俄羅斯阻燃隔熱新材料

1、耐火隔熱新材料材料的制取工藝與傳統(tǒng)材料相比，這種耐火隔熱新材料具有更高的使用性能。研制了專門工藝制取此種材料，如冷脹、自傳播高溫合成(CBC)，或者二者結(jié)合起來。冷脹法無機復合材料的冷脹是在室溫條件下進行的，無任何加熱或特定條件。膨脹效果是基于兩種或兩種以上成份，并且可析出氣態(tài)產(chǎn)品混合物的化學反應。自傳播高溫合成工藝自傳播高溫合成是基于流經(jīng)凝聚相氧化劑燃料系統(tǒng)無氣燃燒原則。這樣的反應系統(tǒng)有Ti+B,Si+C,Al+Fe2O3等。在類似系統(tǒng)中的燃燒可能實現(xiàn)多相燃燒的波狀方式。在試劑(試劑沿樣品移動)相互反應作用的狹窄區(qū)域內(nèi)發(fā)生化學變化。在凝聚相中進行自傳播高溫合成時，溫度升至1500-4000O

2、C，燃燒波的鋒面?zhèn)鞑ニ俣雀哌_5-50mm/秒甚至更高。類似無氣燃燒的條件是化學反應時釋出的熱量和燃燒物的熱穩(wěn)定性能。這些因素決定了最終產(chǎn)品的物理化學結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品可保持高熱量，以及不改變主要性能條件下的機械和化學負載。自傳播高溫合成過程的高速度確定了其與傳統(tǒng)方法相比具有高度生產(chǎn)效率。CBC-過程的優(yōu)勢：外部能耗小，技術(shù)方法和設備簡單，過程快速，最終產(chǎn)品純度高。所制取的最終產(chǎn)品具有廣泛的使用性能：難熔性，耐高溫耐腐蝕，在化學腐蝕環(huán)境和高速氣流環(huán)境中具有高度的穩(wěn)定性能。高耐磨性和機械強度。CBC制取的新品種耐火復合材料中，莫來石材料具有特殊地位，它是在SiO2、金屬鋁粉和其他成份相互作用下形成的。不同

3、于傳統(tǒng)燃燒波引發(fā)方式，Al+SiO2中CBC過程的主要引發(fā)方式是初步逐漸加熱所有材料至符合引發(fā)熱化學合成反應的所需溫度。CBC反應的引發(fā)溫度為650-9500C，具體的引發(fā)溫度取決于所選試劑的性能、離散度、成份的比例和系統(tǒng)的初始密度。在合成過程中有兩種或幾種化學成份元素或化合物的放熱作用，這種放熱相互作用在定向燃燒方式下進行。由于熱化學合成的氧化還原反應，形成了莫來石結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)符合化學分子式3A12O3*2SiO2。最終產(chǎn)品反應成份符合分子式mAl2O3*nSiO2,這里m=65-70%,n=30-35%.在CBC過程中合成的化合物，如3Al2O3*2SiO2,5Al2O3*3TiB2,B4

4、C,2A12O33SiC等屬于高耐火材料?？赡苤迫《喾NCBC材料，如耐火制件，混凝土，保護強化涂層，筑砌砂漿等。冷脹法與CB結(jié)合冷脹法與CBC結(jié)合可制取多種帶有不同物理化學、機械、熱物理和使用性能的耐火隔熱材料。可用冷脹法，同時使其保持CBC方式，建立特定的多孔結(jié)構(gòu)，以制取表觀密度0.3-2r/cM3或更高的材料。以這種工藝制取的耐火隔熱材料見圖1。可實際應用于鋁硅酸鹽耐火材料，作為用CBC工藝制取的涂層新材料，稱之為保護加強型氧化陶瓷涂層（OKn）。OKn涂在鋁硅酸鹽制件和金屬爐內(nèi)襯、鍋爐設備、建筑材料制造爐等的隔熱材料表面上。OKn應用領域有所擴大，而其表面的物化和機械腐蝕性能降低，耐火材

5、料在靜態(tài)和動態(tài)條件下（包括循環(huán)條件，腐蝕介質(zhì)條件，高溫氣流和塵流條件）的耐高溫性能提高了50-1000C。OKn在700-850OC熱力設備運行CBC反應引發(fā)過程中，形成于輕質(zhì)或超輕耐火泥表面。涂層厚度-1-4MM，確切厚度取決于運行條件。所選具有物化性能和機械性能的成份的結(jié)合，使涂層具有各種使用性能。OKn特點是具有高耐火性（可達2000OC）、機械強度、耐磨性、以及在燃燒和廢煙氣腐蝕物中的耐酸堿性。本涂層改善了耐火材料的表面性能，主要體現(xiàn)在孔隙度降低到1.5-2倍（取決于材料的初始表觀密度）。OKn涂層可大大提高熱力設備內(nèi)襯的使用壽命。氧化陶瓷化合物可包含莫來石，藍晶石，氧化鋁，碳化硅，氧

6、化鉻，硼化鈦，氮化硼，氮化鋁等。所選各種性能的原始成份的結(jié)合，可確保能夠制取具有所需性能的復合涂層?；贑BC工藝，研制了一系列用于維修復原的砌筑砂漿混合物。CBC-耐火砌筑混合物用于爐、鍋爐、反應器等設備內(nèi)襯，砌筑砂漿用于加固耐火泥、高鋁氧及其他耐火制件。這種混合物加入添加物（如耐火制件的碎塊），可制備用于維修內(nèi)襯磨損部分，或者用作保護涂層的輕型致密多孔耐火混凝土。這種砌筑砂漿混合物是由若干種礦物成份組成的低離散度無毒粉末。使用前應向混合物中加入液體玻璃，用法與普通砌筑砂漿一樣。在爐內(nèi)達到大約8500C的加熱溫度時，在砌筑縫中引發(fā)CBC反應，此時出現(xiàn)高溫（1600-1800OC）燃燒定向波。

7、在此情況下，短時間內(nèi)發(fā)生多種成份混合物的熔化，浸透耐火材料表面大約0.5毫米。使用該種材料時沒有出現(xiàn)制件表面脫落或缺陷。合成后溶液的耐火度達到1800OC,耐熱度超過50個氣動熱循環(huán)。請?zhí)貏e注意不久前剛剛研制的特輕型耐火混凝土新產(chǎn)品，其名稱為耐熱特輕多孔CBC混凝土（來CE）。本材料具有一系列優(yōu)勢：密度很低（200-600公斤/m3）,良好的導熱性能和吸熱能力，機械強度高，耐火，耐熱，應用的溫度區(qū)間大。此外，該材料對耐火制件具有高度粘附力。多孔特輕CBC-混凝土是用預先制備粘液泥漿澆注而成，將泥漿澆注到可拆卸式的模具中，制取各種形狀的成品-磚，塊，方材，板材等。多孔膨脹混凝土制取工藝的基礎在于

8、，形成多成份無機系統(tǒng)的試劑相互作用的化學過程。這些系統(tǒng)中，多相反應是在液相中進行的，其中一種試劑的固體顆粒表面發(fā)生多相反應，試劑可釋出大量熱量的氣態(tài)反應物。多相反應過程取決于多種因素：混合物成份，泥漿性能與濃度（泥漿每種成份的物化性能、離散度等），多相反應過程的條件（環(huán)境溫度，反應器熱物理性能注塑模具，換熱條件）等。多相反應確保可以在室溫條件下（膨脹系數(shù)2-4），制取密度（200-1200公斤/m3）膨脹輕型和特輕多孔耐熱（或隔熱）材料在冷脹的最后階段，形成含莫來石化合物的多孔結(jié)構(gòu)。按照這種工藝制取的多孔超輕耐火材料，具有一系列獨特使用性能：高耐化學和耐腐蝕性，耐磨性，低導熱性，應用溫度高，與

9、相同密度的已知現(xiàn)有材料相比具有更高的機械性能。耐火隔熱新材料具有高使用性能的前提是采用一系列不同于現(xiàn)有工藝的專門方法進行制取。例如，在冷脹工藝中有效提高原始成份的體積，確保礦物質(zhì)在化學反應過程中固化的同時有力膨脹，使特輕制件的多孔結(jié)構(gòu)具有非均質(zhì)特性，并提高材料的強度。CBC過程中發(fā)生了反應性能最強的物質(zhì)，它具有氧化劑和還原劑的性能。其相互作用的結(jié)果就是形成獨特使用性能的礦物質(zhì)。所研制的工藝可結(jié)合使用，也可單獨使用。采用冷脹工藝時，可制取多種工作溫度1000-11000C的特輕型多孔耐火隔熱材料。只采用CBC工藝時，可生產(chǎn)工作溫度800-18000C基于鋁硅酸鹽的耐火和高耐火材料。兩種工藝結(jié)合使

10、用時，可擴大提高材料的應用領域，并制取多用途新材料。制取耐火材料時使用天然礦物質(zhì)作為原料，如砂、粘土、珍珠巖、蛭石等，或者使用耐火建筑材料：耐火粘土、水泥、石灰、石膏等。在原料中可加入各種工業(yè)或建筑廢料：粉煤灰、礦渣、建材碎料。這種生產(chǎn)成品制件、半成品、干混合物的工藝無廢料，也就是說它是節(jié)能環(huán)保的，因為制取材料的這兩個工藝中的主要能量都是用于各種成份的化學作用。工藝的主任優(yōu)勢之一就是它的生態(tài)清潔性。冷脹時化學反應的唯一氣態(tài)物就是水蒸氣，而CBC工藝完全沒有氣體釋出。制取耐火材料所用的成份（如天然礦物質(zhì)，建筑材料等）都是生態(tài)環(huán)保的。所研制的大部分材料（耐火、耐火隔熱、保護加強涂層、涂料、混合物和

11、溶液）都成功在不同工業(yè)領域20多個企業(yè)實際使用條件下進行了試用，其中一系列產(chǎn)品（氧化陶瓷涂層、砌筑砂漿）在黑色和有色金屬冶煉、熱力工程、機械制造企業(yè)的爐襯和熱力設備中廣泛使用。涂層和涂料的涂覆工藝簡便。用手動氣動噴槍、膠輥或刷子在準備好的表面（即用金屬刷刷凈的表面）涂總厚度2-2.5毫米或更厚的若干層泥漿。最近研制出了具有可變截面密度的材料。其有效工作部分可具有更高的密度（約1000公斤/m3）,而外層密度較低，約300公斤/m3。在工作面涂抹保護加強涂層，可大大提咼制件的使用性能。II.法律保護材料及其制取方法的俄羅斯聯(lián)邦專利2002年5月2日N:2182569，遞交申請的有2002年9月1

12、6日2002112797/03。就俄羅斯現(xiàn)狀而言，這些新材料最有前景的應用領域，就是用相對便宜耐火材料（半酸性耐火材料、耐火土耐火材料、耐火硅磚耐火材料、莫來石氧化硅耐火材料、輕型耐火材料）制成的熱力設備內(nèi)襯的保護層，或者用于提高爐襯使用壽命CBC砌筑砂漿。CBC砌筑砂漿可確保CBC反應引發(fā)熱力設備預熱（烘干）時耐火制件的粘結(jié)。由于制備整體砌筑，此時在縫中形成氧化陶瓷材料，這就使強度、耐腐蝕性能大大提高。由于使用多層、多成份保護加強CBC涂層，熱力設備使用壽命得以顯著提高，耐腐蝕性能、爐襯熱保護性能也得以提高。制取的新材料（涂層、砌筑砂漿、維修還原混合物等）具有高耐火性（約20000C）、機械

13、強度、耐磨性（耐磨損、耐液體動力磨損）、耐燃燒和廢煙氣腐蝕環(huán)境中的酸和堿、耐金屬熔體、熔渣及其他液體介質(zhì)。這些涂在耐火材料表面的新材料，大大改善了防火材料的表面性能：材料孔隙度降低到1.3-1.8倍，機械強度提高到2-3倍，機械磨損度降低到2-2.5倍，爐襯面層硬度提高。所進行的試驗表明，由于在耐火土制件工作表面涂了保護加強CBC涂料，熱力設備內(nèi)襯使用壽命提高到2-3倍甚至更高。而鑄鋼桶、斜槽及其他設備可提高到3-15倍，從而大大降低了運營費用。目前降低熱力設備運營費用并改善其性能的工作有以下方向：1.提高熱力設備內(nèi)襯、耐火材料制備的易磨損件的耐用性：鑄鋼斗、中間鑄鋼桶；澆鑄鑄鐵和鋼的斗；小型

14、澆鑄包；用于熔融鋁及鋁合金的澆鑄真空斗；斜槽；化鐵爐：熱風爐和鋁電解槽熱風風管；反射爐和用于熔化鋁及其他有色金屬的攪拌器；用于燒結(jié)鋁氧土的回轉(zhuǎn)爐。用更便宜的耐火材料和制件代替昂貴材料，例如耐火土材料、耐火硅磚、莫來石硅及其他用于爐襯（礦山爐和反射爐，攪拌機及其他高鋁氧和鎂氧耐火材料制成的設備，用于澆鑄鑄鐵、鋼、鋁及其他金屬的斜槽，鑄鋼斗和中間澆鑄桶，攪拌式鐵水罐車，用于生產(chǎn)鋁氧土的回轉(zhuǎn)爐，熱風爐和家庭用或冶金爐用的熱風風管）的材料。提高熱力設備爐襯，以及耐火磚、高鋁、剛玉、鎂氧制件和材料的耐用性：如冶金爐構(gòu)件，攪拌機，轉(zhuǎn)爐，斗，用于熔化鑄鐵、鋁及其合金、銅合金筀等的坩堝爐。在生產(chǎn)高質(zhì)量鋼材時改

15、善澆注金屬及合金的質(zhì)量;通過鋼錠模熔化合金時在澆鑄料斗工作表面使用專門的陶瓷層改善耐熱鎳合金（如用于渦輪葉片的合金）的質(zhì)量?！半姞t鋼”冶金廠曾經(jīng)在電弧爐溢流槽的工作表面（內(nèi)壁最嚴重的磨損面和鑄鋼桶底部）使用氧化陶瓷CBC保護加強涂層（OKn-6）。試驗證明，溢流槽涂層經(jīng)受18次熔煉無損壞，而無涂層的溢流槽內(nèi)襯只能經(jīng)受2-3次熔煉，也就是說，帶OKn槽內(nèi)襯耐用性提高到6-9倍。此時，試驗期內(nèi)在槽里并沒有發(fā)現(xiàn)明顯粘附痕跡，也沒有進行而把清潔。帶OKn的鑄鋼桶壁工作面經(jīng)受了15次熔化，此時斗底表面無磨損。在“俄羅斯金屬”股份有限公司使用溢流槽，其內(nèi)襯耐用度提高到三倍以上。在溢流槽內(nèi)壁所用的專門陶瓷涂

16、層與鋁液及液體鋁合金的反應極低，鋁液冷卻后易從涂層脫離。在“A3”股份公司使用CBC砌筑砂漿和CBC涂層，用于600公斤澆鑄斗內(nèi)襯，CBC-涂層-用于澆鑄槽的工作表面。試驗結(jié)果表明：使用帶CBC材料的耐火內(nèi)襯鑄鋼桶，澆鑄可鍛鑄鐵和灰鑄鐵時可使用37天（60個班），而無CBC涂層鑄鋼桶只使用了4個班。在澆鑄桶整個工作周期內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)內(nèi)襯處有金屬和爐渣的積垢，使用期內(nèi)無需清除內(nèi)襯積垢。無需沿磚縫清除砌筑砂漿;工作60個班后由于內(nèi)襯底部磨損進行了維修。內(nèi)襯的脫砂性沒有變差?？闪?，維修周期提高到15倍，此時CBC涂層沒有被金屬和爐渣浸透，防止了爐垢的形成。澆注槽試驗結(jié)果表明：-在澆注槽內(nèi)襯使用CBC涂層

17、將維修周期提高到至少1.5倍（槽進行的維修不是因為內(nèi)襯的磨損，而是由于感應線圈發(fā)生故障）。在“A.K.謝羅娃”冶金廠在16噸鑄鋼桶（澆注鋼和鑄鐵）內(nèi)襯、鑄造設備（向鋼錠模中澆鑄鋼和鑄鐵）冒口部分使用了CBC材料。鑄鋼桶經(jīng)受了26次熔化，鑄鋼桶使用壽命延長了一倍。如果只用鑄鋼桶澆注一種金屬，則鑄鋼桶耐用性大大提高，因為此時可確定CBC涂層的最優(yōu)成份。但是即使以非正確方式使用鑄鋼桶，在整個使用周期內(nèi)也沒發(fā)現(xiàn)內(nèi)襯有金屬垢和殘渣垢。冒口部分的內(nèi)襯使用壽命達到40次或更多次熔融金屬。從鋼錠模中取出鋼錠的過程得以簡化。OKn用于保護感應坩堝和槽式感應爐（用于熔化黑色或有色合金，特別是鋁合金）的內(nèi)襯，這方面

18、應用前景極佳。CBC-混合物和溶液的應用大大提高了爐襯（在腐蝕環(huán)境中和高速氣流、塵流環(huán)境中的爐）的耐用性。如與保護加強涂層結(jié)合使用，則效率更高。耐火混合物CKP-1和CKP-2用作鋁硅酸鹽耐火材料的砌筑砂，而CKP-3和CKP-4-用于粘接到耐熱輕型或超輕型多孔CBC整體混凝土來CE,HCE等上面。例如，這些混合物和溶液用在鋁電解槽陰極裝置內(nèi)襯上，可建立堅固的整體結(jié)構(gòu)，確保延長陰極裝置的壽命，使用CBC混凝土一可提高產(chǎn)品耐用性。在俄羅斯多個冶金和機械制造廠進行了CBC涂層、砌筑砂漿在“撞擊”區(qū)內(nèi)襯多層部件、鑄鋼桶爐渣帶、鑄鋼桶鑄鐵和鋼配量裝置、鐵水罐（內(nèi)襯爐渣帶和經(jīng)受金屬流沖擊的部分）、煅燒爐

19、和化鐵爐熔化帶、感應坩堝爐（熔化黑色和有色金屬及合金）的試用。進行了選擇CBC涂層、溶液（用于砌筑和維修復原基于高嶺土、莫來石氧化硅、剛玉纖維的耐火硅磚、硅酸鹽、含鉻硅酸鹽制件）成份和制取工藝。為了提高CBC涂層效率，還向其中加入了SiC,ZrO2和氮化物。CBC冷脹與CBC結(jié)合冷脹耐火材料，涂層和溶液-用于鋁硅酸鹽耐火材料的高耐火氧化陶瓷涂層(OKn-i-OKn-4)-耐火壓制莫來石陶瓷材料(nKA-1,nKM-2)-鑄造高耐火陶瓷CBC材料(HCB-l,HCE-2)-敷硅鋁酸鹽制件的CBC-溶液(CKP-1,CKP-2)-進行維修一復原工作的CBC-溶液(CPC-1,CPC-2)耐火隔熱材

20、料-耐熱特輕多孔CBC-混凝土(CE-0,25-CE-0,70)-雙-多層輕型或特輕多孔CBC-混凝土(用CB-M)-帶氧化陶瓷涂層的穩(wěn)定密度或可變密度的耐熱輕型或特輕多孔CBC混凝土(:氷CB-II)-連接(粘合)CE(CKP-3,CKP-4)制件的砌筑用CBC溶液隔熱材料-阻燃膨脹隔熱材料(HBTM-1)-輕型或特輕耐火多孔混凝土(OHE-0,25-OHE-1,120)表1.主要特性規(guī)格OKn-1-OKn-6nKM-1,2HCE-1,2訊CE-0,23-訊CE-0,70訊CE-0,3-訊CE-0,4nHBTM-1CKP-1,2CKP-3,4CPC-1,2表觀密度，公斤/m31900-190

21、0-1100-230-300-210-2100-2000-2000-210022002000700400300220021002100耐火度,C,min1800180018001700-工作溫度,C,max-1750-1300-1100-1200-1000-1300-1200-1200-18001500135013501050150014001400抗壓強度極限值，兆帕,min20151-53-50.8-2.5-20C時的導熱系0.70-0.75-0.45-0.08-0.13-0.07-數(shù),Bt/mK0.850.850.800.180.180.09磨損度，毫克/mcm228-3625-3228-30-30-36-開口孔隙度,%15-2013-16