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水煤浆气化炉耐火材料的选择趋势赵向辉

发表时间：2021/4/13 来源：《基层建设》2020年第32期作者：赵向辉

[导读] 摘要：耐火材料是目前各类高温窑炉最主要的内衬材料之一，在水煤浆气化炉当中也发挥着极其重要的作用，耐火材料在水煤浆气化炉当中的应用更是极为普遍的。

        国家能源集团神华新疆化工有限公司新疆维吾尔自治区乌鲁木齐 831404
        摘要：耐火材料是目前各类高温窑炉最主要的内衬材料之一，在水煤浆气化炉当中也发挥着极其重要的作用，耐火材料在水煤浆气化炉当中的应用更是极为普遍的。但是由于目前我国的科技发展所限，在以往使用的大部分化工用耐火材料都是定性耐火材料，其效果和效率都与耐火材料存在着巨大的差距，其中在水煤浆气化炉的应用则更是引人瞩目。
        关键词：耐火材料；化工；使用；趋势
        随着我国化工业的飞速发展也十分迅速，耐火材料对于水煤浆气化炉发展的支持更是极为重要。在一些发达国家，耐火材料的使用现已飞速使用，而我国对于耐火材料在近些年才有了相应的应用，但无可争议的是，耐火材料将是未来耐火材料的一种发展趋势。现如今水煤浆气化炉应用耐火材料已经在如火如荼的应运中，并且有很大一部分的水煤浆气化炉已经使用了耐火材料，因此耐火材料在化工中的应用就必须从耐火材料在化工中的应用谈起。
        一、耐火材料的基本内容
        耐火材料行业发展现状分析，耐火材料属于高温工业和所有高温装置赖以运行的重要基础材料、关键耗材，广泛应用于冶金、建材、有色金属、轻工等高温行业。几乎所有生产过程中需要热加工与热处理的产业都需要使用到耐火材料。耐火材料的技术进步对高温工业的发展起着不可替代的关键作用。目前耐火材料可以分为定性耐火材料和耐火材料。耐火材料有着极为特殊的特性，无论是在能源消耗方面，还是在占地面积，以及在炉衬整体性方面，相对于定性耐火材料来说，更加优越。
        二、耐火材料在水煤浆气化炉中的应用
        耐火材料是指耐火度在1500 ℃以上，即承受各种物理化学变化和机械作用的无机非金属材料。由一定级配的骨料、粉料、结合剂以及外加剂构成，不定形状的可供直接使用的耐火材料,其优势主要体现在以下几个方面，下面即对其进行具体的分析。
        2.1不定性耐火材料的耐火度较高
        在水煤浆气化炉当中，高温炉是普遍存在的，而对于高温窑炉而言，其内衬的选择是十分重要的。其实内衬的选择必须突出较高的耐火性，这种耐火性的选择必须是有着较为严格要求的，耐火材料的耐火度可以达到1500度以上这样的高唻性能使得不定形材料满足了很多特殊类型的需要高温的化工也需求。
        2.2节约能源
        耐火材料与定型耐火材料及较为常见的耐火砖相比，耐火材料是不需要烧成程序的。我们都知道耐火材料的烧成程序是一道极为浪费能源的程序，而耐火砖相比，同样的其节省的能源大约在15倍到20倍左右。这个数值也许在短期内看不出太多的变化。但是从长期而言，其所能选择的能源则是一个极为客观的数字。
        2.3提高化工效率
        由于耐火材料其本身是不需要烧成程序的，这除了节省能源之外，对于时间的节省也是显而易见的，节省时间对于煤浆气化炉而言就意味着生产效率的提升。据相关统计，使用耐火材料要比耐火砖提高3~5倍的生产率。
        2.4便于运输且整体性好
        传统的新型耐火材料相比，耐火材料及所占的空间是较小的，因此其更加易于进行运输。不仅如此，由于耐火材料可以达到任意造型的效果，其在进行造型时是整体的，也就是说利用耐火材料作为炉衬则可以使得其炉成为一个整体，这可以使得水煤浆气化炉的使用寿命比原来使用耐火砖提高30%~150%。并且由于其整体性的原因，水煤浆气化炉的封闭性也是要比可定性耐火材料好很多，从而在整体上降低能源的消耗。
        三、耐火材料的化学组成及使用
        按照现在化学矿物质的组成的成分来说，耐火材料有着硅质以及硅酸铝制、刚玉质等等材料。而我们常见的耐火材料有镁质、镁钙质、碳复合耐火材料制、锆质以及特种质等等，常见的则有以下几种情况：
        1主成分
        耐火材料中的主成分是占绝大多数的，材料高温性质起决定性作用的化学成分。耐火材料之所以具有优良的抵抗高温作用的性能，以及许多耐火材料又各具特性，完全或基本上取决于主成分。因此对耐火材料的主成分必须予以充分重视。一般来说，对耐火材料的化学组成，分类以及许多同材质的耐火材料划分为若干等级。一般存在于自然界中以及地壳中分布较多。可作为耐火材料主成分的有氧化物，另外还有一些碳化物，氮化物，硅化物和硼化物，也可作为耐火材料的主成分。
        2杂质
        杂质是指在耐火材料中不同于主成分的含量微少，而对耐火材料的抵抗高温性质往往带来危害的化学成分。耐火材料的杂质中有的是易溶物，有的本身具有很高熔点，但同主成分共存时却可产生异融入，故杂质的同在往往对主成分产生其强的助熔作用。助熔作用越强，即由于杂质的存在，系统中开始形成液向的温度愈低，或形成液相量越多，或随着温度升高，液相量增长速度越快，以及所形成的液相粘度，越粘润湿性愈好，危害于严重。如对主成分为sio2的材料而论，若含氧化钠、氧化铝、氧化钛、氧化钙和氧化铂中用氧化物，不其中氧化钠熔点较低以外，其它氧化物虽具有较高的熔点，但与氧化硅共存却都有助熔作用。
        根据有关数据显示，在杂质中若Na20与Si02共存的现象，开始形成液相的温度很低，故以Si02为主成分的耐火材料中，若含有少量Na20向对其高温性质带来严重危害。若以SiO2为主成分的耐火材料中分別含有A1203和Ti02，虽然S02-Al203与02-TiO2两系統的共熔温度相近，分別为15950C和15500C但在共熔温度下系統内每1％杂质化物生成的液相里却差别较大，前者约为后者1.9倍。而且，随着温度的升高，此差別更大，如在1600约为2.3倍因杂质A1203较T02对Si02的熔剂作用强。氧化铝对硅质耐火材料的高温性能危害极大。

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        另外，当杂质与主成分共存时，若生成的液相度较低，且随温度升高黏度降低意快以及润湿性意好，则对耐火材料的危害意严重因此，提高耐火材料抵抗高温的性能，必须严格控制杂质的含量。
        3外加成分
        一般来说外加成分被称作为外加剂，在耐火制品生产中为特定目的另外加入的少量成分。主要的作用是为了促进材料中物相的形成和转化，而加入融化剂;为抑材料中物相形，而加入的抑制剂或稳定剂;为促进材料的烧注，而加入的助熔剂等在耐火材料生产中，采取加入少量添加剂，可在一定程度上改变材料的组成与结构，从而便于生产和使制品获得某种预期特性。但必须注意切勿因此而严重影响其抵抗高温作用的基本性质。
        4耐火材料的使用性能
        耐火材料的使用性能主要包括耐火度、荷重软化温度、热稳定性和高温体积稳定性以及抗渣性等性能。具体的性能如下：
        (1) 耐火度。耐火材料抵抗高温而不变形的性能称为耐火度。加热时，耐火材料中各种矿物组成之间会发生反应，并生成易熔的低熔点结合物而使之软化，故耐火度只足表征耐火材料软化到一定程度时的温度。但是耐火度并不能代表耐火材料的实际使用温度。因为在实际使用时，耐火材料承受一定的机械强度，所以实际使用温度比测定的耐火度低。（2）荷重软化温度。耐火材料在常温下的耐压强度很高，但在高温下发生软化，耐压强度也就显著降低。一般用荷重软化温度来评定耐火材料的高温结构强度。(3)热稳定性。耐火材料抵抗温度急剧变化而不破裂或剥落的能力称为耐火材料的热稳定性或耐急冷急热性。耐火材料的抵抗温度急变性能，除了与它本身的物理性质(如膨胀性、导热性、孔隙度等)相关外，还与制品的尺寸以及形状有关系。—般薄的、尺寸不大以及形状简单的制品，比厚的、尺寸较大和形状复杂的制品有较好的耐急冷急热性。(4)高温体积稳定性。耐火材料在高温下长期使用时体积发生不可逆变化，有些体积膨胀，称为残存膨胀，有些体积收缩，称为残存收缩。耐火材料体积膨胀或收缩的值占原尺寸的百分比，就表示其体积的稳定性。这一变化严重时往往会引起炉子的开裂和倒塌。因此，使用耐火材料时，对这个性能必须十分注意。(5)抗渣性。耐火材料一般在高温下抵抗炉渣侵蚀的能力称为抗渣性。影响耐火材料抗渣性的主要因素有：1)炉渣化学性质。炉渣按化学性质主要分为酸性渣和碱性渣。含酸性物质较多的耐火材料，对酸性炉渣的抵抗能力强，对碱性炉渣的抵抗能力差。反之，碱性耐火材料，2)工作温度。温度在800~900℃时，炉渣对材料的侵蚀作用不大显著，但温度达到1200℃~1400℃以上时，材料的抗渣性就大大降低。3)耐火材料的致密程度。提高耐火材料的致密度，降低它的气孔率，是提高耐火材料抗渣性的主要措施，可以在制砖过程中选择合适的颗粒配比和较高的成型压力。对材料的侵蚀作用不大显著，但温度达到1200℃~1400℃以上时，材料的抗渣性就大大降低。4)耐火材料的致密程度。提高耐火材料的致密度，降低它的气孔率，是提高耐火材料抗渣性的主要措施，可以在制砖过程中选择合适的颗粒配比和较高的成型压力。
        四、选取耐火材料的注意事项
        耐火材料的选取在一定程度是比较重要的，是有关成品的质量问题，因此在选择上要特别注意以下几点：
        1依据炉窖的结构、作业特性及运动条件而且剖析材料损坏的原因，以选用适宜的耐火材料。精确的了解和把握材料各部位的温度改变情况，仔细观察材料以防遭到各种破坏性效果，例如：高温熔融金属腐蚀。
        2了解材料的化学组成及物理、作业功能，以便充分发挥材料的特性。
        3使炉子各部位的材料合理配合，以避免材料之间的相互损毁的一起，还要采纳措施确保全体寿数。
        4在满意上述的基本原则条件下，尽可能地解决资源和成本。可以选用价格和运输费低的材料，一起大力发展收回使用，削减成本。
        五、国内耐火材料的研究方向
        目前国内几家较出名的耐火材料设计及制造厂从耐火材料的损毁机理研究、炉衬的结构优化等方而进行研究，也研制出的优质的耐火材料，热面砖产品的平均寿命15000h，由于煤种和工況条件不同，从8000-23000h不等平均蚀损率0.012mm/h，最低浊损率0.004mm/h，而进口砖平均浊损率为0.033mm/h，已经超过进口材料的性能，完全实现量产化。一方面国内耐火材料制造厂也在加从含Cr材料无害化，即Cr6+的抑制、资源节约化、无铬化等方而研究，进行用后高铬化再次的开发，以解决解决资源短缺题在非氧化部位使用SiC材料，发挥其抗侵蚀和抗热震的优势，采用散装料对局部修补，达到快速又经济的目的开发新材质和新结构的无氧化物材料用于水煤浆加压气化，减少对环境的破坏，达到可持续性发展。另一方面耐火材料的主要用户如钢铁、水泥、玻璃、有色金属等行业的技术发展对耐火材料提出了更高的质量和品种要求。另一方面，这些行业在激烈的质量和价格竞争中，向耐火材料提出了严峻的降低吨产品耐火材料成本的要求，致使耐火材料企业要以更大的投入加快新的优质产品的开发与研究，以适应和满足这些行业的要求。原料以高纯为主，天然精选和人工合成并用;制品以高纯氧化物为主，非氧化物及复合材料并重;制品品种则紧紧围绕用户的技术发展要求开发绿色、环保、节能及多功能产品。
        六、结束语
        耐火材料在水煤浆气化炉中是被普遍应用的，其无论从经济利益上还是从能源环保方面都是具有绝对优势的。随着化工业的快速发展，耐火材料的发展速度也是较快的，因此我们必须对不定形耐火材料有着深刻的了解。在水煤浆气化炉耐火采用选用上要合理科学，从而更好的对其进行应用。
        参考文献
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