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循环硫化床锅炉用耐磨耐火材料存在的问题及使用情况

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发布时间:2003-12-01 浏览量:1199
          杨 笛
(原单位: 电力部电力建设研究所,北京市,102401。
现单位:航天部五零八所,北京市,100旧76)
摘 要 本文在着重叙述了循环硫化床锅炉用耐磨耐火材料在检测中发现的问题及解决办法。同时对各种不定型耐磨耐火材料及定型耐磨耐火材料的使用情况,进行了简单的介绍。
关键词 耐磨材料 耐磨性 循环硫化床锅炉
1  前言
    由于环境保护的需要,我国的循环硫化床锅炉(以下简称CFBB)已从75t/h的小型锅炉发展到410t/h的大型锅炉,网上供电的作用已由调峰补给变成起主导作用的稳定输电,所以需要锅炉稳定运行的配合。耐磨耐火材料作为CFBB锅炉中的一个重要组成部分,起着保护燃烧室、高温分离器、换热器及烟道等部位的金属件免遭磨损的重要作用,据资料介绍*,美国纽克拉电厂420t/h循环硫化床锅炉运行事故中,因耐火材料破坏造成的事故占设备事故率的15%。因此,研究耐磨耐火材料在检测过程中,暴露出来的问题及其使用情况,并寻找出解决方法及质优价廉耐磨耐火材料,对提高其性能及质量,保证循珂
炉安全、稳定、长期、高效的运转有着至关重要的意义。
2 实验室检测中耐磨耐火材料容易出现的问题
    按照2002年2月颁布的电力行业标准DT/L777-2001《火力发电厂锅炉耐火材料技术条件》的附录D和附录E中的要求,对循环硫化床锅炉用耐磨耐火可塑料、耐磨耐火浇注料及耐磨砖,通常作以下主要项目的测试:体积密度、常温抗压航折强度、热震稳定性、烧磁蹈叭痒、耐磨性、耐火度及可塑性指数。其中耐磨性是最不容易达到标准要求的,其次是抗压航折强度及耐火度这三项指标。在2002年二季度中,我们对耐磨耐火材料共17件进行了检测,其中全部项目合格的有10件,占59%;耐磨性不合格的有7件,占41%;抗压航折强度不合格的有2件,占12%;耐火度不合格的有1件,占6%。从这些数字的统计上看,耐磨性不合格是导致其耐磨耐火材料不合格的主要原因。同时,耐磨性又是耐磨耐火材料的重要指标,其标准数值为:耐磨浇注料<8cm3,耐磨可塑料<8cm3,耐磨砖<8cm3。实验中还发现,好的耐磨材料的耐磨系数可以达到4cm3—5cm3,中等的耐磨材料的耐磨系数为6cm3-8cm3,不合格的耐磨材料的耐磨系数为9cm3以上,有的甚至13cm3,最高达到48.2cm3。针对这些情况,我们对—些试件的检测数据进行了分析。
    (1) 某厂送检耐磨耐火砖,骨料为白刚玉,基质材料为刚玉和特级高铝细粉,经压制、烘干、煅烧而成。该材料的测试结果,体积密度为>3.0g/cm3,常温抗压强度为>80MPa,热震稳定性>25次,耐火度>1770ºC,耐磨性>10.85cm3。显然除耐磨性不合格外,其它数据都能达标。
    为什么采用了刚玉、特级高铝一类的高档耐火原料,其耐磨性还会不合格呢?我们对试件进行了分析:从试件的磨损界面上看,基质部分先于颗粒被冲刷、磨损掉,使颗粒突起、裸露进而也被冲刷掉(如图1),最后在试件被冲刷的中心部位形成一个深坑,使磨损量超标。究其原因有两点,一是压制砖坯时,成型压力不够,砖坯不致密,气孔率较高,造成耐磨性差。二是烧成温度或时间不够,即烧结程度不够,这是其主要原因。
    所谓烧成过程应分为五个阶段1.坯体排除水分阶段(10-200ºC),此阶段水分排出留下气孔。2.分解、氧化阶段(200--1000ºC),此阶段发生一些物理化学变化,如化学结合水的排出,晶型转变及少量低熔液相的生成。3.液相形成和耐火相合成阶段(1000ºC以上),此时各项理化反应继续进行,随着温度的升高,液相量增加,同时扩散、流动、溶解沉析、传质的过程也一并进行,颗粒在液相表面张力的作用下,进一步靠拢而使坯体致密化。4.烧结阶段,坯体中各种反应趋于完全、充分,液相数量继续增加,结晶相继续成长,坯体强度增大,体积缩小,气孑L率降低,达到致密化,完成所谓“烧结”。5.冷却阶段,从高温到低温的冷却过程中,主要发生耐火相的析晶,玻璃相的固化等过程。所以,我们认为磨损过大是因烧成的温度或时间不够,砖坯未被完全烧结,基质与骨料颗粒没有熔为一体,致密性差,气孔率高而引起的。对刚玉制品来说,半干压制的坯体,应在大于1700~C的温度下烧成,烧成收缩率为18--20%。
    (2) 某厂送检的耐磨可塑料,骨料、粉料均为一级高铝熟料,结合剂为磷酸铝;采用混合碾练、困料、挤出、切坯等工艺制成。使用时需施加较大的压力成型,否则砌筑体的密度较差。该材料的测试结果:体积密度>2.65g/cm3,815℃时的抗压航折强度>34.26/10.19Mpa,热震稳定性>25次,耐火度1770ºC,耐磨性>9.54cm3。与标准对照,815℃时的抗压航折强度及耐磨性均不合格。
    观察现象:从试件的磨损界面上看,基质部分即粉料部分偏多,大颗粒也较多,中间颗粒较少,试验时在研磨介质——金刚砂的喷吹磨蚀下,粉料先被冲刷、磨损掉,使大颗粒突出,在中间颗粒偏少的情况下,很容易被冲刷掉(如图2),最后在试件被冲刷的中心部位形成一个深坑,使磨损量超标。
    分析原因:从试样的整体情况看,导致三项指标不合格的因素有两个:其一是整个可塑料的颗粒组成不合理,粉料偏多,颗粒料偏少,尤其是中间颗粒最少。其二是可塑料中的气孑L率较高,致密性差,使之耐磨性差。针对上述两种情况,应采取以下措施:一是调整颗粒级配,使其达到最紧密堆积,用粉料作为基质填充在骨料形成的框架中,最终使可塑料形成较高的密实度。二是可塑料的含水率应趋于合理,不致因水份过高而在烘干和烧成后留下较多的气孔,导致气孔率升高,密度降低,影响耐磨性。三是选择结合力较强的结合剂,使可塑料在高、中、低温下,都具有较高的抗折和抗压强度。
2 使用情况
2.1不定形耐磨耐火材料
2.1.1磷酸(磷酸盐)结合的不定型耐磨材料
    磷酸(磷酸盐)结合的不定型耐磨材料,在CFBB锅炉升温初期(环境温度——300ºC)材料的耐磨性较差。原因在于磷酸(磷酸盐)结合剂是一种热硬材料,其胶结机理属于缩聚结合。在受热时,酸式磷酸铝分解脱水而聚合,产生粘结作用。当温度小于300ºC时其粘结作用未充分发挥出来:但在600ºC时,坯体己具有较高的强度,600一1000ºC(或1100ºC)间的热态强度继续增大,900ºC时基本达较大值;所以在使用磷酸(磷酸盐)结合的不定型耐磨材料做CFBB炉衬时,应先在无气流冲刷前,将炉衬材料升温固化,以便获取较高的强度,抵抗CFBB中的气流磨蚀冲刷。从磷酸(磷酸盐)的胶结机理看,只要材料的颗粒级配合理,结合剂的加入量适当,该材料应能满足CFBB的使用要求。
2.1.2耐火水泥结合的不定型耐磨材料
    原有的普通铝酸钙水泥结合的浇注料,是无法满足CFBB苛刻的运行要求的。其原因在于铝酸钙水化物在加热脱水和分解过程中使水合键遭到破坏,原来的片状、针状体结构也不存在;同时,由低密度的水化物转化为高密度的水化物或无水矿物,摩尔体积缩小,空隙增大,而在中温阶段(800~1100ºC)烧结作用尚不明显,因此会导致铝酸钙水泥结合浇注料强度明显下降。而CFBB的最高燃烧温度为900--1000ºC,故普通铝酸钙水泥结合的浇注料,是不适宜做CFBB炉衬的。
    现在,采用纯铝酸钙水泥结合的致密耐磨浇注料,是大多数CFBB的首选炉衬材料,但也存在一个较普遍的问题--—爆裂。所谓“爆裂”是指致密浇注料,由于气孔率低,在烘干过程中,水分无法顺利排除而聚集,产生较大的蒸汽压,当压力大于材料的结合力时,砌筑体表面产生爆裂和层状剥落。CFBB所用的耐磨浇注料,就属于这种密度大,气孔率低的致密浇注料,所以在锅炉点火升温速度快时,炉衬表面会产生较达面积的开裂和剥落,轻者可使耐火层减薄,耐磨周期缩短;重者使被保护的金属件裸露,造成运行事故。解决的方法是,加入一些“防爆剂”,在烘干过程中,形成少量毛细孔,既能使水气排出,减小蒸
汽压,防止爆裂;又不至于气孔率提高,降低坯体密度。
2.1.3水玻璃结合的不定型耐磨材料
    以水玻璃为结合剂配制的不定形耐火材料具有中、高温强度损失少,热稳定性、耐磨性和耐酸、碱腐蚀性较好的特点,但最高使用温度一般不超过1200ºC,这恰好与CFBB的炉温相符。所以比较适宜做CFBB炉衬,只是注意耐火骨料、粉料需选用刚玉或特级高铝料为好。
2.2定性耐磨耐火材料
    目前,CFBB用的定性耐磨耐火材料,主要有以下两种:一是氮化硅结合碳化硅砖,此种材料价格昂贵,使用效果较佳。二是磷酸盐耐磨砖,该材料抗折强度高,耐磨性能好,造价比氮化硅结合碳华硅砖便宜,一直是CFBB的部分炉衬。
3 结束语
    (1)耐磨耐火材料除选用硬度大,耐磨性好的骨料外;还应注意结合剂的选择,提高材料的结合强度。
    (2)材料的抗折性能,对其耐磨性的影响极大。可以说,抗折强度高,耐磨性好。
    (3)采用高价耐火原料,未必能制造出性能优良的耐磨耐火材料,反而会提高成本。关键在于配比合理,生产方法正确。
    (4)恰当施工方法,施工机具的使用,是发挥耐磨耐火材料性能的必备条件之一。

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