚玉、碳化硅、特级矾土熟料等原料实现材料的高耐磨性,但同时材料的热导率也较高。本发明通过选用低导热率的高玻璃相焦宝石、漂珠、硅微粉等低热导率原料,实现对浇注料低热导率性质的控制,同时通过选择烧结良好的焦宝石(和或低氧化铝含量的烧结莫来石)原料和氧化物微粉原料及合适的粒度级配,制备较致密的浇注料,实现浇注料具有良好的耐磨性能,尽管该中密度耐磨浇注料的耐磨性次于高铝质、刚玉质等耐磨浇注料。该中密度耐磨浇注料和高铝质、刚玉质耐磨浇注料等一起满足不同窑炉、或同一窑炉不同部位对各类耐磨浇注料的需求。
本发明的中密度耐磨耐火浇注料具有低的导热性,可以在设计窑炉衬体时(如:循环流化床锅炉的旋风分离器、返料器等部位),改变衬体结构,减薄隔热耐火材料的厚度,或取消隔热耐火材料,将衬体设计为中密度耐磨浇注料单层结构,或中密度耐磨浇注料和隔热耐火材料两层结构,使耐火材料衬体施工简便,衬体体积稳定,窑炉运行稳定性增强,耐火材料衬体费用降低。
具体实施方式
实施例1~5:
实施例1~5和对比例1~2采用焦宝石、低氧化铝含量的烧结莫来石、漂珠、氧化硅微粉、氧化铝微粉、纯铝酸钙水泥、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠等为原料。实施例和对比例采用两种焦宝石,其性能见表1。与普通焦宝石比较,高玻璃相焦宝石的K2O、Na2O杂质含量高,玻璃相含量高,体积密度较低。实施例和对比例的具体原料配比方案见表2。实施例和对比例的该浇注料制样搅拌时外加约5~10%(wt%)水。
实施例1采用高玻璃相焦宝石为主要原料,对比例1采用普通焦宝石为主要原料,比较表3中两者的性能指标表明,采用高玻璃相焦宝石为主要原料的实施例1材料具有较低的热导率,常温磨损量也较低。采用普通焦宝石为主要原料的对比例1材料具有较高的热导率。实施例1、2、3和对比例2方案都采用高玻璃相焦宝石为主要原料,漂珠的加入量分别为0%、3%、7%和10%,由表3列出浇注料的性能表明,随漂珠的加入量增加,浇注料的体积密度、耐压强度和热导率均降低,常温磨损量依次增加;漂珠的加入量为10%的对比例2试样的常温磨损量达到10.28cm3,对比例2不适合作为耐磨材料。
实施例4采用低氧化铝含量的烧结莫来石(M45-2)为主要原料,浇注料配比中的其他原料与实施例1相同(见表2);实施例5同时采用低氧化铝含量的烧结莫来石(M45-2)和高玻璃相焦宝石为主要原料。实施例4和实施例5试样的性能与采用高玻璃相焦宝石的实施例1的性能接近(见表3)。
表1 焦宝石和低氧化铝含量的烧结莫来石原料的性能
  Al2O3wt%   K2O+Na2Owt%   Fe2O3wt%   体积密度g/cm3   玻璃相wt%
  普通焦宝石   45.13   0.47   1.49   2.48   20~25
  高玻璃相焦宝石   43.16   3.07   1.02   2.41   ~50
  低氧化铝含量的烧结莫来石(M45-2)   44.67   2.24   0.98   2.53   ~50
表2 实施例和对比例浇注料的原料配比方案(wt%)
  编号   对比例1   实施例1   实施例2   实施例3   对比例2   实施例4   实施例5
  高玻璃相焦宝石   0   79   76   70   67   0   40
  普通焦宝石   79   0   0   0   0   0   0
  低氧化铝含量的烧   0   0   0   0   0   79   40
  结莫来石
  漂珠   0   0   3   7   10   0   0
  氧化硅微粉   8   8   8   8   8   8   10
  氧化铝微粉   3   3   3   3   3   3   0
  纯铝酸钙水泥   10   10   10   12   12   10   10
  三聚磷酸钠(外加)   0.10   0.10   0.10   0.10   0.10   0.10   0.12
  六偏磷酸钠(外加)   0.02   0.02   0.02   0.02   0.02   0.02   0
表3 实施例和对比例浇注料的性能指标
Figure A20091006447900091
实施例6~7:
对比例3、实施例6、实施例7和对比例4采用高玻璃相焦宝石、漂珠、氧化硅微粉、氧化铝微粉、纯铝酸钙水泥、六偏磷酸钠等为原料,其中水泥分别为3%、5%、12%、15%。实施例、对比例浇注料的原料配比方案见表4,实施例和对比例浇注料的性能指标见表5。
由表5的对比例、实施例浇注料的性能指标,对比例3加入3%的纯铝酸钙水泥,浇注料结合强度较低、常温磨损量较高;随水泥加入量增加(5%~15%),浇注料的常温强度增加,同时其高温磨损量有增加趋势;对比例4加入15%纯铝酸钙水泥的浇注料高温下的磨损量较高。
表4 实施例和对比例浇注料的原料配比方案(wt%)
  编号   对比例3   实施例6   实施例7   对比例4
  高玻璃相焦宝石   83   81   74   71
  漂珠   4   4   4   4
  氧化硅微粉   4   4   4   4
  氧化铝微粉   6   6   6   6
  纯铝酸钙水泥   3   5   12   15
  三聚磷酸钠(外加)   0.15   0.15   0.15   0.15
  六偏磷酸钠(外加)   0.05   0.05   0.05   0.05
表5 实施例和对比例浇注料的性能指标
  编号   对比例3   实施例6   实施例7   对比例4
  体积密度,g/cm3   2.08   2.10   2.12   2.11
  耐压强度,Mpa   33   42   47   51
  加热线变化率,%(1000℃×3h)   -0.31   -0.36   -0.37   -0.39
  热导率,W/MK(平板法,800℃)   0.71   0.73   0.76   0.75
  常温磨损量,cm3(1000℃×3h烧后)   8.69   7.63   7.82   7.84
  高温磨损量,cm3(1000℃)   8.34   7.59   7.96   8.93

Claims (3)

1、一种中密度耐磨耐火浇注料的制备方法,其特征在于所述浇注料由质量分数为70%~81%的高玻璃相焦宝石和或低氧化铝含量的烧结莫来石(M45-2)、0%~7%的漂珠、4%~10%的氧化硅微粉、0%~6%的氧化铝微粉、5%~12%的耐火水泥和0.12%~0.20%的分散剂等原料组成;浇注料所采用的高玻璃相焦宝石和低氧化铝含量的烧结莫来石(M45-2)原料的主要物相为莫来石相和玻璃相,其中玻璃相含量约40%~50%;高玻璃相焦宝石的氧化铝含量35%~45%,吸水率小于2%,体积密度2.00~2.50g/cm3;低氧化铝含量的烧结莫来石(M45-2)的氧化铝含量为43%~48%,氧化钾含量1%~3%;原料的粒度范围0~15mm;所采用漂珠原料的氧化铝含量25%~36%,粒度20~350μm,堆积密度小于0.37g/cm3;所采用氧化硅微粉原料的氧化硅含量88~97%,平均粒度小于1μm。所采用氧化铝微粉原料的氧化铝含量大于99%,平均粒度小于5μm。
2、根据权利要求1所述的一种中密度耐磨耐火浇注料的制备方法,其特征在于:所采用耐火水泥为纯铝酸钙水泥。
3、根据权利要求1所述的一种中密度耐磨耐火浇注料的制备方法,其特征在于:所采用的分散剂为磷酸盐,进一步具体为三聚磷酸钠、六偏磷酸纳中的一种或二者的组合。
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