水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)用耐磨材料的研制與應(yīng)用

王立旺，朱其良，李新明（浙江錦誠(chéng)新材料股份有限公司，浙江 長(zhǎng)興 313100）

0 前言

水泥窯余熱發(fā)電是在新型干法水泥生產(chǎn)線生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)余熱回收裝置——余熱鍋爐將窯頭、窯尾排出大量低品位的廢氣余熱進(jìn)行回收換熱，產(chǎn)生過(guò)熱蒸氣推動(dòng)汽輪機(jī)實(shí)現(xiàn)熱能—機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電能，并供給水泥生產(chǎn)過(guò)程中的用電負(fù)荷。此系統(tǒng)不僅大大提高了水泥生產(chǎn)過(guò)程中能源的利用水平，而且對(duì)保護(hù)環(huán)境和提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益起到了巨大的促進(jìn)作用[1]。水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)管道內(nèi)側(cè)承受著夾雜固體小顆粒與粉塵的高速氣流的沖刷，結(jié)構(gòu)襯里容易在較短的時(shí)間內(nèi)磨損，從而導(dǎo)致余熱發(fā)電系統(tǒng)停機(jī)維修引發(fā)使用壽命下降、熱利用率低等系列問(wèn)題。水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)所利用的余熱氣體溫度一般不會(huì)超過(guò)700℃，在此溫度條件下，采用碳化硅、剛玉等原料制備的耐磨內(nèi)襯的高溫性能難以充分發(fā)揮出來(lái)[2]，原料成本較高，而且碳化硅材料的導(dǎo)熱系數(shù)較大，通常需要在管道內(nèi)壁增加一層隔熱襯里才能提高熱利用率。由于新型干法水泥余熱發(fā)電系統(tǒng)所用管道一般比較狹小，造成內(nèi)部支模澆注施工不便，多數(shù)采用搗打或涂抹的方式施工[3]。針對(duì)此種情況，本工作開(kāi)發(fā)了一種適用于水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)用的耐磨材料，具有施工方便、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、抗沖刷性能好、體積穩(wěn)定性優(yōu)異等特點(diǎn)，顯著延長(zhǎng)了余熱發(fā)電系統(tǒng)管道的使用壽命。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

根據(jù)水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)的工作條件，試驗(yàn)過(guò)程中采用的主要原料為高鋁礬土、煅燒氧化鋁粉、黏土、硅微粉、鋁酸鈣水泥等，高鋁礬土主要原料的化學(xué)組成見(jiàn)表1。為方便材料的運(yùn)輸和存儲(chǔ)，產(chǎn)品采用磷酸二氫鋁干粉作為結(jié)合劑，并加入掩蔽劑。

1.2 樣品制備

按配比將8～5 mm、5～3 mm、3～1 mm、1～0 mm的高鋁礬土混合，然后加入2%的濃度為42.5%的磷酸混合均勻，再加入不大于200目高鋁礬土細(xì)粉、煅燒氧化鋁粉、黏土、硅微粉、磷酸二氫鋁、掩蔽劑混合均勻，密封困料24 h，然后按比例加入鋁酸鈣水泥和水，在模具中搗打成型，自然養(yǎng)護(hù)24 h，在110℃烘干24 h后，分別在350℃和800℃熱處理3 h，測(cè)量試樣的強(qiáng)度、耐磨性和線變化。

表1 主要原料的化學(xué)組成%

1.3 材料設(shè)計(jì)機(jī)理

水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)用耐磨材料損毀的主要原因是在使用條件下基質(zhì)與骨料結(jié)合能力比較弱，骨料自身的強(qiáng)度高于基質(zhì)部分，基質(zhì)被高速氣流夾雜的顆粒沖刷后，使骨料顆粒裸露，繼而失去支撐而脫落。因此要提高管道內(nèi)襯的耐磨性，在增強(qiáng)基質(zhì)部分結(jié)合強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，首先要增強(qiáng)基質(zhì)與骨料之間的結(jié)合強(qiáng)度，在混料過(guò)程中采用磷酸先對(duì)骨料顆粒表面進(jìn)行潤(rùn)濕后再加入粉料，便于形成顆粒被粉料包裹的結(jié)構(gòu)，有利于增強(qiáng)基質(zhì)與骨料的結(jié)合能力。在顆粒級(jí)配方面，采用連續(xù)顆粒分布，按照最緊密堆積原則設(shè)計(jì)從而形成骨架密實(shí)的結(jié)構(gòu)。掩蔽劑能夠抑制材料中磷酸與鐵反應(yīng)產(chǎn)生氣體，降低成型過(guò)程中的發(fā)泡和鼓脹效應(yīng)[4]，而且即使有反應(yīng)發(fā)生，困料過(guò)程有利于氣體在成型之前釋放。鋁酸鈣水泥起到促進(jìn)材料硬化的作用，硅微粉起到分散效果，降低了材料的加水量，有利于提高致密性。

2 不同處理溫度對(duì)性能影響

試樣經(jīng)不同溫度處理后的性能指標(biāo)見(jiàn)表2，從表2中數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)110℃和350℃處理后的試樣強(qiáng)度接近，而經(jīng)過(guò)800℃處理后的試樣強(qiáng)度有所增加。這主要是由于磷酸及磷酸鹽與氧化鋁之間會(huì)隨著溫度的升高出現(xiàn)不同的磷酸鋁相[5]。在室溫條件下，部分H3PO4與Al2O3產(chǎn)生Al（H2PO4）3的磷酸鋁相，此反應(yīng)過(guò)程在困料過(guò)程中就已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行，與活性氧化鋁相比，采用煅燒氧化鋁粉能夠降低兩者之間的反應(yīng)速度，避免材料過(guò)早結(jié)塊，從而有利于延長(zhǎng)產(chǎn)品保存期限；磷酸二氫鋁干粉加入溶解后，試樣中的Al（H2PO4）3進(jìn)一步增加，磷酸二氫鋁是一種兼具氣硬性和熱硬性的結(jié)合劑，在促硬劑鋁酸鈣水泥作用下通過(guò)聚合及粘附起到增強(qiáng)結(jié)合作用，并且在常溫下以粘附作用為主。隨著溫度的升高，部分加入的 Al（H2PO4）3和 生 成的 2Al（H2PO4）會(huì) 進(jìn) 一 步 與Al2O3產(chǎn)生 Al2（H2P2O7）3的磷酸鋁相；在 500℃以上時(shí)，Al2（H2P2O7）3主要發(fā)生聚合反應(yīng)生成偏磷酸鋁聚合物[Al（PO3）3]n[6]。在整個(gè)升溫過(guò)程中，由于聚合物的形成及水分的蒸發(fā)，結(jié)合劑的黏度升高，加速了試樣的固化和強(qiáng)度提高。

從加熱永久線變化指標(biāo)可以看出，隨著熱處理溫度的升高，試樣呈現(xiàn)收縮狀態(tài)，這主要是由致密化過(guò)程引起的，材料采用搗打的施工方式?jīng)Q定了配比中粉料含量比一般的澆注料大，粉料比骨料更容易產(chǎn)生收縮，但在水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)不高于700℃的使用條件下難以產(chǎn)生充分燒結(jié)。

圖1 350℃×3 h處理后試樣耐磨試驗(yàn)后表面

圖2 800℃×3 h處理后試樣耐磨試驗(yàn)后表面

從圖1和圖2中常溫耐磨試驗(yàn)后磨損的界面來(lái)看，基質(zhì)與骨料同時(shí)被磨損，說(shuō)明兩者的結(jié)合比較緊密，這為材料具有良好的耐磨性能提供了基礎(chǔ)，且材料經(jīng)過(guò)350℃和800℃熱處理后都具有的現(xiàn)象，只是在耐磨性指標(biāo)上有差異。根據(jù)水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)的長(zhǎng)期工作溫度，此溫度條件恰好位于水泥完全失去結(jié)合水的溫度區(qū)間，在完全充分燒結(jié)的條件下采用水泥作為結(jié)合劑容易產(chǎn)生強(qiáng)度降低的波動(dòng)現(xiàn)象，從另一方面印證了采用磷酸鹽系結(jié)合劑比較合適，更有利于提高材料在不同溫度下的強(qiáng)度和耐磨性。

表2 不同處理溫度對(duì)試樣性能的影響

3 應(yīng)用實(shí)例

材料應(yīng)用于某公司5000t/d水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)高壓管道，管道內(nèi)壁焊接高度為20mm的龜甲網(wǎng)，采用手工涂抹方式施工，材料施工厚度30mm，施工效果見(jiàn)圖3，硬化時(shí)間4h左右。使用一年后，利用停窯檢修的機(jī)會(huì)進(jìn)行管道內(nèi)襯檢查，使用效果見(jiàn)圖4，材料的磨損厚度大部分在2mm以下，未見(jiàn)大范圍的裂紋和剝落現(xiàn)象，襯里基本都處于完好狀態(tài)，仍可長(zhǎng)期繼續(xù)使用，取得了良好的使用效果。

圖3 耐磨材料施工過(guò)程

圖4 耐磨材料使用效果

4 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)的工作條件，在材料設(shè)計(jì)方面主要從增強(qiáng)骨料與基質(zhì)的結(jié)合強(qiáng)度著手，使兩者在不同的溫度條件下都能達(dá)到同步磨損。

（2）采用高鋁礬土為主要原料制備的耐磨材料，隨著溫度的升高會(huì)形成不同的結(jié)合相，為材料強(qiáng)度和耐磨性的提高提供了基礎(chǔ)。

（3）耐磨材料經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明，材料施工性能優(yōu)良，凝結(jié)硬化時(shí)間適當(dāng)，具有較強(qiáng)的抗沖刷性能和抗剝落性能，材料推廣應(yīng)用前景廣闊。