耐火纤维材料的选择与应用

耐火纤维材料的选择与应用

0营造良好的炉衬气氛耐火纤维是一种玻璃或微晶结构的材料。在高温下使用时，纤维结构中的物质被重排，导致晶体分析和晶体长度的现象。当体积大小接近纤维直径时，纤维结构遭到破坏，纤维被分散，纤维制品严重收缩。耐火纤维内部的析晶与晶体长大的过程除了与其成分以及使用温度有关外,还与所在的环境气氛有关,很多燃烧气氛会加速这一进程的发生。因此,在选用耐火纤维材料时,不仅应考虑耐火纤维的标准分类温度,而且更应根据所使用的气氛,来选择耐火纤维品种(主要指化学成分),以便最大限度地合理利用好耐火纤维材料作为耐火隔热炉衬的优势。目前,虽然耐火纤维以其既耐火又保温的重要特点已在工业炉窑上得到了广泛的应用,但是我国一些用户包括有些设计人员由于对耐火纤维性能的片面认识,造成耐火纤维炉衬使用寿命较短,节能效果差(往往是由于炉衬表面存在较多的收缩缝引起)。其中,气氛就是容易被忽略的一个重要因素。为此,本文就炉内气氛对耐火纤维炉衬的影响进行分析评估。1碱性1.3耐火纤维材料的侵蚀目前,大多燃料在燃烧过程中均要产生一定量的烟尘,还有一些炉内的被加热物料也有可能产生一些化学粉尘。由于耐火纤维材料的多孔性及较高的比表面这些烟尘与粉尘就很容易吸附粘连到耐火纤维炉衬的表面。依据这些烟尘与粉尘的化学成分不同,对耐火纤维材料的影响程度也不同。例如,对于一些通常含有K2O、Na2O、CaO等碱性类的烟尘与粉尘,在800℃左右的高温就很容易与耐火纤维材料发生反应,产生“低共融”现象,由此耐火纤维发生“低共融”侵蚀。当烟尘与粉尘中含有V2O5时,它一方面自身容易产生低熔点物质,另一方面当它与碱性类的烟尘与粉尘共存时,提供了促进碱性物质对耐火纤维侵蚀反应的催化机能。当含有P2O5类物质时,可以显著加速耐火纤维内部的结晶化进程,由此引起纤维的粉化。一般而言,以重油为燃料的工业炉内的烟尘中,含有K2O、Na2O等碱性氧化物以及V2O5,因此这类烟尘对耐火纤维材料就具有较强的侵蚀性。另一种情形为炉衬上的碱性粉尘是由被加热物料产生的,如,在一些与钢铁、火电锅炉、铸造型壳培烧有关的工业炉中所产生的粉尘中就经常含有CaO、Na2O、K2O等碱性物质。解决工业炉内碱性烟尘与粉尘对耐火纤维材料的侵蚀,主要手段是在耐火纤维炉衬表面作适当的保护处理。例如,我们在耐火纤维炉衬表面采用一种表面硬化剂(BT-R1000)涂覆就取得了良好的效果。2纤维结晶化的影响耐火纤维有2个重要的性能指标:即分类温度与加热线收缩率。这2个性能指标是在氧化性或中性气氛的实验条件下(一般采用电加热升温)测定的,因此在实际设计、选用耐火纤维材料时,应基于这2个性能参数并根据实际炉内的气氛作出合理的修正特别是不能将耐火纤维的分类温度直接当作其实际使用温度的指标。一般而言,耐火纤维的加热线收缩率应控制在4%以内(24h内)。这样,以4%加热线收缩率为依据,就可以界定耐火纤维在该加热条件下的最高使用温度。而耐火纤维在高温下产生加热线收缩的主要原因是耐火纤维结晶化。随着纤维内晶体的长大、粗化,耐火纤维衬里从热面开始慢慢收缩,当纤维内的晶体长大到一定程度时,纤维之间开始互相融结,纤维发生脆化而粉化,且耐火纤维衬里的线收缩率超过限值。耐火纤维的晶化过程除了与耐火纤维的化学成分、使用温度有关外,炉内气氛也有一定的影响。如果炉内的气氛是还原性气氛,一般会对SiO2含量较高的耐火纤维材料的晶化过程有促进作用。以含CO的还原性气氛为例,在高温下,CO会对纤维结构中的SiO2发生侵蚀,加速纤维内部质点迁移进程,晶粒生长加速,纤维材料发生粉化。同时,由于纤维发生侵蚀时会在纤维表面形成许多粗糙的微孔结构,这些微孔结构对CO有强烈的吸附作用,而微孔内的CO在高温下进一步析出C,导热性好的C又进一步劣化纤维炉衬的隔热性能。上述过程伴随以下的化学反应:SiO2(固体)+CO(气体)※SiO(气体)+CO2(气体)CO(气体)※CO2(气体)+C(固体)一般而言,炉内的环境气氛是由所用燃料、空气过剩系数、炉内物料的化学性能等因素决定的。固体燃料一般比液体燃料更易产生还原性炉气,而液体燃料又比气体燃料更易生成还原性炉气。此外,燃料中一些还原性杂质(如硫、氯等元素)的存在及其含量同样影响着炉内的环境气氛。含HF的炉气则更会对耐火纤维材料产生致命的化学侵蚀。另外,对于一些特殊工业炉的炉衬,如真空气氛炉,对耐火纤维材料在高温下的挥发性能即所谓的“溢气”现象有着严格的要求。在选用耐火纤维材料时,更应注重其化学成分以及杂质含量。用于这些场合的耐火纤维材料一般应选用高Al2O3含量的耐火纤维或者ZrO2纤维材料。3氢气氛试验分析在常见的耐火纤维品种中,SiO2是主要的化学组成之一。但是在高温下的氢气氛下,SiO2一般会发生以下的化学反应:H2(气体)+SiO2(固体)※SiO(气体)+H2O(气体)这些反应生成的气相SiO还可以与氢气进一步反应生成低分子量的硅化物气体。因此,在高温下氢气对SiO2可产生较强的侵蚀作用。这样,在使用氢气氛的工业炉,如一些金属粉末烧结炉等,就需要选择合适的耐火纤维品种作为其隔热炉衬以下就个耐火纤维制成的试验块均为边长左右的立方块)在1450℃的氢气氛条件下,对其侵蚀程度及速度进行了定量的试验分析。试验条件:炉内氢气的充气量约为425NL/h(露点低于40℃),升温速率为200℃/h。表1为试验样品的主要成分及密度。图1为在1450℃的氢气氛中,表1中试样1、试样2失重率随时间的变化曲线。从图1我们可以发现,所有试样在恒温30h后其失重率基本恒定。更为明显的是,SiO2含量较高的耐火纤维品种,由于失重率达到20%以上,显然不适宜作为含氢气氛下的高温炉衬材料。对比试样1和2,在密度相当下,由于2号样含有填料,因此,比表面积相对较小,所受氢气的侵蚀也相对较小。图2为表1中试样3～6在不同时间下失重率的对比。图中反映了同一品种的耐火纤维材料随着密度的增大,制品空隙率减少,透气性变差,因此氢气对制品内部的侵蚀相应减弱。图3为在1450℃氢气氛下,试样在厚度方向的加热收缩率与加热时间的关系。图3表明对于同一品种的耐火纤维来说,加热收缩率随制品密度的增加而减小(如试样3、5、6)。对于试样1,在厚度方向较低的加热收缩率似乎与其高的失重率相矛盾,但我们认为这主要是由于它采用了SiO2作为粘结剂,而这种SiO2比纤维材料中SiO2具有高得多的活性,因此,在高温氢气氛中,首先解除了纤维间粘结作用,这样被压紧的一些纤维就可以在一定程度上得到回弹,部分补偿了在制品厚度方向的收缩。试样2虽然也采用的是SiO2粘结剂,但由于制品中的填料影响纤维材料的回弹效果,因此在厚度方向有较大的加热收缩率。综合以上实验结果表明,在高温氢气氛中,应选用高Al2O3(含量大于97%)成分的耐火纤维品种,并应有适当高的制品密度。4锚固件的选择锚固件一般是用来固定或者辅助固定耐火纤维衬里层。根据耐火纤维制品形式的不同,采用锚固件的形式也有所不同,有的埋于耐火纤维制品中,如,纤维喷涂衬里、耐火纤维折叠块等,也有的锚固件部分外露于炉膛中,如采用层铺法的炉衬结构。由于耐火纤维制品属于多孔性材料,具有一定的透气性,因此即使隐藏于耐火纤维制品内的锚固件也或多或少受到炉气的影响,特别是在使用一定时间后的耐火纤维炉衬,由于其加热收缩缝受到炉内气氛的影响更大。根据材质,锚固件可分为陶瓷锚固件及金属锚固件2大类。陶瓷锚固件耐温高,抗化学侵蚀性能优异,相对于金属锚固件而言,其基本不形成热桥,而且热膨胀系数也比金属锚固件小得多,因此,对耐火纤维衬里的固定效果更佳。与金属锚固件比较,其不足之处是安装固定较复杂,脆性大。金属锚固件的特点是,安装固定方便,韧性好。主要缺点是耐腐蚀性差,容易形成热桥。在有些使用场合,为了将金属与陶瓷材料的优势结合起来还可以将金属与陶瓷锚固件组合使用在选择金属锚固件时,一方面要考虑其高温强度;另一方面还要了解清楚炉内的气氛,并分析可能对金属锚固件产生的腐蚀机理。不同的腐蚀性气氛对不同金属材料的腐蚀机理不同。例如,含硫炉气对钢材的腐蚀主要是低温露点腐蚀,而高温下对钢材的腐蚀相对较弱。对于含氯炉气则主要考虑其高温腐蚀作用,特别是对奥氏体不锈钢材料的应力腐蚀尤其严重。在选用含氢气的气氛中的金属锚固件时,应特别注意“氢脆”现象的发生。针对以上这些不同腐蚀作用机理,我们可选择不同功能的金属锚固件或陶瓷锚固件(包括它们的组合),以避免这些腐蚀的发生。5加速晶化过程的影响(1)在工业炉内碱性