高性能轻质浇注料的原理与实践

1、高性能轻质浇注料的原理与实践高性能轻质浇注料的原理与实践 河南科技大学高温材料研究院河南科技大学高温材料研究院 主要内容主要内容 u轻质原料的实现原理 u高性能轻质原料的制备 u高性能轻质浇注料的实践 传统窑炉热量的有效利用率传统窑炉热量的有效利用率 大部门工业热工设备的热量有效利用率很低，据大部门工业热工设备的热量有效利用率很低，据 资料统计，波动于以下范围：资料统计，波动于以下范围： 高炉高炉 25-27% 加热炉加热炉 21-36% 陶瓷工业炉陶瓷工业炉 16-37% 蒸汽锅炉蒸汽锅炉 60-80% 工业窑炉热量消耗工业窑炉热量消耗 u排出废气时的损失排出废气时的损失 u炉膛及燃烧室墙壁

2、蓄热所产生的损失炉膛及燃烧室墙壁蓄热所产生的损失 u窑炉及燃烧室墙壁辐射所产生的损失窑炉及燃烧室墙壁辐射所产生的损失 其中后两项一般占燃烧消耗总量的其中后两项一般占燃烧消耗总量的24-45% 排出废气所产生的热量损失不取决于耐火材料，排出废气所产生的热量损失不取决于耐火材料， 故我们的研发应重点关注传热、蓄热及热辐射所生故我们的研发应重点关注传热、蓄热及热辐射所生 产的损失，而这在很大程度上取决于窑炉及燃烧室产的损失，而这在很大程度上取决于窑炉及燃烧室 的结构和衬材。的结构和衬材。 可减少蓄热及辐射热损失的措施可减少蓄热及辐射热损失的措施 n降低砌体用材料的热容量及导热率降低砌体用材料的热容量

3、及导热率 Q=mc t mQ n缩小炉墙、炉顶及炉门等砌体的体积和表面积缩小炉墙、炉顶及炉门等砌体的体积和表面积 若采用隔热耐火材料作窑炉及燃烧室墙壁内衬，若采用隔热耐火材料作窑炉及燃烧室墙壁内衬， 将会显著减少热损失，表现在：将会显著减少热损失，表现在： 1、可缩短窑炉及燃烧室的加热时间；、可缩短窑炉及燃烧室的加热时间； 2、可把砌体的厚度减少，从而减少蓄热；、可把砌体的厚度减少，从而减少蓄热； 3、可减少传到散热。、可减少传到散热。 轻质耐材的性能及优点轻质耐材的性能及优点 u容重低、气孔率高容重低、气孔率高 u导热小、隔热性好导热小、隔热性好 u热容小、蓄热少热容小、蓄热少 u用于窑炉隔

4、热层甚至工作层，可减轻炉体重量用于窑炉隔热层甚至工作层，可减轻炉体重量 原料轻质化如何实现？原料轻质化如何实现？ 轻质原料的制备原理有多种：轻质原料的制备原理有多种： 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 添加烧失物添加烧失物 如加锯末如加锯末 u通过一定温度受热使物料膨松通过一定温度受热使物料膨松 如膨胀珍珠岩、页岩 u利用物料受热后的分解反应制造气孔利用物料受热后的分解反应制造气孔 u用武力方法在湿泥料内制造气泡用武力方法在湿泥料内制造气泡 u用化学方法发泡用化学方法发泡 悬浮液中引入气体的方法悬浮液中引入气体的方法 u以机械方法向悬浮液内引入空气，然后用稳

5、定剂使以机械方法向悬浮液内引入空气，然后用稳定剂使 泥料内的气泡稳定；泥料内的气泡稳定； u向悬浮液中加入起泡剂，在反应后生成气体，使泥向悬浮液中加入起泡剂，在反应后生成气体，使泥 料形成多孔结构，再用稳定剂稳定此多孔结构。料形成多孔结构，再用稳定剂稳定此多孔结构。 u悬浮液中某些组分反应产生气体，用稳定剂使泥料悬浮液中某些组分反应产生气体，用稳定剂使泥料 内的气泡稳定。内的气泡稳定。 稳定泥浆内气泡的方法稳定泥浆内气泡的方法 u增加浆体的稠度增加浆体的稠度 特定的添加剂 u控制泥浆的表面张力控制泥浆的表面张力 加入特定的添加剂 u向泥料内加入能吸收水分的分可塑物质向泥料内加入能吸收水分的分可

6、塑物质 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：明矾、生石膏 u控制泥浆的流变和凝结行为控制泥浆的流变和凝结行为 加入烧失物法加入烧失物法 u最悠久的最广泛采用的方法。最悠久的最广泛采用的方法。 u加入有机物，如锯末、泥煤、煤、橡胶细末、加入有机物，如锯末、泥煤、煤、橡胶细末、 石油焦、纤维素等。石油焦、纤维素等。 u煅烧时，有机物质被烧毁，留下气孔。煅烧时，有机物质被烧毁，留下气孔。 u气孔的形状和大小依加入物的形状和大小而定。气孔的形状和大小依加入物的形状和大小而定。 法无完法法无完法 u各方法有其优点和缺点，不可认为某一方法是完各方法有其优点和缺点，不可认为某一方法是完

7、美无缺的。美无缺的。 u选择方法时，要考虑原料的性质、煅烧温度、加选择方法时，要考虑原料的性质、煅烧温度、加 入物的来源和成本。入物的来源和成本。 u还要考虑所需的产品的用途和性价比。还要考虑所需的产品的用途和性价比。 轻质耐火材料的一些注意点轻质耐火材料的一些注意点 u轻质耐火材料的导热系数大体上与其体积密度成正轻质耐火材料的导热系数大体上与其体积密度成正 比。大部门传统轻质耐火材料的导热系数随温度升高比。大部门传统轻质耐火材料的导热系数随温度升高 而增大。而增大。 u 当其他条件相同时，小而封闭的气孔结构使轻质当其他条件相同时，小而封闭的气孔结构使轻质 耐火材料具有更好的隔热性。耐火材料具

8、有更好的隔热性。 u轻质耐火材料的导热系数用同一种发放且在同条件轻质耐火材料的导热系数用同一种发放且在同条件 下测定，相互间才可进行比较。下测定，相互间才可进行比较。 u多数轻质耐火材料的热震稳定性不好。多数轻质耐火材料的热震稳定性不好。 轻质耐火材料的性质与测试方法轻质耐火材料的性质与测试方法 u不能用致密耐火材料的测定方法去测试轻质耐火材不能用致密耐火材料的测定方法去测试轻质耐火材 料。料。 u真气孔率与显气孔率间的差别不大，气孔大部门是真气孔率与显气孔率间的差别不大，气孔大部门是 开口的，制品的透气性较高。开口的，制品的透气性较高。 u同测试条件下德同测试条件下德 导热系数的比较更有意义

9、。导热系数的比较更有意义。 u气孔大小对导热系数影响明显气孔大小对导热系数影响明显 大孔结构能降低轻质耐大孔结构能降低轻质耐 火材料的隔热性能，尤火材料的隔热性能，尤 其在高温时更为显著。其在高温时更为显著。 气孔孔径与导热的关系气孔孔径与导热的关系 u关于对流传热关于对流传热 u关于辐射传热关于辐射传热 轻质耐火材料的高性能化轻质耐火材料的高性能化 高性能化高性能化 的体现的体现 高性能轻质骨料高性能轻质骨料 的发展方向的发展方向 l使用温度高使用温度高 l强度高强度高 l高温收缩小高温收缩小 l导热率低导热率低 l抗介质侵蚀抗介质侵蚀 l微孔化微孔化 l高纯化高纯化 l特性化特性化 l高强

10、化高强化 l高稳定化高稳定化 高性能轻质原料的实例高性能轻质原料的实例 uAl2O3-SiO2系系 莫来石质 uAl2O3-CaO系系 CA6质 uAl2O3-MgO AM质 uMgO-SiO2系系 镁橄榄石镁橄榄石质 uAl2O3-SiO2-CaO系系 uAl2O3-MgO-CaO系系 u？ 莫来石的性质莫来石的性质 莫来石分子式莫来石分子式3Al2O32SiO2，理论组成：，理论组成： Al2O371.8%，SiO228.2%。 u高的热态强度和荷重软化温度高的热态强度和荷重软化温度 u热震稳定性好热震稳定性好 u高温蠕变量小高温蠕变量小 u线膨胀系数小线膨胀系数小 u导热系数小导热系数小

11、 u化学稳定性好化学稳定性好 莫来石与刚玉和方镁石的性质比较莫来石与刚玉和方镁石的性质比较 种类种类 热膨胀系数热膨胀系数 /10-6 热导率热导率 W/（mK） （1000） 密度密度 （g/cm3） 熔点熔点（） 莫来石莫来石5.33.833.21810 方镁石方镁石14156.73.652800 刚玉刚玉86.93.992050 一、轻质微孔莫来石一、轻质微孔莫来石 u起始物料的组合起始物料的组合 工业氧化铝工业氧化铝+硅石硅石 铝矾土铝矾土+硅石硅石+工业氧化铝工业氧化铝 煤系高岭土煤系高岭土+工业氧化铝工业氧化铝+硅石硅石 粘土粘土+工业氧化铝工业氧化铝+硅石硅石 轻质微孔莫来石骨料

12、轻质微孔莫来石骨料 轻质微孔莫来石轻质微孔莫来石 二、轻质微孔橄榄石二、轻质微孔橄榄石 u镁橄榄石镁橄榄石 分子式分子式2MgO SiO2（简写为（简写为M2S），理论化学），理论化学 组成组成MgO57.3%，SiO242.7%，MgO/SiO2=1.34。 u结构紧密（密度结构紧密（密度3.22g/cm3），），Si-O和和MgO-O 间键力都比较强，结构比较稳定，熔点约间键力都比较强，结构比较稳定，熔点约1890 。 Mg2 SiO4 是是Mg-SiO2系中唯一的稳定相，从常系中唯一的稳定相，从常 温到熔点无晶型转变，并有一定的抗碱性渣寝室温到熔点无晶型转变，并有一定的抗碱性渣寝室 能力

13、，是优良的耐火原料。能力，是优良的耐火原料。 镁橄榄石的特点镁橄榄石的特点 u价格便宜；价格便宜； u较低的导热系数（是较低的导热系数（是MgO的的1/31/4）；）； u不水化不水化 u化学和矿物学稳定性好；化学和矿物学稳定性好； u对熔融金属和渣有良好的抵抗作用；对熔融金属和渣有良好的抵抗作用； u与多数耐火材料有较好的相容性。与多数耐火材料有较好的相容性。 合成轻质镁橄榄石料的物相组成合成轻质镁橄榄石料的物相组成 合成轻质镁橄榄石料的显微结构合成轻质镁橄榄石料的显微结构 特殊行业用轻质耐火材料特殊行业用轻质耐火材料 石油、化工工业石油、化工工业 玻璃、水泥工业玻璃、水泥工业 使用温度高；

14、使用温度高； 高温体积稳定；高温体积稳定； 还原气氛稳定；还原气氛稳定； 导热系数低。导热系数低。 碱性气氛中稳定；碱性气氛中稳定； 高温体积稳定；高温体积稳定； 导热系数低。导热系数低。 三、六铝酸钙轻质料三、六铝酸钙轻质料 合成六铝酸钙轻质料的相组成合成六铝酸钙轻质料的相组成 合成六铝酸钙轻质料的孔径分布合成六铝酸钙轻质料的孔径分布 四、四、CACA6 6-AM-AM复合轻质料复合轻质料 性能 六铝酸钙 CA6 刚玉 Al2O3 镁铝尖晶石 MA 熔点高18752050左右2135 热膨胀系数适宜8.010-6-18.610-6-18.010-6-1 还原气氛中稳定性 还原气氛中稳定性 高

15、 在高温下具有很好 的抗碳还原稳定性 在氧化或还原气氛 中保持较好的稳定 性 耐侵蚀性 在碱性环境中化学 稳定性高 耐腐蚀 抗侵蚀和磨蚀能力 强 其它 对熔融金属和熔渣 的润湿性低 强度高热震稳定性好 实验配比实验配比 编号 理论生成 CA6：MA之比 镁源（%）铝源（%）钙源（%） 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的骨料相组

16、成的骨料相组成 MAMA：CACA6 6=6:4=6:4的骨料相组成的骨料相组成 MAMA：CACA6 6=1:9=1:9的骨料相组成的骨料相组成 CACA6 6AMAM复合骨料的微孔结构复合骨料的微孔结构 CACA6 6AMAM复合骨料的孔径分布复合骨料的孔径分布 CACA6 6-AM-AM复合骨料的显微结构复合骨料的显微结构 CACA6 6-AM-AM复合骨料的显微结构复合骨料的显微结构 五、合成钙长石轻质料五、合成钙长石轻质料 u 钙长石钙长石 钙长石熔点为钙长石熔点为1553，理论密度为，理论密度为 2.76g/cm3，热膨胀系数低，热膨胀系数低4.8210-6-1 还原气氛下的抗侵蚀

17、能力非常突出还原气氛下的抗侵蚀能力非常突出 u 原料选择原料选择 高岭土、铝矾土、硅石粉、钙源 合成钙长石轻质料的相组成合成钙长石轻质料的相组成 合成钙长石轻质料的显微结构合成钙长石轻质料的显微结构 轻质料破碎加工时存在的问题轻质料破碎加工时存在的问题 六、球形微孔莫来石骨料六、球形微孔莫来石骨料 u球形骨料的优点球形骨料的优点 传统莫来石骨料的制备过程原料利用率低。传统莫来石骨料的制备过程原料利用率低。 由于骨料破碎产生的戏份量较大，而浇注时需要的由于骨料破碎产生的戏份量较大，而浇注时需要的 戏份量很少，造成了利用不经济。球形骨料则不需戏份量很少，造成了利用不经济。球形骨料则不需 要再经过破

18、碎，减少了细粉的生成，产量高。要再经过破碎，减少了细粉的生成，产量高。 骨料呈球形有利于密堆积。骨料分布均匀，从骨料呈球形有利于密堆积。骨料分布均匀，从 而提高浇注件的强度；而提高浇注件的强度； 球形骨料制备简单。无破碎工序，改善工人工球形骨料制备简单。无破碎工序，改善工人工 作环境，也与国家倡导的节能降耗方针一致。作环境，也与国家倡导的节能降耗方针一致。 不同条件下制的的球形微孔骨料不同条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 球形骨料显微结构球形骨料显微结构 高性能轻质浇注料应用的考虑高性能轻质浇注料应用的考虑 u莫来石质轻质浇注料莫来石质轻质浇注料 12001500 u橄榄石质轻质浇注料橄榄石质轻质浇注料 加热炉、水泥窑、玻璃窑及与碱性工作衬相适应 的背衬材料 uAl2O3-MgO-CaO质轻质浇注料质轻质浇注料 石化工业 一、微孔莫来石质轻质浇注料一、微孔莫来石质轻质浇注料 u实验配方实验配方 原 料粒 度Wt（%） 微孔莫来石轻质骨料 8-5、5-3、3-1mm&1- 0mm 48 Secar71纯铝酸钙水泥-200目10 二氧化硅微粉1 m7 其他适量 微孔莫来石质轻质浇注料性能微孔莫来石质轻质浇注料性能 性能 体积密度（g/cm3） 烘干后1.601.72 13503h