前言

水泥窯余熱發(fā)電是在新型干法水泥生產(chǎn)線(xiàn)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)汽輪機實(shí)現熱能——機械能的轉換，再帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)出電能，并供給水泥生產(chǎn)過(guò)程中的用電負荷。此系統不僅大大提高了水泥生產(chǎn)過(guò)程中能源的利用水平，而且對保護環(huán)境和提高企業(yè)的經(jīng)濟效益起到了巨大的促進(jìn)作用。水泥窯余熱發(fā)電系統管道內側承受著(zhù)夾雜固體小顆粒與粉塵的高速氣流的沖刷，結構襯里容易在較短的時(shí)間內磨損，從而導致余熱發(fā)電系統停機維修引發(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襯的高溫性能難以充分發(fā)揮出來(lái)，原料成本較高，而且碳化硅材料的導熱系數較大，通常需要在管道內壁增加一層隔熱襯里才能提高熱利用率。由于新型干法部支模澆注施工不便，多數采用搗打或涂抹的方式施工。針對此種情況，本工作開(kāi)發(fā)了一種適用于水泥窯余熱發(fā)電系統用的耐磨材料，具有施工方便、結構強度高、抗沖刷性能好、體積穩定性?xún)?yōu)異等特點(diǎn)，顯著(zhù)延長(cháng)了余熱發(fā)電系統管道的使用壽命。

1.1 原料

根據水泥窯余熱發(fā)電系統的工作條件，試驗過(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。為方便材料的運輸和存儲，產(chǎn)品采用磷酸二氫鋁干粉作為結合劑，并加入掩蔽劑。

表1 主要原料的化學(xué)組成（%）

1.2 樣品制備

按配比將8～5mm、5～3mm、3～1mm、1～0mm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24h，然后按比例加入鋁酸鈣水泥和水，在模具中搗打成型，自然養護24h，在110℃烘干24h后，分別在350℃和800℃熱處理3h，測量試樣的強度、耐磨性和線(xiàn)變化。

1.3 材料設計機理

水泥窯余熱發(fā)電系統用耐磨材料損毀的主要原因是在使用條件下基質(zhì)與骨料結合能力比較弱，骨料自身的強度高于基質(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。因此要提高管道內襯的耐磨性，在增強基質(zhì)部分結合強度的基礎上，首先要增強基質(zhì)與骨料之間的結合強度，在混料過(guò)程中采用磷酸先對骨料顆粒表面進(jìn)行潤濕后再加入粉料，便于形成顆粒被粉料包裹的結構，有利于增強基質(zhì)與骨料的結合能力。

在顆粒級配方面，采用連續顆粒分布，按照最緊密堆積原則設計從而形成骨架密實(shí)的結構。掩蔽劑能夠抑制材料中磷酸與鐵反應產(chǎn)生氣體，降低成型過(guò)程中的發(fā)泡和鼓脹效應，而且即使有反應發(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。

試樣經(jīng)不同溫度處理后的性能指標見(jiàn)表2，從表2中數據可以看出，經(jīng)110℃和350℃處理后的試樣強度接近，而經(jīng)過(guò)800℃處理后的試樣強度有所增加。

表2 不同處理溫度對試樣性能的影響

這主要是由于磷酸及磷酸鹽與氧化鋁之間會(huì )隨著(zhù)溫度的升高出現不同的磷酸鋁相。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速度，避免材料過(guò)早結塊，從而有利于延長(cháng)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結合作用，并且在常溫下以粘附作用為主。隨著(zhù)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)生聚合反應生成偏磷酸鋁聚合物[Al(PO₃)₃]n。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)，結合劑的黏度升高，加速了試樣的固化和強度提高。

從加熱永久線(xiàn)變化指標可以看出，隨著(zhù)熱處理溫度的升高，試樣呈現收縮狀態(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)電系統不高于700℃的使用條件下難以產(chǎn)生充分燒結。

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

材料應用于某公司5000t/d水泥窯余熱發(fā)電系統高壓管道，管道內壁焊接高度為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，利用停窯檢修的機會(huì )進(jìn)行管道內襯檢查，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象，襯里基本都處于完好狀態(tài)，仍可長(cháng)期繼續使用，取得了良好的使用效果。

(1)根據水泥窯余熱發(fā)電系統的工作條件，在材料設計方面主要從增強骨料與基質(zhì)的結合強度著(zhù)手，使兩者在不同的溫度條件下都能達到同步磨損。

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

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

作者：王立旺，朱其良，李新明

來(lái)源：《浙江錦誠新材料股份有限公司》

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