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航天炉用耐火材料的选择

文章编辑:耐火材料 发表时间:2020-01-11 浏览次数:
航天炉采用水冷壁敷耐火材料结渣层技术,此种技术在高温热工设备上被广泛应用,比较典型的如炼铁高炉(炉 身下部)、电厂锅炉、炼钢电弧炉及一些有色冶炼炉等,这些设备工作温度高,水冷壁工况条件苛刻,但其应用效果都 很好,简言之,水冷壁技术在高温热工设备上的应用十分成熟,航天炉选择水冷壁敷以耐火材料是比较合适的。据了 解,在我国包括航天炉在内的粉煤加压气化炉的水冷壁上,在水夹套内侧焊有直径10mm的铆钉(亦称渣钉、锚固钉、 销钉等),采用涂抹和捣打的方式使不定形耐火材料与水冷壁夹套内壁紧密贴合,捣打层总厚度一般在20~30mm, 采用热导率大的耐火材料,熔渣粘附到耐火层后温度降低了,渣的粘度增大,熔渣逐渐凝固,渣层厚度在气化炉内达 到动态平衡,实现“以渣抗渣”。

我国粉煤加压气化炉用的主要耐火材料,首次施工一般为凯德力公司的SiC-Al2O3捣打料,江苏东台某耐火材料 公司开发的SiC含量70%~85%(质量分数)的SiC-Al2O3-Cr2O3捣打料也在多家公司的气化炉上收到良好的应用效果; 而局部维修和维护时,多采用洛阳耐火材料研究院提供的耐火材料。业内有人认为捣打料不易保证质量,成型后易产 生裂纹,且其气孔率较大、密度不够均匀,施工时劳动强度又较大,不如采用浇注料,并建议采用Al2O3-SiO2-SiC 浇注料;也有人在电厂锅炉水冷壁施工时认为施工体薄(最薄处厚度仅为60mm)、无法插入振动棒而采用喷涂施工。航 天炉施工体厚度只有20~30mm,更不易采用浇注料,特别是Al2O3-SiO2-SiC浇注料,因为航天炉内还原性气体H2 与耐火材料中的SiO2会发生反应,生成气态SiO并从耐火材料中逸出,导致耐火材料成型体被破坏。

SiC-Al2O3-Cr2O3系捣打料,是含有Cr2O3的SiC-Al2O3系耐火材料,其使用性能提高毋庸置疑———Cr2O3 是传统的优质耐火原材料。但由于Cr2O3系耐火材料在生产和使用过程中易产生有毒的Cr6+,污染环境,对人体有 害,因此目前我国对含有Cr2O3的耐火材料都在寻找替代产品。实际上,由于气化炉内为含高浓度CO和H2的还原性 气氛,气化炉水冷壁宜首选SiC系不定形耐火材料,以SiC为主的SiC-Al2O3系耐火材料在气化炉水冷壁上也有很好的 使用效果。SiC系不定形耐火材料具有极好的耐磨及耐高温性能,且具有高温下强度高、热膨胀系数小,热导率高、 抗热冲击性强、热震稳定性好、耐酸性氧化物侵蚀等优点,但SiC表面光滑,其吸水率低、粘结性差,用作气化炉水 冷壁时需与其他耐火原料进行混配,SiC与Al2O3结合的耐火材料比较普遍。耐火原料中要尽量减少甚至不宜有SiO2 和Fe2O3的存在,因为粗合成气中含有大量的H2,H2会通过耐火材料裂缝和气孔渗入,与耐火材料中的SiO2发生反 应,破坏耐火材料的组织结构,使其强度降低,加速耐火材料的损毁;另外,在强还原性气氛中,耐火材料中的Fe2O3 易还原成Fe而析出,造成耐火材料涂层破坏。SiC与某些物质的反应情况见表1。


 
表1SiC与一些物质的反应情况

由上述情况可以得出:采用SiC做骨料(SiC含量75%以上),Al2O3微粉及纳米粉为配料,与磷酸二氢铝结合的捣打 料,属于气硬性材料,在空气中就能固化。磷酸二氢铝胶体在一定温度下脱水浓缩发生聚合反应,加上Al2O3微粉及 纳米粉的凝聚作用,可使捣打料产生一定的强度,在高温下形成陶瓷结合,增强成品的抗侵蚀性和耐磨性;而耐火材料 中Al2O3的存在,还能与高温下SiC分解出的少量SiO2生成莫来石,形成无限固溶体,使耐火材料具有更优良的抗热 震性、抗氧化性。

水冷壁的耐火材料表面形成高强度、高热导率、抗侵蚀、不易剥落的保护层后,当熔渣接触耐火材料时,可以快 速冷却降温而粘结在材料表面,形成挂渣保护层,达到“以渣抗渣”的目的,从而保护水冷壁不受高温、高速气流及 熔渣的直接冲击。正常运行的气化炉,水冷壁的SiC涂层表面附着稳定的固态和液态渣层,因此SiC涂层表面温度远低 于炉内温度,一般仅400~500℃;若气化炉出现超温,会使渣的流动性增强,渣层厚度减薄,甚至使耐火涂层及水冷 壁管暴露,酿成事故。

SiC具有优良的抗高温性能和很高的热导率,广泛应用于炼铁高炉、电厂锅炉等热工设备的水冷壁上。华能电厂 锅炉水冷壁起初采用德国进口的一种SiC系涂抹捣打料(牌号为VE-90SiC),既可捣打又可涂抹施工,现场配料严格又 简单,无需困料,与金属构件粘结牢固,凝固时间短,垂直面没有支模也能施工等;其后杨笛等人仿制成功SiC系涂抹 捣打料,其技术参数见表2。


表2SiC系涂抹捣打料技术参数

注:括号内数据为德国进口产品指标。

这种捣打料是以SiC为主,而为提高捣打料的体积密度,研究得出合适的颗粒级配、磷酸铝溶液结合剂浓度及必 要的添加剂。使用时,采用一次铺料一次捣打成型。捣打料成型后,首先,自然养护,利用烟囱风和自然通风进行干 燥;然后,通过管道用温水加热到80~120℃干燥12h,再升温至300℃干燥24h,再升温至600℃干燥,直到升温至10 00℃干燥,使其达到使用要求。这对于航天炉水冷壁用耐火材料非常重要。

我国自主研发的SiC系捣打料在液态排渣炉卫燃带水冷壁上获得了很好的使用效果,其捣打料中SiC的颗粒级配为 24#42%、80#28%、W4020%、W710%,密度1.56~1.60g/cm3的磷酸铝溶液15%。SiC系捣打料铺设在垂直的管 壁上,为增强其粘结性,在铺设SiC系捣打料前,先在水冷壁管面铆钉上涂刷一层厚度小于1mm的耐火涂料,其配方 为:铝矾土熟料0.5~0.088mm的占比60%、<0.088mm的占比40%,密度1.56~1.60g/cm3的磷酸铝溶液70%。这 些技术参数对航天炉水冷壁上耐火材料的制作有重要的借鉴意义。

航天炉水冷壁所用耐火材料热导率是关键技术指标,热导率高,耐火材料表面温度低,熔渣易凝固沉积,这也是 采用水冷技术的关键所在。高热导率的SiC是热工设备水冷壁用耐火材料的普遍选择,水冷壁上形成的熔渣层导热系 数很低,会阻止热量向外传递,形成很好的隔热层,既保护水冷壁盘管又提高耐火材料的使用寿命。

前面提到的水冷壁用耐火材料,采用捣打施工方法存在一些不足,而浇注料又无法插入振动棒施工,参考与借鉴 业内的一些做法(有人在电厂锅炉的水冷壁上进行过喷涂施工),笔者认为采用湿式喷涂施工比较合适。耐火材料的湿 式喷涂是指预先将SiC等各种颗粒度的原料与结合剂搅拌成可输送的湿料,由特殊的泵送装置通过硬管或软管输送到 喷嘴,据湿料的流变特性和施工要求在管子靠近喷嘴处加或不加由压缩空气输送的促凝剂,再由高压空气通过喷嘴将 湿料喷射到施工体的表面上,施工面不需支撑模板或模胎,实现无模施工。这种施工方法既可以构筑新的耐火材料内 衬,也可修补旧的耐火材料内衬,喷射时不产生粉尘,可有效改善施工环境,施工效率高、省工省时,且湿式喷射形 成的衬体的物理性能优于捣打料。

对于航天炉靠近外层用的高铝不定形耐火材料及保温层,亦可以考虑采用喷涂料,即采用施工及物理性能指标比 较成熟的高铝喷涂料及轻质喷涂料,或采用高铝及轻质浇注料。

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