抗侵蝕的水工設(shè)備用耐磨材料的選擇

抗侵蝕的水工設(shè)備用耐磨材料的選擇

路橋等工農(nóng)業(yè)設(shè)備的內(nèi)部由材料制成，進(jìn)一步提高了其使用壽命。因為使用壽命提高了,耐火材料消耗減少,就做到了節(jié)能減排,低碳環(huán)保。還能使停爐檢修時間減少,提高生產(chǎn)效率。我國熱工設(shè)備用耐火材料的使用壽命普遍不高。改革開放以來,雖然有很大進(jìn)步,但比起工業(yè)發(fā)達(dá)國家仍有很大差距。為了提高熱工設(shè)備的使用壽命,一般從提高耐火材料質(zhì)量著手,但效果仍不顯著,例如:煉鐵高爐中段用高鋁制品,采用高純原料剛玉、鉻剛玉、剛玉莫來石,在制造工藝方面采用高壓成型,高溫?zé)?使制品達(dá)到高強(qiáng)度,高密度,可是高爐壽命僅延長1～2年,而改用SiC制品,從蝕損數(shù)據(jù)比較提高6.8倍。韶關(guān)冶煉廠在處理鉛鋅的煙化爐底用鋁鉻鈦磚比高鋁磚壽命提高8倍。某廠混鐵爐原用高鋁磚和鎂磚砌筑,使用壽命不到一年,改用整體澆注,使用壽命達(dá)到3～5年?？梢姛峁ぴO(shè)備選擇耐火材料多么重要。耐火材料品種繁多,性能各異。熱工設(shè)備的種類也不少,而且同一熱工設(shè)備不同部位的使用條件也不一樣,由此可見,要為熱工設(shè)備選擇合適的耐火材料并非易事。本文就各種類型的熱工設(shè)備根據(jù)使用條件如何選擇耐火材料,通過理論和實例做概括論述。耐火材料工作者應(yīng)該熟悉熱工設(shè)備的結(jié)構(gòu)及使用條件;高溫技術(shù)工作者要熟悉耐火材料的理化性能,二者結(jié)合研究熱工設(shè)備選用耐火材料的綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益,做到費用最低、質(zhì)量最高、效果最好。1應(yīng)考慮選擇材料的技術(shù)問題任何熱工設(shè)備選擇耐火材料,都必須注意以下問題。1.1荷重軟化溫度眾所周知,耐火材料在高溫下不軟化,不變型是最基本的性能。可是品種不同的耐火材料,荷重軟化溫度是不一樣的,要使熱工設(shè)備在操作過程中,特別是在最高使用溫度下不喪失結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,不變型、不坍塌,選用的耐火材料荷重軟化溫度必須高于最高使用溫度(我國目前能夠直接測試的荷重軟化溫度1690～1700℃,超過此溫度,只能通過相圖分析說明)。例如:天津炭黑廠引進(jìn)美國炭黑生產(chǎn)技術(shù),炭黑反應(yīng)爐的燃燒室、喉管、反應(yīng)段、急冷段等部位,均采用低水泥剛玉質(zhì)澆注料,使用壽命僅3個月。改用高純剛玉磚使用壽命達(dá)8個月以上,急冷段達(dá)二年以上。其原因是澆注料的耐火性能不夠高。炭黑爐的最高使用溫度達(dá)1920℃。通過相圖分析,在使用溫度下,澆注料的液相量達(dá)20%～30%,而高純剛玉磚出現(xiàn)液相的溫度接近Al2O3的熔點(2025℃),當(dāng)材料內(nèi)部液相量達(dá)到一定比例時,就會軟化變形,并很快被沖蝕掉。1.2催化劑的選用任何熱工設(shè)備都是在一定氣氛條件下作業(yè)。有些耐火材料對氣氛條件十分敏感,如含碳耐火材料的弱點就是易氧化,因此不宜在氧化氣氛條件下使用;含F(xiàn)e2O3、TiO2高的耐火材料不宜在還原氣氛條件下使用;氧化鉻、氧化鎂質(zhì)耐火材料不宜在真空條件下使用等。氣氛對耐火纖維及制品的影響更明顯。在含N250%、H250%的氣氛條件下,耐火纖維的熱導(dǎo)率比在空氣中大1倍,在含H2100%的氣氛中比在空氣中大2倍,因此含氫氣爐的耐火纖維壁厚要比在空氣中大2倍。在氫氣保護(hù)爐內(nèi)選用氧化鋁空心球隔熱制品比較好。綜上所述,熱工設(shè)備選擇耐火材料時,氣氛條件不可忽視。1.3建筑材料的選用在全球大力發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì),加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的形勢下,節(jié)能減排成為我國的產(chǎn)業(yè)政策。熱工設(shè)備是節(jié)能降耗的重點對象,選擇耐火材料是保證節(jié)能降耗的基礎(chǔ)。熱工設(shè)備使用壽命提高,耐火材料就減少了消耗,同時節(jié)約了能源,減少了廢物排放。為了達(dá)到直接節(jié)能的目的,熱工設(shè)備應(yīng)選擇合適的輕質(zhì)隔熱材料,特別是直接受到化學(xué)侵蝕的部位,可以在非工作層砌筑輕質(zhì)隔熱耐火材料或復(fù)合磚、保溫蓋等。如某廠162t連鑄鋼包設(shè)保溫蓋,采用耐火纖維保溫蓋比黏土澆注料重量減輕90%以上,使用壽命是澆注料的4倍以上,不用烘烤,節(jié)約能源。1.4部分部位受損,易使用壽命長所謂綜合砌筑,就是在熱工設(shè)備的不同部位砌筑性能不同的耐火材料,或同一性能而尺寸不同的耐火材料。眾所周知,任何熱工設(shè)備內(nèi)襯各部位耐火材料的損毀程度是不同的,有輕重之分,往往是個別部位損毀嚴(yán)重,影響整個熱工設(shè)備的使用壽命。例如安鋼600t混鐵爐,原用鎂磚、高鋁磚砌筑,使用壽命不足一年,采用綜合砌爐,特別是侵蝕嚴(yán)重的部位改為Al2O3-SiC磚,使用壽命三年以上。綜合砌爐要講究綜合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果,根據(jù)各部位的實際使用條件,選擇合適的耐火材料,或者將侵蝕嚴(yán)重部位的耐火材料尺寸放大,使內(nèi)襯變厚,做到經(jīng)濟(jì)合理。使得同一熱工設(shè)備不同部位的耐火材料壽命同步,廢棄耐火材料的排放量最小,最好達(dá)到零排放。2抗侵蝕物及退火按耐火材料的使用條件,熱工設(shè)備大致分為三種類型,每種類型如何選擇耐火材料,大致如下:(1)在高溫條件下,耐火材料受熔融金屬,非金屬、熔渣及其蒸汽等的化學(xué)侵蝕作用,如高爐、轉(zhuǎn)爐、水泥窯、玻璃窯、鋼包等,在這種條件下使用的耐火材料占50%左右。耐火材料與侵蝕物接觸發(fā)生化學(xué)作用,對耐火材料來說,往往是致命的,耐火材料工作者也非常重視在這種條件下耐火材料損毀機(jī)理的研究。在理論方面,侵蝕物與耐火材料的化學(xué)反應(yīng),可以從四個理論標(biāo)準(zhǔn)來推測耐火材料的選擇方向。1)化學(xué)熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)ΔGT通過耐火材料與侵蝕物之間反應(yīng)的吉布斯(Gibbs)自由能的變化來判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向及反應(yīng)程度。選擇耐火材料的原則應(yīng)該是在使用條件下,耐火材料對接觸的侵蝕物具有熱力學(xué)穩(wěn)定性,即ΔG0>0,反應(yīng)不能進(jìn)行。例如前述的炭黑反應(yīng)爐用耐火材料,在高溫下還要受炭黑粒子的化學(xué)侵蝕。高純剛玉磚含Al2O399.5%以上,Al2O3與C反應(yīng)的自由能為:1/3Al2O3(s)+C(s)=CO(g)+2/3Al(g)。溫度對自由焓的變化是有些影響的,ΔG0=106100-42.65T,T=2051℃,即為開始進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的溫度。炭黑爐最高使用的溫度為1920℃,因此高純剛玉磚不會與炭發(fā)生反應(yīng),所以高純剛玉磚使用壽命長。眾所周知,當(dāng)ΔG0<0,反應(yīng)能夠進(jìn)行,ΔG0負(fù)值越大,反應(yīng)進(jìn)行的可能性亦越大,ΔG0=0,反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。許多化合物的標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯自由能已由實驗得出?；驈钠渌麛?shù)據(jù)算出。也可以從JANAF熱力學(xué)數(shù)據(jù)表中或其他熱力學(xué)數(shù)據(jù)手冊查得,因此可通過熱力學(xué)推算選擇合適的耐火材料。2)化學(xué)動力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)Δvat一般耐火材料為非均質(zhì)體,而侵蝕物,特別是熔渣的化學(xué)成分也非常復(fù)雜,在高溫下二者不發(fā)生作用的極少,可通過化學(xué)動力學(xué)研究侵蝕物與耐火材料的反應(yīng)機(jī)理及反應(yīng)速度,從而選擇抗侵蝕的耐火材料。從圖1可以看到:當(dāng)侵蝕物溶解耐火材料未達(dá)到平衡時,界面上接觸面積S,形成擴(kuò)散層(隔離層)厚δ,飽和濃度產(chǎn)生在緊接耐火材料的表面處,距表面一定限度以外為溶液濃度。溶解速度v可以通過溶液濃度變化進(jìn)行計算。式中:D—擴(kuò)散系數(shù)C0—最大濃度(相當(dāng)于飽和濃度)Cx—溶質(zhì)中溶解耐火材料的實際濃度S—界面上接觸面積δ—形成擴(kuò)散層厚度當(dāng)耐火材料與熔體接觸,由擴(kuò)散層向熔體擴(kuò)散,如果溶解速度大,擴(kuò)散速度小,耐火材料表面形成飽和溶液(接觸層)同時停止溶解耐火材料。例如,堿性渣鋼包內(nèi)襯用半酸性的蠟石磚。使用壽命比偏中性的黏土磚、高鋁磚長,蠟石磚不粘渣,使用后的鋼包內(nèi)襯表面光潔如涂釉。這是因為蠟石磚含SiO2高(65%～70%),在高溫及堿性熔渣的作用下,磚的表面產(chǎn)生一定量的高黏度液相,形成很厚的隔離層(擴(kuò)散層)附于內(nèi)襯表面,阻止熔渣滲透,從而降低了耐火材料的溶解速度,提高了使用壽命。如果溶解速度小,擴(kuò)散速度大,熔體沿氣孔滲入耐火材料中,使耐火材料的液相含量增大,形成新相,可能是固熔體或化合物,使耐火材料的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生質(zhì)變,當(dāng)溫度波動時,就會使耐火材料發(fā)生溶解或剝落。例如RH爐渣對鎂鉻磚的侵蝕,由于渣中的Al2O3、Fe2O3等R3+和鎂鉻磚中鎂鉻尖晶石的Cr3+交換,生成鎂鋁尖晶石和鎂鐵尖晶石變性,因體積效應(yīng),使鎂鉻磚鼓漲開裂,導(dǎo)致?lián)p毀。為了求得熔體對耐火材料的侵蝕速度,可以標(biāo)定耐火材料中某一化學(xué)成分的變化作為濃度變化計算侵蝕速度。3)表面能標(biāo)準(zhǔn)熔體與耐火材料的表面能關(guān)系可用下式表示:式中:σ1、σ2—兩相各自的表面能σ12—兩相界面能高溫條件下,一般通過測定熔體與耐火材料的接觸角θ來衡量熔體對耐火材料的潤濕性:θ≤90°時為潤濕,θ≥90°時為不潤濕。當(dāng)熔體對耐火材料潤濕性好,熔體就易與耐火材料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),使耐火材料受到侵蝕。當(dāng)θ<90°時,耐火材料表面粗糙度越大,對耐火材料侵蝕就會愈嚴(yán)重。一般耐火材料表面都有氣孔,熔體沿氣孔滲入耐火材料內(nèi)部,滲透越深,變質(zhì)層就越厚,溶解或剝落的體積越大,耐火材料損毀速度加快,使用壽命縮短。根椐泊桑(Poiseuille)公式:式中:L—熔體滲入深度σ—熔體表面能r—毛細(xì)管半徑θ—潤濕角η—熔體黏度t—作用時間為了阻止熔體滲透,耐火材料工作者對熱工設(shè)備用耐火材料做過大量研究。例如:為了防止?fàn)t外精煉用剛玉質(zhì)透氣磚產(chǎn)生剝落,在基質(zhì)中引入Cr2O3,使磚中形成鋁鉻固熔體和含Cr2O3玻璃相,與熔渣接觸形成高黏度液相,阻止熔渣滲透。也有的加入鋁鎂尖晶石,吸收渣中的Fe2O3和MgO,形成尖晶石致密層,并使渣黏度變大,阻止渣的滲透。還有人對微孔剛玉和板狀剛玉耐火材料的抗渣性進(jìn)行對比,認(rèn)為抗渣性基本相同。有的文獻(xiàn)介紹:>16μm的氣孔能吸收入鐵和鋼液,<5μm的氣孔不能吸入冶金渣。因此對于抗侵蝕性來說,耐火材料氣孔率高低不那么重要,而孔徑大小很重要,目前很重視微孔耐火材料的研究。通過測量熔體對耐火材料的潤濕角、氣孔徑、熔體黏度、作用時間等,計算熔體滲入深度,推測選擇耐火材料的方向。4)電化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)ψm°含碳耐火材料廣泛用于各種熱工設(shè)備。碳是良好的電子導(dǎo)體,熔渣是離子導(dǎo)體,碳、熔渣、金屬熔體之間造成含碳耐火材料的電化學(xué)侵蝕,即C(s)+(Fe2+)+(O2-)→Fe(s)+CO(g)?？梢酝ㄟ^測量并計算電極濃差電池的電動勢來推算電化學(xué)反應(yīng)。為了阻止電化學(xué)侵蝕,可在含碳耐火材料中引入比碳電極電位更低的物質(zhì),如Al、Si、Ca等,或者電阻大的物質(zhì)如BN。受化學(xué)侵蝕的耐火材料,通過以上四個理論標(biāo)準(zhǔn)推算,初步確定選擇耐火材料的方向。(2)在高溫條件下,耐火材料同時受到強(qiáng)烈的機(jī)械作用,如均熱爐、加熱爐等。在這種條件下使用的耐火材料約占20%～30%,應(yīng)選擇強(qiáng)度高、熱震穩(wěn)定性好的耐火材料。如均熱爐過去用黏土磚砌筑,受鋼錠磨損及裝料機(jī)夾鉗碰撞等作用,使用壽命一年左右,而用澆注料使用壽命2～3年,某廠大型均熱爐爐口用黏土結(jié)合澆注料比磚砌體的使用壽命提高了3～4倍。不定型耐火材料被喻為第二代耐火材料,因施工整體性好,強(qiáng)度高(耐壓強(qiáng)度為100MPa以上)、耐磨性好、抗熱震、不剝落、使用壽命長。這種熱工設(shè)備還要注意隔熱節(jié)能。在連續(xù)作業(yè)的熱工設(shè)備內(nèi),在外壁(冷面)加強(qiáng)隔熱優(yōu)于內(nèi)壁(熱面)隔熱。在間歇周期性設(shè)備內(nèi),采用內(nèi)壁(熱面)隔熱優(yōu)于外壁隔熱。例如某鋼管廠加熱爐用7.6cm厚的氧化鋁纖維氈貼面,使用7個月完好無損。某鍛造廠鍛造爐,使用磚砌體,由于熱震和機(jī)械碰撞,磚襯損壞很快,每年要換2次磚;使用氧化鋁纖維貼面,使用溫度1340℃,貼面耐Fe2O3侵蝕,不發(fā)生熱震損壞,節(jié)約燃料25%。(3)在高溫條件下,沒有或基本沒有強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)和機(jī)械碰撞作用的熱工設(shè)備,如:箱式電爐、罩式窯、梭式窯等,在這種條件下使用的耐火材料約占30%。遍布冶金、機(jī)械、化工、石油、建材、輕工等各行各業(yè)。對節(jié)能減排的意義很大。這類熱工設(shè)備選擇耐火材料的方向是保溫性能好的輕質(zhì)隔熱耐火材料,提高熱工設(shè)備的熱效率,大幅度降低能耗。輕質(zhì)隔熱耐火材料的品種很多,既有定型制品,也有不定型輕質(zhì)耐火材料,還有耐火纖維及其制品、硅酸鈣板等,它們的理化性能,隔熱效果,銷售價格等都不同。選擇輕質(zhì)隔熱耐火材料,除了注意前面提出的技術(shù)問題外,特別要注意經(jīng)濟(jì)性問題,通過計算尋求最經(jīng)濟(jì)的隔熱方案。設(shè)全年費用為P,則P=P舊+P失式中:P舊—材料及施工費用折舊,元/(m2·年)P失—熱量損失費用,元/(m2·年)當(dāng)P最小時,為最好。式中:c—耐火材料單價,元/kgr—材料容重,kg/m3s—厚度,mn—內(nèi)襯壽命,年式中:λ—熱導(dǎo)率,W/(m·K)q3—冷面散失熱流,kJ/(m2·h)tH—內(nèi)襯熱面溫度,℃tC—內(nèi)襯冷面溫度,℃式中:t—年工作時間,h/年k—熱量折合價格,元/kJ式中:w—燃料單價,元/tQ—燃料發(fā)熱量,kJ/kgm—燃料利用系數(shù)m=(總供熱量-煙氣帶走熱量)/總供熱量做好上述計算,要先做好爐襯設(shè)計,搜集原始資料,其中包括溫度參數(shù)(tH、tC),物性參數(shù)(λ、r、最高使用溫度等),經(jīng)濟(jì)參數(shù)(c、w、q、m等),操作參數(shù)(t、n、k等),計算后與原用材料對比,確定耐火材料的選擇方向。例如某船舶鍋爐原用石棉板及黏土磚砌筑,總重量6t,而改用普通耐火纖維氈+高鋁纖維氈+高鋁纖維復(fù)合磚+涂料,總重0.88t,投資費用后者比前者高30倍,但節(jié)油396t(相當(dāng)使用1200h)。8個月可以抵消投資高出部分,高鋁纖維磚使用壽命高于黏土磚,同時減少維修費用,還可以降低艙內(nèi)溫度,改善作業(yè)壞境,自重減輕5.12t,可以增加載重量。耐火纖維及制品被喻為第三代耐火材料,體輕、節(jié)能效果顯著。耐火纖維從低溫到高溫有各檔次的產(chǎn)品,有纖維棉、纖維毯、纖維布、纖維紙、纖維繩等各種類型,能滿足各種熱工設(shè)備的需要。要想既節(jié)能又經(jīng)濟(jì),可以在熱面用高檔次的纖維制品,冷面用低檔次纖維制品,如礦渣棉之類。德國一座燒特種耐火材料的間歇窯,采用氧化鋁纖維內(nèi)襯,使用溫度大于1400℃,纖維熱面穩(wěn)定,節(jié)約燃料40%。3我國不同的試驗?zāi)Ｐ椭饕▔A、堿、銅和硅系本著“實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”的原則,將上述理論計算篩選出的耐火材料,模仿實際或近似實際的使用條件做模擬實驗,通過實驗結(jié)果及耐火材料性能測試的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行對照分析,最后選定的耐火材料才能認(rèn)可為合適的。一般來說,理論和實踐的結(jié)果應(yīng)該是一致的,但某些熱工設(shè)備用耐火材料也有例外,如水泥回轉(zhuǎn)窯有大量的K2O、Na2O等堿富集、循環(huán),其