高性能輕質澆注料的原理與實踐

1、高性能輕質澆注料的原理與實踐高性能輕質澆注料的原理與實踐 河南科技大學高溫材料研究院河南科技大學高溫材料研究院 主要內容主要內容 u輕質原料的實現原理 u高性能輕質原料的制備 u高性能輕質澆注料的實踐 傳統(tǒng)窯爐熱量的有效利用率傳統(tǒng)窯爐熱量的有效利用率 大部門工業(yè)熱工設備的熱量有效利用率很低，據大部門工業(yè)熱工設備的熱量有效利用率很低，據 資料統(tǒng)計，波動于以下范圍：資料統(tǒng)計，波動于以下范圍： 高爐高爐 25-27% 加熱爐加熱爐 21-36% 陶瓷工業(yè)爐陶瓷工業(yè)爐 16-37% 蒸汽鍋爐蒸汽鍋爐 60-80% 工業(yè)窯爐熱量消耗工業(yè)窯爐熱量消耗 u排出廢氣時的損失排出廢氣時的損失 u爐膛及燃燒室墻壁

2、蓄熱所產生的損失爐膛及燃燒室墻壁蓄熱所產生的損失 u窯爐及燃燒室墻壁輻射所產生的損失窯爐及燃燒室墻壁輻射所產生的損失 其中后兩項一般占燃燒消耗總量的其中后兩項一般占燃燒消耗總量的24-45% 排出廢氣所產生的熱量損失不取決于耐火材料，排出廢氣所產生的熱量損失不取決于耐火材料， 故我們的研發(fā)應重點關注傳熱、蓄熱及熱輻射所生故我們的研發(fā)應重點關注傳熱、蓄熱及熱輻射所生 產的損失，而這在很大程度上取決于窯爐及燃燒室產的損失，而這在很大程度上取決于窯爐及燃燒室 的結構和襯材。的結構和襯材。 可減少蓄熱及輻射熱損失的措施可減少蓄熱及輻射熱損失的措施 n降低砌體用材料的熱容量及導熱率降低砌體用材料的熱容量

3、及導熱率 Q=mc t mQ n縮小爐墻、爐頂及爐門等砌體的體積和表面積縮小爐墻、爐頂及爐門等砌體的體積和表面積 若采用隔熱耐火材料作窯爐及燃燒室墻壁內襯，若采用隔熱耐火材料作窯爐及燃燒室墻壁內襯， 將會顯著減少熱損失，表現在：將會顯著減少熱損失，表現在： 1、可縮短窯爐及燃燒室的加熱時間；、可縮短窯爐及燃燒室的加熱時間； 2、可把砌體的厚度減少，從而減少蓄熱；、可把砌體的厚度減少，從而減少蓄熱； 3、可減少傳到散熱。、可減少傳到散熱。 輕質耐材的性能及優(yōu)點輕質耐材的性能及優(yōu)點 u容重低、氣孔率高容重低、氣孔率高 u導熱小、隔熱性好導熱小、隔熱性好 u熱容小、蓄熱少熱容小、蓄熱少 u用于窯爐隔

4、熱層甚至工作層，可減輕爐體重量用于窯爐隔熱層甚至工作層，可減輕爐體重量 原料輕質化如何實現？原料輕質化如何實現？ 輕質原料的制備原理有多種：輕質原料的制備原理有多種： u天然多孔物料天然多孔物料 如硅藻土、天然陶粒如硅藻土、天然陶粒 u 添加燒失物添加燒失物 如加鋸末如加鋸末 u通過一定溫度受熱使物料膨松通過一定溫度受熱使物料膨松 如膨脹珍珠巖、頁巖 u利用物料受熱后的分解反應制造氣孔利用物料受熱后的分解反應制造氣孔 u用武力方法在濕泥料內制造氣泡用武力方法在濕泥料內制造氣泡 u用化學方法發(fā)泡用化學方法發(fā)泡 懸浮液中引入氣體的方法懸浮液中引入氣體的方法 u以機械方法向懸浮液內引入空氣，然后用穩(wěn)

5、定劑使以機械方法向懸浮液內引入空氣，然后用穩(wěn)定劑使 泥料內的氣泡穩(wěn)定；泥料內的氣泡穩(wěn)定； u向懸浮液中加入起泡劑，在反應后生成氣體，使泥向懸浮液中加入起泡劑，在反應后生成氣體，使泥 料形成多孔結構，再用穩(wěn)定劑穩(wěn)定此多孔結構。料形成多孔結構，再用穩(wěn)定劑穩(wěn)定此多孔結構。 u懸浮液中某些組分反應產生氣體，用穩(wěn)定劑使泥料懸浮液中某些組分反應產生氣體，用穩(wěn)定劑使泥料 內的氣泡穩(wěn)定。內的氣泡穩(wěn)定。 穩(wěn)定泥漿內氣泡的方法穩(wěn)定泥漿內氣泡的方法 u增加漿體的稠度增加漿體的稠度 特定的添加劑 u控制泥漿的表面張力控制泥漿的表面張力 加入特定的添加劑 u向泥料內加入能吸收水分的分可塑物質向泥料內加入能吸收水分的分可

6、塑物質 u加入含大量水合水的化合物加入含大量水合水的化合物 如：明礬、生石膏 u控制泥漿的流變和凝結行為控制泥漿的流變和凝結行為 加入燒失物法加入燒失物法 u最悠久的最廣泛采用的方法。最悠久的最廣泛采用的方法。 u加入有機物，如鋸末、泥煤、煤、橡膠細末、加入有機物，如鋸末、泥煤、煤、橡膠細末、 石油焦、纖維素等。石油焦、纖維素等。 u煅燒時，有機物質被燒毀，留下氣孔。煅燒時，有機物質被燒毀，留下氣孔。 u氣孔的形狀和大小依加入物的形狀和大小而定。氣孔的形狀和大小依加入物的形狀和大小而定。 法無完法法無完法 u各方法有其優(yōu)點和缺點，不可認為某一方法是完各方法有其優(yōu)點和缺點，不可認為某一方法是完

7、美無缺的。美無缺的。 u選擇方法時，要考慮原料的性質、煅燒溫度、加選擇方法時，要考慮原料的性質、煅燒溫度、加 入物的來源和成本。入物的來源和成本。 u還要考慮所需的產品的用途和性價比。還要考慮所需的產品的用途和性價比。 輕質耐火材料的一些注意點輕質耐火材料的一些注意點 u輕質耐火材料的導熱系數大體上與其體積密度成正輕質耐火材料的導熱系數大體上與其體積密度成正 比。大部門傳統(tǒng)輕質耐火材料的導熱系數隨溫度升高比。大部門傳統(tǒng)輕質耐火材料的導熱系數隨溫度升高 而增大。而增大。 u 當其他條件相同時，小而封閉的氣孔結構使輕質當其他條件相同時，小而封閉的氣孔結構使輕質 耐火材料具有更好的隔熱性。耐火材料具

8、有更好的隔熱性。 u輕質耐火材料的導熱系數用同一種發(fā)放且在同條件輕質耐火材料的導熱系數用同一種發(fā)放且在同條件 下測定，相互間才可進行比較。下測定，相互間才可進行比較。 u多數輕質耐火材料的熱震穩(wěn)定性不好。多數輕質耐火材料的熱震穩(wěn)定性不好。 輕質耐火材料的性質與測試方法輕質耐火材料的性質與測試方法 u不能用致密耐火材料的測定方法去測試輕質耐火材不能用致密耐火材料的測定方法去測試輕質耐火材 料。料。 u真氣孔率與顯氣孔率間的差別不大，氣孔大部門是真氣孔率與顯氣孔率間的差別不大，氣孔大部門是 開口的，制品的透氣性較高。開口的，制品的透氣性較高。 u同測試條件下德同測試條件下德 導熱系數的比較更有意義

9、。導熱系數的比較更有意義。 u氣孔大小對導熱系數影響明顯氣孔大小對導熱系數影響明顯 大孔結構能降低輕質耐大孔結構能降低輕質耐 火材料的隔熱性能，尤火材料的隔熱性能，尤 其在高溫時更為顯著。其在高溫時更為顯著。 氣孔孔徑與導熱的關系氣孔孔徑與導熱的關系 u關于對流傳熱關于對流傳熱 u關于輻射傳熱關于輻射傳熱 輕質耐火材料的高性能化輕質耐火材料的高性能化 高性能化高性能化 的體現的體現 高性能輕質骨料高性能輕質骨料 的發(fā)展方向的發(fā)展方向 l使用溫度高使用溫度高 l強度高強度高 l高溫收縮小高溫收縮小 l導熱率低導熱率低 l抗介質侵蝕抗介質侵蝕 l微孔化微孔化 l高純化高純化 l特性化特性化 l高強

10、化高強化 l高穩(wěn)定化高穩(wěn)定化 高性能輕質原料的實例高性能輕質原料的實例 uAl2O3-SiO2系系 莫來石質 uAl2O3-CaO系系 CA6質 uAl2O3-MgO AM質 uMgO-SiO2系系 鎂橄欖石鎂橄欖石質 uAl2O3-SiO2-CaO系系 uAl2O3-MgO-CaO系系 u？ 莫來石的性質莫來石的性質 莫來石分子式莫來石分子式3Al2O32SiO2，理論組成：，理論組成： Al2O371.8%，SiO228.2%。 u高的熱態(tài)強度和荷重軟化溫度高的熱態(tài)強度和荷重軟化溫度 u熱震穩(wěn)定性好熱震穩(wěn)定性好 u高溫蠕變量小高溫蠕變量小 u線膨脹系數小線膨脹系數小 u導熱系數小導熱系數小

11、 u化學穩(wěn)定性好化學穩(wěn)定性好 莫來石與剛玉和方鎂石的性質比較莫來石與剛玉和方鎂石的性質比較 種類種類 熱膨脹系數熱膨脹系數 /10-6 熱導率熱導率 W/（mK） （1000） 密度密度 （g/cm3） 熔點熔點（） 莫來石莫來石5.33.833.21810 方鎂石方鎂石14156.73.652800 剛玉剛玉86.93.992050 一、輕質微孔莫來石一、輕質微孔莫來石 u起始物料的組合起始物料的組合 工業(yè)氧化鋁工業(yè)氧化鋁+硅石硅石 鋁礬土鋁礬土+硅石硅石+工業(yè)氧化鋁工業(yè)氧化鋁 煤系高嶺土煤系高嶺土+工業(yè)氧化鋁工業(yè)氧化鋁+硅石硅石 粘土粘土+工業(yè)氧化鋁工業(yè)氧化鋁+硅石硅石 輕質微孔莫來石骨料

12、輕質微孔莫來石骨料 輕質微孔莫來石輕質微孔莫來石 二、輕質微孔橄欖石二、輕質微孔橄欖石 u鎂橄欖石鎂橄欖石 分子式分子式2MgO SiO2（簡寫為（簡寫為M2S），理論化學），理論化學 組成組成MgO57.3%，SiO242.7%，MgO/SiO2=1.34。 u結構緊密（密度結構緊密（密度3.22g/cm3），），Si-O和和MgO-O 間鍵力都比較強，結構比較穩(wěn)定，熔點約間鍵力都比較強，結構比較穩(wěn)定，熔點約1890 。 Mg2 SiO4 是是Mg-SiO2系中唯一的穩(wěn)定相，從常系中唯一的穩(wěn)定相，從常 溫到熔點無晶型轉變，并有一定的抗堿性渣寢室溫到熔點無晶型轉變，并有一定的抗堿性渣寢室 能力

13、，是優(yōu)良的耐火原料。能力，是優(yōu)良的耐火原料。 鎂橄欖石的特點鎂橄欖石的特點 u價格便宜；價格便宜； u較低的導熱系數（是較低的導熱系數（是MgO的的1/31/4）；）； u不水化不水化 u化學和礦物學穩(wěn)定性好；化學和礦物學穩(wěn)定性好； u對熔融金屬和渣有良好的抵抗作用；對熔融金屬和渣有良好的抵抗作用； u與多數耐火材料有較好的相容性。與多數耐火材料有較好的相容性。 合成輕質鎂橄欖石料的物相組成合成輕質鎂橄欖石料的物相組成 合成輕質鎂橄欖石料的顯微結構合成輕質鎂橄欖石料的顯微結構 特殊行業(yè)用輕質耐火材料特殊行業(yè)用輕質耐火材料 石油、化工工業(yè)石油、化工工業(yè) 玻璃、水泥工業(yè)玻璃、水泥工業(yè) 使用溫度高；

14、使用溫度高； 高溫體積穩(wěn)定；高溫體積穩(wěn)定； 還原氣氛穩(wěn)定；還原氣氛穩(wěn)定； 導熱系數低。導熱系數低。 堿性氣氛中穩(wěn)定；堿性氣氛中穩(wěn)定； 高溫體積穩(wěn)定；高溫體積穩(wěn)定； 導熱系數低。導熱系數低。 三、六鋁酸鈣輕質料三、六鋁酸鈣輕質料 合成六鋁酸鈣輕質料的相組成合成六鋁酸鈣輕質料的相組成 合成六鋁酸鈣輕質料的孔徑分布合成六鋁酸鈣輕質料的孔徑分布 四、四、CACA6 6-AM-AM復合輕質料復合輕質料 性能 六鋁酸鈣 CA6 剛玉 Al2O3 鎂鋁尖晶石 MA 熔點高18752050左右2135 熱膨脹系數適宜8.010-6-18.610-6-18.010-6-1 還原氣氛中穩(wěn)定性 還原氣氛中穩(wěn)定性 高

15、 在高溫下具有很好 的抗碳還原穩(wěn)定性 在氧化或還原氣氛 中保持較好的穩(wěn)定 性 耐侵蝕性 在堿性環(huán)境中化學 穩(wěn)定性高 耐腐蝕 抗侵蝕和磨蝕能力 強 其它 對熔融金屬和熔渣 的潤濕性低 強度高熱震穩(wěn)定性好 實驗配比實驗配比 編號 理論生成 CA6：MA之比 鎂源（%）鋁源（%）鈣源（%） 19：13.591.55 28：2788.54.5 37：310.585.63.9 46：41482.63.4 55：517.579.72.8 64：62176.82.2 73：724.573.81.7 82：82870.91.1 91：931.567.90.6 MAMA：CACA6 6=9:1=9:1的骨料相組

16、成的骨料相組成 MAMA：CACA6 6=6:4=6:4的骨料相組成的骨料相組成 MAMA：CACA6 6=1:9=1:9的骨料相組成的骨料相組成 CACA6 6AMAM復合骨料的微孔結構復合骨料的微孔結構 CACA6 6AMAM復合骨料的孔徑分布復合骨料的孔徑分布 CACA6 6-AM-AM復合骨料的顯微結構復合骨料的顯微結構 CACA6 6-AM-AM復合骨料的顯微結構復合骨料的顯微結構 五、合成鈣長石輕質料五、合成鈣長石輕質料 u 鈣長石鈣長石 鈣長石熔點為鈣長石熔點為1553，理論密度為，理論密度為 2.76g/cm3，熱膨脹系數低，熱膨脹系數低4.8210-6-1 還原氣氛下的抗侵蝕

17、能力非常突出還原氣氛下的抗侵蝕能力非常突出 u 原料選擇原料選擇 高嶺土、鋁礬土、硅石粉、鈣源 合成鈣長石輕質料的相組成合成鈣長石輕質料的相組成 合成鈣長石輕質料的顯微結構合成鈣長石輕質料的顯微結構 輕質料破碎加工時存在的問題輕質料破碎加工時存在的問題 六、球形微孔莫來石骨料六、球形微孔莫來石骨料 u球形骨料的優(yōu)點球形骨料的優(yōu)點 傳統(tǒng)莫來石骨料的制備過程原料利用率低。傳統(tǒng)莫來石骨料的制備過程原料利用率低。 由于骨料破碎產生的戲份量較大，而澆注時需要的由于骨料破碎產生的戲份量較大，而澆注時需要的 戲份量很少，造成了利用不經濟。球形骨料則不需戲份量很少，造成了利用不經濟。球形骨料則不需 要再經過破

18、碎，減少了細粉的生成，產量高。要再經過破碎，減少了細粉的生成，產量高。 骨料呈球形有利于密堆積。骨料分布均勻，從骨料呈球形有利于密堆積。骨料分布均勻，從 而提高澆注件的強度；而提高澆注件的強度； 球形骨料制備簡單。無破碎工序，改善工人工球形骨料制備簡單。無破碎工序，改善工人工 作環(huán)境，也與國家倡導的節(jié)能降耗方針一致。作環(huán)境，也與國家倡導的節(jié)能降耗方針一致。 不同條件下制的的球形微孔骨料不同條件下制的的球形微孔骨料 球形骨料物相分析球形骨料物相分析 球形骨料顯微結構球形骨料顯微結構 高性能輕質澆注料應用的考慮高性能輕質澆注料應用的考慮 u莫來石質輕質澆注料莫來石質輕質澆注料 12001500 u橄欖石質輕質澆注料橄欖石質輕質澆注料 加熱爐、水泥窯、玻璃窯及與堿性工作襯相適應 的背襯材料 uAl2O3-MgO-CaO質輕質澆注料質輕質澆注料 石化工業(yè) 一、微孔莫來石質輕質澆注料一、微孔莫來石質輕質澆注料 u實驗配方實驗配方 原 料粒 度Wt（%） 微孔莫來石輕質骨料 8-5、5-3、3-1mm&1- 0mm 48 Secar71純鋁酸鈣水泥-200目10 二氧化硅微粉1 m7 其他適量 微孔莫來石質輕質澆注料性能微孔莫來石質輕質澆注料性能 性能 體積密度（g/cm3） 烘干后1.601.72 13503h