CN110759740A - 一种焦炉保护板与炉门框之间腔体密封填充料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新型的无机‑无机复合浆料，所述无机‑无机复合浆料包括以下质量比的原料，基体材料:填料:分散相添加剂为1～1.6:1.2～2.3:0.003～0.03；所述基体材料为纳米级硅溶胶，所述填料选自氧化铝、二氧化硅、耐火泥及滑石粉的一种或几种，所述分散相添加剂选自硅烷偶联剂、纤维素类物质中的一种或几种。通过注浆方式将所述无机‑无机复合浆料填充焦炉保护板与炉门框之间的腔体，能够提高焦炉保护板与炉门框之间的密封程度，降低炉门框冒烟和无组织排放，改善焦炉环境，同时起到缓冲焦炉机车摘挂炉门时对炉墙的撞击力作用。

Description

一种焦炉保护板与炉门框之间腔体密封填充料
技术领域
本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种新型无机-无机复合浆料，其制备方法及其应用。
背景技术
炼焦过程中煤在炭化室内隔绝空气被加热，经历干燥脱水、热裂解、半焦化和焦化，整个干馏过程都伴有荒煤气的产生，尤其在干馏的前期和中期荒煤气的发生量较大。炼焦干馏过程中，如果焦炉炉体炭化室区域不严密，将造成荒煤气溢散，即日常生产过程中所说的焦炉炉体冒烟，不仅造成产品损失，还严重影响焦炉环境，造成污染。
焦炉由硅砖和粘土砖等耐火材料采用硅火泥砌筑而成，为保证焦炉炉体严密和完整性，采用钢柱、保护板、纵横拉条和大小弹簧等护炉铁件对炉体进行保护性加固。炉体外侧分别是保护板、钢柱和大弹簧。焦炉炉门是指启闭焦炉炭化室两端炉口的焦炉附属设备，当炉门关闭时，炭化室与大气隔绝，便于炭化室内煤被干馏成焦炭；打开时，推焦杆得以推出焦炭。为了便于炉门能挂在炭化室炉口，炉口位置设有炉门框，采用勾脚螺栓固定在保护板上。
为避免焦炉机车摘取炉门时对焦炉炉墙造成冲击而损坏炉墙，在保护板与炉门框之间留有约10mm的空腔，空腔内侧与外侧均填有20mm的陶瓷纤维绳，起到密封与缓冲焦炉机车摘挂炉门时对炉墙的撞击力。
因焦炉炉门框与保护板空腔部位温度可达600-800℃，当焦炉运行15年以上，长期的高温、较大的机械压力和振动以及石墨和焦油沉积等原因，使该部位填充的陶瓷纤维绳发生严重损坏，表现形式：(1)被烧损或粉化造成缺失；(2)结满石墨或焦油，形成硬块。陶瓷纤维绳的严重损坏，造成炉门框与保护板之间出现较大空洞，使其密封性能下降，因而易造成荒煤气通过保护板与炉门框之间的空腔溢出，造成炉门框冒烟。
关于耐高温密封材料国内外百花齐放，但大多都是有机树脂为主，在无机填料方面仍旧是个空白。
英国Laty国际公司研制的Hephaistos密封材料，用氧化铝与二氧化硅纤维制造，具有很好的化学稳定性，不易被侵蚀；抗热冲击和抗振的性能好，可承受1260℃的高温。但该种产品用于替代传统石棉纤维，为固体纤维材料，不适合焦炉保护板与炉门框之间腔体灌浆使用。
北京航空材料研究院以有机硅树脂为基料,把铝粉与云母粉作为填料，制备出了耐500℃高温的密封材料，该材料在经过500℃×36h的老化实验后，其密封压力≥1.0MPa；以有机硅树脂为基料,云母粉、滑石粉、硅微粒、氧化铝为填料制备了耐800℃高温的密封材料，该材料经800℃×36h老化后，其密封压力≥2.5MPa。但该种材料属于溶剂型材料，高温后一方面溶剂挥发，另一方面发生炭化，因此高温后固体的残余率低，且价格较贵，成本较高。
焦炉目前使用的耐材浆料和密封料主要有硅火泥、粘土火泥以及陶瓷纤维粉、硅藻土粉等，基本都是通过抹补方式施工，粘土火泥为主的灌浆料，流动性差，且高温烧结之后易板结开裂。
发明内容
针对炉门框冒烟的原理以及该部位的环境特征，本发明提供了一种新型无机-无机复合浆料，主要用于填充焦炉保护板与炉门框之间的腔体，提高焦炉保护板与炉门框之间的密封程度，同时起到缓冲焦炉机车摘挂炉门时对炉墙的撞击力作用。因此，用于该部位的填充料，必须具有自烧结、自膨胀、耐高温、多孔状、多弹性等功能特征。
所述无机-无机复合浆料包括以下质量比的原料，基体材料:填料:分散相添加剂为(1～1.6):(1.2～2.3):(0.003～0.03)；进一步优选为1:(1.2-2.0):(0.008-0.012)；
所述基体材料为纳米级硅溶胶，
所述填料选自氧化铝、二氧化硅、耐火泥及滑石粉的一种或几种，
所述分散相添加剂选自硅烷偶联剂、纤维素类物质中的一种或几种。
所述硅烷偶联剂选自乙烯基三乙氧基硅烷(A151)、乙烯基三甲氧基硅烷(A171)、乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷(A172)中的一种或几种；
所述填料选自亚微米级和超微米级的氧化铝、亚微米级和超微米级的二氧化硅、耐火泥及亚微米级和超微米级的滑石粉的一种或几种；
所述纤维素类物质选自甲基纤维素、乙基纤维素、羟甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素或羧甲基纤维素中的一种或几种；进一步优选为羟乙基纤维素或羧甲基纤维素；
优选地，所述纳米级硅溶胶中SiO2的含量为20wt.％～40wt.％，
优选地，所述纳米级硅溶胶的pH值为8.5～10.5，
优选地，所述纳米级硅溶胶的固体颗粒物平均粒径为0.150～0.180μm，
优选地，所述纳米级硅溶胶粒径范围在0.04～39.81μm。
优选地，所述填料为氧化铝、二氧化硅和滑石粉的混合物，进一步优选地，所述氧化铝、二氧化硅粉和滑石粉的质量比为(10～12):(4～8):(1～3)；
优选地，所述分散相添加剂为硅烷偶联剂和纤维素类物质的混合物，其中，硅烷偶联剂和纤维素类物质的质量比为1:(0.25～0.60)。
所述的新型无机-无机复合浆料，灌入焦炉保护板与炉门框之间的空腔，具有自烧结、自膨胀、耐高温、多孔状、多弹性等功能特征。
本发明另一方面提供了制备所述无机-无机复合浆料的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)按配方比例称取原料，将分散相添加剂加入到基体材料中；
(2)将填料加入步骤(1)所得材料中，边加入边搅拌，得无机-无机复合浆料。
优选地，步骤(1)中，当分散相添加剂为纤维素类物质时，先将其配成纤维素类物质的水溶液，再加入到基体材料中；
所述水溶液的中纤维素类物质的总质量分数为10wt.％。
本发明另一方面提供了所述无机-无机复合浆料的应用，所述应用为通过注浆方式将所述无机-无机复合浆料填充焦炉保护板与炉门框之间的腔体。
有益效果
本发明专利涉及的焦炉新型密封材料，为一种流动性较好、固含量较高的新型无机-无机复合浆料，在700-800℃高温环境下，具有自烧结、自膨胀、耐高温、多孔状、多弹性等功能特征。通过注浆方式填充焦炉保护板与炉门框之间的腔体，可以提高焦炉保护板与炉门框之间的密封程度，降低炉门框冒烟和无组织排放，改善焦炉环境，同时起到缓冲焦炉机车摘挂炉门时对炉墙的撞击力作用。
具体实施方式
实施例1无机-无机复合浆料的配方选择
(1)基体材料的选择
因发明涉及的材料应用于焦炉保护板与炉门框之间空腔环境决定，选定的基体材料需要较好的流动性和分散性，化学性质稳定，不轻易反应，同时耐高温和灼烧，所以本发明选择了以纳米级硅溶胶作为基体材料。
所选择纳米级硅溶胶中，SiO2的含量为20wt.％～40wt.％，保证硅溶胶受热而水份蒸发后，胶体粒子形成多孔状物质，并牢固地附着在物体表面，粒子间形成硅氧结合，是很好的粘合剂；熔点低于1000℃，具有低温自烧结特性；以氢氧化钠调节其pH值，pH值控制为8.5～10.5，具体性能指标如表1。
表1硅溶胶性能要求
Figure BDA0001746621730000041
(2)填料的选择
为了保证以纳米级硅溶胶作为基体材料的浆料在添加填料之后的流动性好，不易沉降，抗龟裂性、稳定性、分散性、填料与基体材料两相融合性好，以及高温下固体残留量高，并且能形成均匀分布的多孔材料等特性，选择氧化铝、二氧化硅粉及纤维状滑石粉作为填料。
氧化铝可以很大量的加入，很大程度上提高了固体的残余率和抗龟裂性，氧化铝和硅溶胶中的二氧化硅形成Al2O3·nSiO2，填充在分子之间，起到提高材料连接性的作用；片状滑石粉颗粒添加硅溶胶中，容易分散在硅溶胶溶液内，两相融合好，不分层，可以提高浆料的流动性，片状和纤维状滑石粉都可以基本满足浆料的需求，而实验证明选择纤维状滑石粉，还可以使浆料在受高温自烧结时，提高固体残留物的密实性和整体性；二氧化硅粉的添加，可以提高被灌入保护板和炉门框之间空腔的浆料与陶瓷纤维绳之间的结合能力。本发明专利涉及的密封料，其所选填料中的的氧化铝、二氧化硅粉和滑石粉重量比及性质如表2所示。
表2所选填料成份及性能
Figure BDA0001746621730000051
选择亚微米级和超微米级的填料，可以保证填料与基体材料之间的两相融合，不分层，无沉淀，分散性好，同时可以提供大的比表面积，有利于高温自烧结和形成多孔状具有弹性的材料。
(3)分散相添加剂的选择
在浆料中添加分散添加剂，主要目的是促进浆料中硅溶胶和填料能均匀混合，不分层，不沉降，有较好的稳定性。因此，所添加的分散相添加剂，要求可以磨碎成颗粒级的粉末状，具有好的分散性，耐高温和阻燃性，且化学性质稳定。
本发明专利采用硅烷偶联剂和纤维素类物质作为分散相添加剂。硅烷偶联剂可改变SiO2和Al2O3表面的官能团界面特性，有利于填料在基体材料中的分散，且对所得浆料的流动性影响较小；硅烷偶联剂选自乙烯基三乙氧基硅烷(A151)、乙烯基三甲氧基硅烷(A171)、乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷(A172)中的一种或几种；纤维素类物质作为分散相添加剂，除可以提高所得浆料的稳定性之外，对流动性也有所影响。因此，两种分散相添加剂的硅烷偶联剂:纤维素类物质的重量比例为1:(0.25-0.60)。因此，所述无机-无机复合浆料配方如表3所示。
表3本发明涉及的新型焦炉密封料配方
Figure BDA0001746621730000052
实施例2无机-无机复合浆料的制备方法
(1)以纳米级硅溶胶(惠尔特科技公司硅溶胶HS-830)作为基体材料，其中SiO2的含量为30wt.％，pH值为9.5，称取4kg。
(2)取羟乙基纤维素0.026kg，配成10wt.％的水溶液，与0.054kg硅烷偶联剂A172一起加入步骤(1)的硅溶胶中，混合均匀；
(3)取3.6kg粒度为3000目的氧化铝粉、1.7kg粒度为3000目的二氧化硅粉和0.6kg粒度为10000目的纤维状滑石粉，配制成填料，混合均匀后加入步骤(2)的已添加分散相添加剂的硅溶胶中，边加入边搅拌，保证填料在硅溶胶中混合均匀，得无机-无机复合浆料。
实施例3无机-无机复合浆料的使用方法
(1)使用设备
采用压力注浆装备，可借用目前的涂料喷涂作业装备，具体注浆过程示意如下。
涂料喷涂作业装备为购自无锡市普田特种喷涂设备有限公司的普特putter2000L，压力：0.1-0.5MPa；流量：20-200升/h；储罐容积：1-10升。
喷嘴为一根L型外径7-8mm、内径6-7mm圆管，喷嘴口加工成椭圆状，短直径为5-6mm。
(2)焦炉现场注浆方法
①选中需进行保护板和炉门框之间空腔灌浆的炭化室，待推完焦之后，留空炉。
②摘开炉门，以隔热棉自上而下挂在炉口，保护板和炉门框之间缝隙要保证露在隔热棉外侧，便于注浆施工。
③沿炭化室高向，用切割机沿保护板和炉门框之间缝隙分别切开两个注浆口，上部注浆口在炉门框顶角位置，下部注浆口在炉门框中部位置，切口长度约10cm，开口深度要确保里面的陶瓷纤维绳被切开。
④将实施例2制备的无机-无机复合浆料装入注浆机，连接上喷嘴。
⑤注浆顺序是，要先注炉门框下部，下部注满之后再注上部，即先对炉门框中部位置的那个注浆口进行注浆作业，再对炉门框顶角位置的注浆口进行注浆作业。
⑥开始注浆作业时，先将“L”型喷嘴短直角边伸入注浆口，喷嘴口向下，再启动注浆机，注浆压力控制在0.1-0.3MPa。
⑦对每个部位前后要进行3次注浆作业，两次注浆作业之间的时间间隔控制为3-5分钟；每次注浆作业结束的标志是注浆口处浆液出现往外溢流。
⑧停止注浆操作顺序是，先停注浆机，再从注浆口取出喷嘴。
⑨对一个部位3次注浆作业全部结束之后，切割一段长度约10cm，直径为20mm的陶瓷纤维绳，蘸上含有水玻璃的泥浆料，再塞入注浆口，填充在原陶瓷纤维绳的密封位置；之后沿保护板和炉门框之间缝隙，在新塞入陶瓷纤维绳的部位抹上相应火泥。
测试例
对按照实施例2中方法制备的无机-无机复合浆料按照GB/T 1725-2007涂料固体含量测定法测量了固含量，按照GB/T 10247-2008粘度测量方法测试了运动粘度，以及其他性能也进行了测试，测试结果见表4。
表4无机-无机复合浆料的性能
项目 指标 实施例2
外观 乳白色 乳白色
固含量(wt.％) 60-80 70
运动粘度(mm<sup>2</sup>/s) 1500-1800 1600
pH值(酸碱度) 8.0-9.5 9.5
机械稳定性 静置72小时，无明显沉淀 静置72小时，无明显沉淀
化学稳定性 300℃以下无物质分解反应 300℃以下无物质分解反应
使用温度℃ ≤800 ≤800
悬浊液粒度 0.04～250微米 0.04～250微米
以实施例2制备的无机-无机复合浆料为例，制备的无机-无机复合浆料可见展现出良好的性能，在700-800℃高温环境下，具有自烧结、自膨胀、耐高温、多孔状、多弹性等功能特征。

Claims (10)

1.一种无机-无机复合浆料，其特征在于，所述无机-无机复合浆料包括以下质量比的原料，基体材料:填料:分散相添加剂为(1～1.6):(1.2～2.3):(0.003～0.03)；
所述基体材料为纳米级硅溶胶，
所述填料选自氧化铝、二氧化硅、耐火泥及滑石粉的一种或几种，
所述分散相添加剂选自硅烷偶联剂、纤维素类物质中的一种或几种。
2.如权利要求1所述的无机-无机复合浆料，其特征在于，
所述硅烷偶联剂选自乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的无机-无机复合浆料，其特征在于，所述纤维素类物质选自甲基纤维素、乙基纤维素、羟甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素或羧甲基纤维素中的一种或几种。
4.如权利要求3所述的无机-无机复合浆料，其特征在于，所述纤维素类物质为羟乙基纤维素或羧甲基纤维素。
5.如权利要求1所述的无机-无机复合浆料，其特征在于，所述填料为氧化铝、二氧化硅和滑石粉的混合物。
6.如权利要求5所述的无机-无机复合浆料，其特征在于，所述氧化铝、二氧化硅粉和滑石粉的质量比为(10～12):(4～8):(1～3)。
7.如权利要求1所述的无机-无机复合浆料，其特征在于，所述分散相添加剂为硅烷偶联剂和纤维素类物质的混合物，其中，硅烷偶联剂和纤维素类物质的质量比为1:(0.25～0.60)。
8.如权利要求1所述的无机-无机复合浆料，其特征在于，所述纳米级硅溶胶中SiO2的含量为20wt.％～40wt.％。
9.一种制备如权利要求1～8中任一项所述的无机-无机复合浆料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)按配方比例称取原料，将分散相添加剂加入到基体材料中；
(2)将填料加入步骤(1)所得材料中，边加入边搅拌，得无机-无机复合浆料。
10.一种如权利要求1～8中任一项所述无机-无机复合浆料的应用，所述应用为通过注浆方式将所述无机-无机复合浆料填充焦炉保护板与炉门框之间的腔体。
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