耐火纖維材料的選擇與應用

耐火纖維材料的選擇與應用

0營造良好的爐襯氣氛耐火纖維是一種玻璃或微晶結構的材料。在高溫下使用時，纖維結構中的物質被重排，導致晶體分析和晶體長度的現(xiàn)象。當體積大小接近纖維直徑時，纖維結構遭到破壞，纖維被分散，纖維制品嚴重收縮。耐火纖維內(nèi)部的析晶與晶體長大的過程除了與其成分以及使用溫度有關外,還與所在的環(huán)境氣氛有關,很多燃燒氣氛會加速這一進程的發(fā)生。因此,在選用耐火纖維材料時,不僅應考慮耐火纖維的標準分類溫度,而且更應根據(jù)所使用的氣氛,來選擇耐火纖維品種(主要指化學成分),以便最大限度地合理利用好耐火纖維材料作為耐火隔熱爐襯的優(yōu)勢。目前,雖然耐火纖維以其既耐火又保溫的重要特點已在工業(yè)爐窯上得到了廣泛的應用,但是我國一些用戶包括有些設計人員由于對耐火纖維性能的片面認識,造成耐火纖維爐襯使用壽命較短,節(jié)能效果差(往往是由于爐襯表面存在較多的收縮縫引起)。其中,氣氛就是容易被忽略的一個重要因素。為此,本文就爐內(nèi)氣氛對耐火纖維爐襯的影響進行分析評估。1堿性1.3耐火纖維材料的侵蝕目前,大多燃料在燃燒過程中均要產(chǎn)生一定量的煙塵,還有一些爐內(nèi)的被加熱物料也有可能產(chǎn)生一些化學粉塵。由于耐火纖維材料的多孔性及較高的比表面這些煙塵與粉塵就很容易吸附粘連到耐火纖維爐襯的表面。依據(jù)這些煙塵與粉塵的化學成分不同,對耐火纖維材料的影響程度也不同。例如,對于一些通常含有K2O、Na2O、CaO等堿性類的煙塵與粉塵,在800℃左右的高溫就很容易與耐火纖維材料發(fā)生反應,產(chǎn)生“低共融”現(xiàn)象,由此耐火纖維發(fā)生“低共融”侵蝕。當煙塵與粉塵中含有V2O5時,它一方面自身容易產(chǎn)生低熔點物質,另一方面當它與堿性類的煙塵與粉塵共存時,提供了促進堿性物質對耐火纖維侵蝕反應的催化機能。當含有P2O5類物質時,可以顯著加速耐火纖維內(nèi)部的結晶化進程,由此引起纖維的粉化。一般而言,以重油為燃料的工業(yè)爐內(nèi)的煙塵中,含有K2O、Na2O等堿性氧化物以及V2O5,因此這類煙塵對耐火纖維材料就具有較強的侵蝕性。另一種情形為爐襯上的堿性粉塵是由被加熱物料產(chǎn)生的,如,在一些與鋼鐵、火電鍋爐、鑄造型殼培燒有關的工業(yè)爐中所產(chǎn)生的粉塵中就經(jīng)常含有CaO、Na2O、K2O等堿性物質。解決工業(yè)爐內(nèi)堿性煙塵與粉塵對耐火纖維材料的侵蝕,主要手段是在耐火纖維爐襯表面作適當?shù)谋Ｗo處理。例如,我們在耐火纖維爐襯表面采用一種表面硬化劑(BT-R1000)涂覆就取得了良好的效果。2纖維結晶化的影響耐火纖維有2個重要的性能指標:即分類溫度與加熱線收縮率。這2個性能指標是在氧化性或中性氣氛的實驗條件下(一般采用電加熱升溫)測定的,因此在實際設計、選用耐火纖維材料時,應基于這2個性能參數(shù)并根據(jù)實際爐內(nèi)的氣氛作出合理的修正特別是不能將耐火纖維的分類溫度直接當作其實際使用溫度的指標。一般而言,耐火纖維的加熱線收縮率應控制在4%以內(nèi)(24h內(nèi))。這樣,以4%加熱線收縮率為依據(jù),就可以界定耐火纖維在該加熱條件下的最高使用溫度。而耐火纖維在高溫下產(chǎn)生加熱線收縮的主要原因是耐火纖維結晶化。隨著纖維內(nèi)晶體的長大、粗化,耐火纖維襯里從熱面開始慢慢收縮,當纖維內(nèi)的晶體長大到一定程度時,纖維之間開始互相融結,纖維發(fā)生脆化而粉化,且耐火纖維襯里的線收縮率超過限值。耐火纖維的晶化過程除了與耐火纖維的化學成分、使用溫度有關外,爐內(nèi)氣氛也有一定的影響。如果爐內(nèi)的氣氛是還原性氣氛,一般會對SiO2含量較高的耐火纖維材料的晶化過程有促進作用。以含CO的還原性氣氛為例,在高溫下,CO會對纖維結構中的SiO2發(fā)生侵蝕,加速纖維內(nèi)部質點遷移進程,晶粒生長加速,纖維材料發(fā)生粉化。同時,由于纖維發(fā)生侵蝕時會在纖維表面形成許多粗糙的微孔結構,這些微孔結構對CO有強烈的吸附作用,而微孔內(nèi)的CO在高溫下進一步析出C,導熱性好的C又進一步劣化纖維爐襯的隔熱性能。上述過程伴隨以下的化學反應:SiO2(固體)+CO(氣體)※SiO(氣體)+CO2(氣體)CO(氣體)※CO2(氣體)+C(固體)一般而言,爐內(nèi)的環(huán)境氣氛是由所用燃料、空氣過剩系數(shù)、爐內(nèi)物料的化學性能等因素決定的。固體燃料一般比液體燃料更易產(chǎn)生還原性爐氣,而液體燃料又比氣體燃料更易生成還原性爐氣。此外,燃料中一些還原性雜質(如硫、氯等元素)的存在及其含量同樣影響著爐內(nèi)的環(huán)境氣氛。含HF的爐氣則更會對耐火纖維材料產(chǎn)生致命的化學侵蝕。另外,對于一些特殊工業(yè)爐的爐襯,如真空氣氛爐,對耐火纖維材料在高溫下的揮發(fā)性能即所謂的“溢氣”現(xiàn)象有著嚴格的要求。在選用耐火纖維材料時,更應注重其化學成分以及雜質含量。用于這些場合的耐火纖維材料一般應選用高Al2O3含量的耐火纖維或者ZrO2纖維材料。3氫氣氛試驗分析在常見的耐火纖維品種中,SiO2是主要的化學組成之一。但是在高溫下的氫氣氛下,SiO2一般會發(fā)生以下的化學反應:H2(氣體)+SiO2(固體)※SiO(氣體)+H2O(氣體)這些反應生成的氣相SiO還可以與氫氣進一步反應生成低分子量的硅化物氣體。因此,在高溫下氫氣對SiO2可產(chǎn)生較強的侵蝕作用。這樣,在使用氫氣氛的工業(yè)爐,如一些金屬粉末燒結爐等,就需要選擇合適的耐火纖維品種作為其隔熱爐襯以下就個耐火纖維制成的試驗塊均為邊長左右的立方塊)在1450℃的氫氣氛條件下,對其侵蝕程度及速度進行了定量的試驗分析。試驗條件:爐內(nèi)氫氣的充氣量約為425NL/h(露點低于40℃),升溫速率為200℃/h。表1為試驗樣品的主要成分及密度。圖1為在1450℃的氫氣氛中,表1中試樣1、試樣2失重率隨時間的變化曲線。從圖1我們可以發(fā)現(xiàn),所有試樣在恒溫30h后其失重率基本恒定。更為明顯的是,SiO2含量較高的耐火纖維品種,由于失重率達到20%以上,顯然不適宜作為含氫氣氛下的高溫爐襯材料。對比試樣1和2,在密度相當下,由于2號樣含有填料,因此,比表面積相對較小,所受氫氣的侵蝕也相對較小。圖2為表1中試樣3～6在不同時間下失重率的對比。圖中反映了同一品種的耐火纖維材料隨著密度的增大,制品空隙率減少,透氣性變差,因此氫氣對制品內(nèi)部的侵蝕相應減弱。圖3為在1450℃氫氣氛下,試樣在厚度方向的加熱收縮率與加熱時間的關系。圖3表明對于同一品種的耐火纖維來說,加熱收縮率隨制品密度的增加而減小(如試樣3、5、6)。對于試樣1,在厚度方向較低的加熱收縮率似乎與其高的失重率相矛盾,但我們認為這主要是由于它采用了SiO2作為粘結劑,而這種SiO2比纖維材料中SiO2具有高得多的活性,因此,在高溫氫氣氛中,首先解除了纖維間粘結作用,這樣被壓緊的一些纖維就可以在一定程度上得到回彈,部分補償了在制品厚度方向的收縮。試樣2雖然也采用的是SiO2粘結劑,但由于制品中的填料影響纖維材料的回彈效果,因此在厚度方向有較大的加熱收縮率。綜合以上實驗結果表明,在高溫氫氣氛中,應選用高Al2O3(含量大于97%)成分的耐火纖維品種,并應有適當高的制品密度。4錨固件的選擇錨固件一般是用來固定或者輔助固定耐火纖維襯里層。根據(jù)耐火纖維制品形式的不同,采用錨固件的形式也有所不同,有的埋于耐火纖維制品中,如,纖維噴涂襯里、耐火纖維折疊塊等,也有的錨固件部分外露于爐膛中,如采用層鋪法的爐襯結構。由于耐火纖維制品屬于多孔性材料,具有一定的透氣性,因此即使隱藏于耐火纖維制品內(nèi)的錨固件也或多或少受到爐氣的影響,特別是在使用一定時間后的耐火纖維爐襯,由于其加熱收縮縫受到爐內(nèi)氣氛的影響更大。根據(jù)材質,錨固件可分為陶瓷錨固件及金屬錨固件2大類。陶瓷錨固件耐溫高,抗化學侵蝕性能優(yōu)異,相對于金屬錨固件而言,其基本不形成熱橋,而且熱膨脹系數(shù)也比金屬錨固件小得多,因此,對耐火纖維襯里的固定效果更佳。與金屬錨固件比較,其不足之處是安裝固定較復雜,脆性大。金屬錨固件的特點是,安裝固定方便,韌性好。主要缺點是耐腐蝕性差,容易形成熱橋。在有些使用場合,為了將金屬與陶瓷材料的優(yōu)勢結合起來還可以將金屬與陶瓷錨固件組合使用在選擇金屬錨固件時,一方面要考慮其高溫強度;另一方面還要了解清楚爐內(nèi)的氣氛,并分析可能對金屬錨固件產(chǎn)生的腐蝕機理。不同的腐蝕性氣氛對不同金屬材料的腐蝕機理不同。例如,含硫爐氣對鋼材的腐蝕主要是低溫露點腐蝕,而高溫下對鋼材的腐蝕相對較弱。對于含氯爐氣則主要考慮其高溫腐蝕作用,特別是對奧氏體不銹鋼材料的應力腐蝕尤其嚴重。在選用含氫氣的氣氛中的金屬錨固件時,應特別注意“氫脆”現(xiàn)象的發(fā)生。針對以上這些不同腐蝕作用機理,我們可選擇不同功能的金屬錨固件或陶瓷錨固件(包括它們的組合),以避免這些腐蝕的發(fā)生。5加速晶化過程的影響(1)在工業(yè)爐內(nèi)堿性