工业炉窑轻质隔热耐火炉衬结合剂的研究

工业炉窑轻质隔热耐火炉衬结合剂的研究

耐火纤维填充技术是在20世纪80年代初开发的一种新技术，以建造工业炉的轻涂层和耐火加热炉的结构。该技术采用专用的纤维喷涂机,将预处理的散状耐火纤维棉和结合剂通过外部混合的方式,喷涂到炉壁表面,形成耐火保温纤维炉衬。这种外部混合方式使纤维棉能成絮片状附在受喷涂的壁面上,并使纤维喷涂炉衬呈三维网络结构。这种先进的施工技术与其它筑炉方法相比,具有简便、省时、高效的特点,尤其能适应复杂异形炉衬的施工,使整个炉衬成为无接缝、密封性好的整体结构,可根据具体的设计要求进行多层纤维复合炉衬的施工,以获得高性能、低成本的最佳组合。纤维喷涂炉衬最大厚度可达300mm。采用该技术不仅能大幅度缩短施工周期,而且还能提高炉窑的热效率,获得优良的综合节能效果。因此,该技术自诞生以来,在工业炉窑的新建、改造和检修工程中已得到成功的应用和迅速推广。由目前相关资料的报道得知,耐火纤维喷涂通常采用的结合剂是由溶胶、硅酸盐、磷酸盐、金属氯化物、高岭土或膨润土、有机物等材料中的一种或多种材料外加水和少量添加剂构成,实际喷涂中发现,结合剂产生的常温结合强度低,常温固化时间长。在喷涂施工过程中,先后喷涂的纤维层间以及纤维层和受喷壁面之间的粘合不牢,致使喷涂层大面积脱落;同时,还发现纤维喷涂炉衬抗气体冲刷能力较弱,实际应用中往往出现冲刷脱落现象。由此可见,有必要对耐火纤维喷涂用结合剂进行研究,以改善纤维喷涂层的结合强度与抗冲刷能力,更有效地利用纤维喷涂炉衬的优良性能。1结合剂技术性能要求在耐火纤维喷涂的实际施工过程中,要求纤维喷涂施工环境温度≥5℃,首先将施工体表面清理干净,焊接锚固件,涮上机粘合剂。喷涂时,将散状纤维棉送入喷涂机,纤维棉被均匀破碎后,在输送气体的动力作用下,经喷枪内环喷出,结合剂经喷枪外环喷嘴呈雾状喷射,带有一定喷射冲力的纤维散棉与结合剂在喷枪外均匀混合后,喷涂在壁面上。以每层厚度为30～70mm进行喷涂施工,要求喷枪不停地作螺旋式移动,进行分区、多次喷涂,以达到喷涂层设计厚度。在达到设计厚度要求后,对纤维层表面进行压平和表面固化处理。由于耐火纤维优良的吸水性,刚刚喷涂上的纤维层含水量高,因而,在喷涂过程中,根据不同的结合剂常温结合强度与固化速度,在每一喷涂层达到一定的厚度时,喷涂纤维层在其自重的作用下,会大面积脱落。在喷涂纤维炉衬中水分挥发后,于炉窑高温生产条件下,喷涂的纤维层能否形成一个整体性好、强度高、不易剥落的炉衬,关键就在于结合剂能否将耐火纤维牢固结合。由此可见,结合剂是决定耐火纤维喷涂炉衬质量优劣的一项关键技术。根据上述喷涂耐火纤维时结合剂所起的作用,可分析出对结合剂的技术性能有下列要求。首先,结合剂应具备良好常温结合强度和高温结合强度,以满足纤维喷涂的施工性能要求和炉衬的高温抗冲刷性能要求;其次,结合剂应能承受炉窑的工作温度且不降低纤维耐火性能,以满足纤维喷涂炉衬的耐高温性能的要求;第三,结合剂应具有良好的扩散性能、渗透性能、浸润性能和流动性能,以便结合剂能均匀地分散于喷涂的纤维层内,保证纤维喷涂层的均匀性与整体性;第四,结合剂应不腐蚀钢板、锚固件、胶泵泵体和胶泵隔膜等,若胶泵隔膜稍有腐蚀,会大幅度地降低胶泵的扬程,影响喷涂时结合剂的喷射压力和结合剂雾化效果,导致喷涂的纤维层中结合剂分散不均匀,进而会降低炉衬结合强度和整体性,缩短炉衬的使用寿命。2综合剂的开发2.1结合剂的结合机制通常炉窑砌筑材料用的结合剂种类较多,按照其化学性质的不同,其结合机理也不同。以下是常用结合剂的6种典型的结合机理。2.1.1基于水化反应机理产生强度借助于常温下结合剂与水发生水化反应,生成水化产物而产生结合作用。如水泥通过水化结合机理而产生强度。水化结合的结合剂在常温下进行水化反应需要有一个过程,因而需要一定的凝结与硬化时间,一般初期强度较差。如水泥结合剂,在潮湿的条件下需要进行一定时间的养护。2.1.2酸相或磷酸盐类促凝剂强化推动凝剂的制备借助于结合剂与促凝剂,在常温下发生化学反应或加热时发生化学反应生成具有结合作用的化合物,进而产生化学结合。由于结合剂与促凝剂的化学反应速度和相互混合接触的扩散速度的限制,因而形成强度需要一定的时间。如硅酸钠(水玻璃),加氟硅酸钠促凝剂时,发生反应生成水溶液SiO2·nH2O,经脱水形成硅氧(Si-O-Si)网络结构,从而产生较高的结合强度。磷酸与磷酸盐结合剂的硬化机理则是,磷酸根离子夺取促凝剂中的金属阳离子或铵离子等,形成具有良好胶凝性磷酸盐、含水磷酸盐或使生成物沉淀而凝结硬化;聚合氯化物结合剂也是在促凝剂的作用下,通过化学反应而凝结硬化。2.1.3甲阶酚醛树脂加酸固载体催化剂借助于加催化剂或交联剂,使结合剂发生缩聚形成网络状结构而产生结合强度。如甲阶酚醛树脂加酸作催化剂或加热时通过缩聚反应而产生较好的结合强度。同样,缩聚结合也需要一定的时间。又如,在加热条件下,线型酚醛树脂加甲基四胺通过交联反应会产生缩聚结合。2.1.4纳米结合剂的制备方法借助于如下数种物理作用之一或几种作用叠加而产生结合。其一是吸附作用,包括物理吸附和化学吸附,依靠分子间的相互作用力-范德华力而产生结合。其二是扩散作用,即在物质分子热运动的作用下,结合剂与被结合物的分子发生相互扩散作用,在界面上形成扩散层,从而形成牢固结合。其三是静电作用,即结合剂与被结合物的界面存在双电层,由双电层的静电引力作用而产生结合。因而,能迅速形成结合,并随着结合剂中溶剂的蒸发,结合强度不断增强。产生粘附结合的粘合剂多为有机结合剂,其中有的是暂时性结合剂(即在常温下或低温下起粘结作用,经中温或高温后会燃烧掉),如糊精、羟甲基纤维素、环氧树脂、纸浆废液、淀粉等;有的为永久性结合剂,经中高温后,除部分挥发物分解挥发外,其余的成分会碳化形成碳结合,如沥青、焦油、酚醛树脂等。此外,还有一些永久性无机结合剂具有粘附作用,如水玻璃、硅溶胶、磷酸二氢铝、粘土、膨润土等。2.1.5电解质液对双电层凝聚性的影响依靠加入凝聚剂(主要为有机高分子物质,可分为阳离子、阴离子和非离子三种类型)使微粉(胶体粒子)发生凝聚而产生结合。由于胶体质点之间存在范德华力,当质点相互接近时,因双电层的重叠而产生排斥力,胶体的稳定性与凝聚性则取决于质点之间的吸引力和排斥力的相对大小。要使微粒发生凝聚,就必须克服双电层重叠时产生的排斥力。加入电解质后,会使更多的反离子进入双电层中的扩散层,起到电性中和的作用,使扩散层厚度变薄,排斥力下降。当扩散层变薄(压缩)到与紧密层叠合时,ζ电位为零,胶体粒子会发生快速凝聚。因而,该种结合在凝聚剂种类和用量适当的条件下可迅速形成结合强度,因此,也会带来施工困难的问题。如氧化物超细粉、粘土、膨润土等加分散剂和迟效促凝剂的结合体系。2.1.6低液相温度陶瓷结合也就是烧结结合,即在炉窑的砌筑材料中加入可降低烧结温度的助剂或金属粉末,大大降低液相出现温度,促进低温下固-液反应而产生低、中温烧结结合。一般所使用的烧结助剂是在500～1000℃的低温下,首先产生粘性液相将材料粘结在一起,随后随着温度的提高,依靠液-固之间的高温化学反应,生成具有更高熔融温度的结合相而产生坚固的结合,如耐火烧成砖的结合。2.2结合剂对纤维喷涂层性能的影响根据耐火纤维喷涂常用结合剂的组成,不难看出,涉及的结合剂种类有无机结合剂和有机结合剂两大类,既有一种结合剂组成,也有多种结合剂混合组成的复合结合剂;结合机理有化学结合、粘附结合、凝聚结合、陶瓷结合等。针对纤维喷涂过程中存在的问题,根据不同的结合机理及其特点,从改善结合剂常温与高温结合性能的角度出发,认为结合剂应由有机粘附结合剂、无机化学结合剂、氧化物微粉凝聚结合剂、分散剂等复合构成。通过有机结合剂的粘附结合为纤维喷涂层提供初始结合强度;通过无机盐结合剂的化学结合来改善纤维层的常温强度,提供中温和高温强度;通过活性氧化物微粉的凝聚结合进一步提高纤维层的常温强度、中温强度与高温强度,降低结合剂中有害成分对纤维层耐高温性能的影响;在纤维层压平整理过程中,微粉随着结合剂的外溢而逐渐沉积,在高温使用条件下进行烧结,形成密度,从里向外不断增强纤维炉衬,可大幅度地改善纤维炉衬的抗高温冲蚀性能,延缓炉衬纤维的结晶粉化进程,达到延长纤维炉衬的使用寿命。2.3结合剂的原材料选择按照上述结合剂的构成分析,根据不同的有机与无机结合剂的性质与化学成分,针对不同的使用温度条件和纤维层的表面性能要求,考虑到原材料来源广、价廉、易于购买的要求,对结合剂的原材料进行了选择分析。2.3.1微粉结合剂选择对于1000℃以下的使用条件,选择模数为2.9、密度为1.38g/㎝3水玻璃为结合剂的主要成分,氟硅酸钠为促凝剂,考虑到许多常用的有机结合剂对水玻璃的促凝作用,选择黄糊精为有机结合剂,选择三聚氰胺为分散剂。根据纤维喷涂层表面性能要求的不同来选择氧化物微粉凝聚结合剂。当表面有高辐射性能要求时,可选择Cr2O3微粉、稳定氧化锆微粉或其它辐射性能优良的微粉为凝聚结合剂;当表面有反辐射性能要求时,可选择氧化钛微粉为凝聚结合剂;当表面没有特殊要求时,可选择硅微粉、氧化铝微粉为凝聚结合剂。考虑到有机结合剂的防腐要求,还应添加微量的防腐剂。按照上述选择的原材料进行了结合剂的配方设计,并在实验室条件下进行了结合剂的配制工艺、结合性能与配方调整等实验研究工作,通过实验结果的分析,确定结合剂配方,表1所列为1000℃以下使用的结合剂配比。2.3.2施工用纳米药剂和有机物微粉结合剂的选择在1000～1350℃下的使用条件下,选择SiO2浓度为29%硅溶胶为结合剂的主要成分,氯化铝为促凝剂;考虑到许多常用的有机结合剂对硅溶胶的促凝作用,选择黄糊精为有机结合剂,选择三聚氰胺为分散剂。根据纤维喷涂层表面性能要求的不同来选择氧化物微粉凝聚结合剂,具体要求如上所述。此外,考虑到有机结合剂的防腐要求,还应添加适量的防腐剂。按照上述选择的原材料,对结合剂的配方进行了设计,并在实验室条件下,对结合剂的配制工艺、结合性能和配方调整等进行了实验,通过实验结果的分析,确定结合剂配方,表2为1000～1350℃下使用的结合剂配比。2.3.3实验结果分析分别采用预处理的硅酸铝、含锆纤维棉和研制的结合剂在实验室进行了40mm×40mm×160mm试样成型与实验。实验结果表明,与原结合剂相比,研制的结合剂试样硬化时间明显缩短,结合强度大幅度提高,硬化后试样表面有微粉沉积层,且1000℃×3h烧后收缩率明显减小,烧后表层具有一定的陶瓷结合特征,气孔率大幅度降低,延缓了纤维的晶粒长大速度和粉化速度,改善了纤维层的高温抗气流冲刷性能,但试样密度有所提高,不利于纤维炉衬的保温性能要求。3一般配方的应用3.1全纤维炉衬的研制根据武钢轧辊有限公司高温热处理火焰炉的设计要求,该热处理炉为全纤维炉衬,最高热处理温度为1300℃,台车面积为20m2,炉子容积为40m2,以高焦混合煤气为燃料,通过炉子下部两侧对面均匀布置的多个高速烧嘴对炉子进行加热,主要用于高铬铸辊的热处理。为了保证纤维炉衬的整体性,要求采用纤维喷涂进行炉衬施工。基于研制的结合剂性能,考虑到全纤维炉衬的轻质保温性能和成本化炉衬结构的要求,通过与设计单位和产权单位的共同协商,决定采用表2所列的结合剂和含锆纤维喷涂炉衬高温侧140mm纤维层,同时,还希望能提高炉衬的表面辐射性能。经过两周的时间,完成了高温热处理炉全纤维喷涂炉衬的施工,并投入生产使用。实际生产结果表明,炉墙保温性能优良,升温速度快,达到了预期的节能效果;与常规的高温热处理炉相比,节能率可达30%以上。经过2年多的实际生产使用后观察,发现炉衬表面光滑、平整,色泽均匀,说明研制的粘结剂能提高炉衬表面的结合强度,改善了纤维炉衬的表面抗冲刷能力,达到了延长使用寿命的目的;同时,也改善了纤维炉衬表面的红外辐射性能,提高炉壁黑度,强化了炉内辐射传热,收到了良好的节能效果。3.2炉衬喷涂工艺武钢机械制造公司650℃台车式热处理炉用于锻件的热处理,炉衬原为纤维制品贴块结构,在实际应用中,由于贴块粘结不牢,出现严重的炉衬脱落现象,基于纤维喷涂炉衬优良的整体性能,决定对热处理炉炉衬进行纤维喷涂施工,采用表1所列的结合剂和普通硅酸铝纤维进行了炉衬喷涂施工。该热处理炉经过2年的实际应用,纤维喷涂层完整,未出现脱落破损现象,与传统的纤维制品贴块相比,炉衬使用寿命延长50%。经实际测试,炉外壁温度下降40℃,综合节能率为6%。4微粉改性纤维喷涂材料的筛选总结耐