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高鋁質耐磨可塑料中促凝劑的選擇也會影響鍋爐的使用壽命!

文字:[大][中][小] 手機頁麵二維碼 2021/5/7     瀏覽次數:    

近年來,循環流化床鍋爐(CFB)作為一種主要的“清潔燃燒”裝置在新建或改建火(熱)電廠工程中得到廣泛應用,並帶動了CFB鍋爐配套用耐火材料的不斷完善和發展。眾所周知,CFB鍋爐內襯結構複雜,燃燒室內存在大量高濃度、高速循環的煤顆粒及煙氣,這就要求CFB鍋爐內襯耐火材料不僅要具有良好的施工性能,而且要具有高強度及良好的耐磨性能。高鋁質耐磨可塑料主要用於CFB鍋爐中內襯結構較複雜、無法立模澆注,但可以采用預製或手工搗打、塗抹的部位,如水冷壁、一次返料區和旋風分離器等部位。高鋁質耐磨可塑料一般是由骨料、粉料、結合劑及促凝劑按照一定比例經過混練,具有一定黏性和塑性的耐火材料。高鋁質耐磨可塑料中促凝劑的選擇及促凝機製的研究對可塑料施工性能以及CFB循環硫化床鍋爐的使用壽命具有重要影響。因此,在本工作中,以均化高鋁礬土、二氧化矽微粉和氧化鋁微粉為原料,以磷酸鹽為結合劑,製備了高鋁質耐磨可塑料,重點探究四種鋁酸鈣水泥促凝劑對高鋁質耐磨可塑料促凝機製以及對燒後可塑料燒結性和耐磨性的影響。

1.1原料

試驗用均化高鋁礬土骨料(粒度為3~1和≤1mm)和細粉(≤0.074mm)產於山西陽泉,SiO2微粉及α-Al2O3微粉為市售產品,結合劑為磷酸二氫鋁與磷酸的混合液,其中磷酸二氫鋁密度為1.5g·cm-3,磷酸溶液中磷酸質量分數為45%。促凝劑為市售60、65、70和75四種鋁酸鈣水泥。

1.2製備

試驗基礎配方(w)為:45%的均化高鋁礬土骨料、20%的均化高鋁礬土細粉、12%的α-Al2O3微粉、5%的SiO2微粉和13%的磷酸二氫鋁和磷酸(質量比11混合)結合劑,並在基礎配方中分別對應加入5%(w)的60水泥、65水泥、70水泥和75水泥,試樣編號對應為1#、2#、3#和4#。

將稱量後的物料加入到攪拌桶中混練2min,采用搗打方式成型為40mm×40mm×160mm的常規試樣以及100mm×100mm×30mm的耐磨試樣,常溫養護48h後脫模,繼續常溫養護24h,再經110℃保溫24h烘幹。烘幹後部分試樣進行1100℃保溫3h熱處理,隨爐冷卻後待用。

1.3性能測試

記錄成型後試樣養護過程中的初凝時間;按照相關標準(YB/T5200—1993、GB/T3001—2007、GB/T5072—2008、GB/T5988—2007、GB/T18301—2001)對烘幹和熱處理後試樣進行體積密度、常溫抗折強度、常溫耐壓強度、燒後線變化率、耐磨性能進行檢測。

用X射線衍射儀分析熱處理後試樣的物相組成;用掃描電鏡觀察1100℃熱處理後試樣的斷口形貌。


2.1常溫性能

110℃烘幹和1100℃熱處理後試樣的常溫性能見圖1。可以看出:110℃烘幹後試樣體積密度隨鋁酸鹽水泥中氧化鋁含量增大呈逐漸降低趨勢,並且經1100℃熱處理後試樣體積密度普遍小於110℃烘幹後的。分析認為:試樣經1100℃熱處理後,促凝劑鋁酸鹽水泥水化物會分解脫水,結合劑中磷酸二氫鋁會生成低水或無水磷酸鹽,因此,導致熱處理後試樣體積密度降低。從圖中常溫耐壓強度和常溫抗折強度的變化趨勢也可以看出,經1100℃熱處理後試樣的常溫力學強度明顯小於110℃烘幹後的,說明結合劑磷酸鹽物相變化以及促凝劑鋁酸鹽水泥水化物高溫分解對於可塑料中溫強度不利。這與試樣體積密度的變化趨勢相似,烘幹及熱處理後試樣的常溫抗折強度和常溫耐壓強度均隨著水泥中氧化鋁含量增大而逐漸降低。分析認為:烘幹後試樣強度主要源於結合劑的結合強度以及促凝劑對物料的促凝效果,各配方物料中結合劑種類和數量相同,因此,引起可塑料強度變化的主要因素應該是促凝劑。

可塑料中鋁酸鈣水泥促凝機製是鋁酸鹽水泥中鈣離子與結合劑中磷酸根離子及氫離子和氧離子的相互作用,其硬化反應方程為:Ca2++PO3-4+5H++2O2→CaHPO4·2H2O。結合劑中磷酸二氫鋁在常溫下以粘附作用為主,結合劑中磷酸更是與物料中氧化鋁反應生成磷酸鋁鹽。結合劑磷酸二氫鋁雖有結合性,但可塑料硬化速度緩慢,為加速其常溫硬化,必須加入可與酸式磷酸鹽反應的堿性金屬化合物。鋁酸鹽水泥中存在鈣離子,同時鋁酸鹽水泥對於高鋁質耐磨可塑料還起到部分結合劑的作用。

2.2硬化及耐磨性能

圖2示出了水泥種類對試樣初凝時間和1100℃熱處理後耐磨性的影響。可以看出:1#和2#試樣可以在4.5h實現硬化,而2#—4#試樣初凝時間逐漸增長,4#試樣在養護了5.5h後實現硬化。結果說明鋁酸鹽水泥中鈣離子確實可以起到促凝作用,鋁酸鈣水泥中氧化鋁含量的增大以及氧化鈣含量的減小會削弱鋁酸鈣水泥對高鋁質耐磨可塑料的促凝效果。然而,在可塑料施工過程中,如果可塑料促凝速度過快將直接影響材料的施工時間和施工質量,因此,在使用鋁酸鹽水泥作為高鋁質耐磨可塑料的促凝劑時,要針對具體施工時間和施工條件,合理選擇促凝劑種類和數量。

2.3物相組成

圖3為1100℃熱處理後1#、2#、3#和4#試樣的XRD圖譜。可以發現:各試樣熱處理後的主要物相組成均為莫來石相和剛玉相,不同種類鋁酸鹽水泥對其物相組成影響不大;但從1#試樣到4#試樣,熱處理後物相組成中剛玉相主衍射峰強度有增大趨勢,莫來石相主衍射峰強度有降低趨勢。此結果與促凝劑鋁酸鹽水泥有關。各試樣中各鋁酸鹽水泥的理論礦物組成不同,其中,60水泥中理論礦物為七鋁酸十二鈣和鋁酸一鈣,而65、70和75水泥的理論礦物組成為鋁酸一鈣和鋁酸二鈣,而75水泥中鋁酸二鈣的含量較高,接近純鋁酸二鈣理論組成。因此,在高鋁質可塑料配方中,隨著促凝劑中氧化鋁含量增大,熱處理後試樣中剛玉相特征峰增強符合理論分析結果。

2.4顯微結構

圖4所示為1100℃熱處理後試樣放大1000倍的斷口形貌照片。可以發現:1#試樣基質更為致密,直接結合程度高,燒結良好。2#試樣基質相對疏鬆,基質內出現少量微小孔隙,但孔隙大小均勻,呈星狀分布,彼此不相互連接。3#試樣基質呈現局部燒結,結構中孔隙較大,且彼此連續貫通,結構明顯不均勻。4#試樣結構內孔隙大小在幾微米範圍,直接結合程度弱,一定程度上說明可塑料的常溫力學強度較低。

(1)發現鋁酸鈣水泥中鈣離子對高鋁質耐磨可塑料起主要促凝作用,隨著鋁酸鈣水泥中氧化鈣含量逐漸增大,試樣初凝時間逐漸增長,4#試樣5.5h後才實現硬化。

(2)鋁酸鹽水泥促凝劑直接影響110℃烘幹和1100℃熱處理後可塑料的常溫力學性能,隨著1#—4#試樣鋁酸鹽水泥中氧化鈣含量的減小,烘幹和熱處理後可塑料體積密度和常溫強度逐漸降低。

(3)熱處理後高鋁質耐磨可塑料物相組成為剛玉相和莫來石相,促凝劑鋁酸鹽水泥中氧化鋁含量增大,會加強可塑料中剛玉相的結晶特征。



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