一种具有高吸收率、高热导率的CFB锅炉水冷壁用碳化硅耐磨浇注料

摘要

本发明涉一种具有高吸收率、高热导率的CFB锅炉水冷壁用碳化硅耐磨浇注料，原料为碳化硅、二硅化钼、氮化硅、硅氧氮（Si2ON2）、硅溶胶，经强力混合均匀后密封包装。本发明的浇注料具有高吸收率、高热导率、高耐磨性，有利于提高CFB锅炉水冷壁的热量传输效率，提高热能利用效率，降低锅炉尾气的温度，降低煤耗，达到快速加热水（或水蒸气）和节能的效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有高吸收率、高热导率的CFB锅炉水冷壁用碳化硅耐磨浇注料，属于无机非金属材料学科耐火材料领域。

背景技术

CFB锅炉因其具有燃料适应性广、燃烧效率高、负荷调节大、可在床内直接脱硫及实现低NOx排放、燃料制备系统简单、易于实现灰渣综合利用等众多优点，在生产用汽、供热、热电联产、电站锅炉中被广泛采用。由于CFB锅炉炉膛水冷壁和旋风分离器水冷壁受到高浓度、高风速的高流化态物料的冲刷，要求材料的耐磨性能好。目前使用的材料多为刚玉碳化硅浇注料，25℃×24h耐磨性为5.0~6.0cm³（GB/T18301方法），耐磨性能有待进一步提高，而其导热系数通常在2.0~5.0W·m^-1·K^-1（950℃），热量传输效率有待进一步提高，因此，开发高吸热、高导热，高耐磨浇注料，有利于吸收燃料的热量，同时快速加热水冷壁，提高CFB锅炉的热能利用效率。

本发明是一种具有高吸收率、高热导率的CFB锅炉水冷壁用碳化硅耐磨浇注料，特别适用于CFB锅炉炉膛水冷壁和旋风分离器水冷壁，能提高热传输效率，提高热能的综合利用率，降低燃煤的消耗。

发明内容

本发明的具有高吸收率、高热导率的CFB锅炉水冷壁用碳化硅耐磨浇注料，按照质量百分比表示，其原料组成为：

粒度7~3mm的碳化硅 25~44%

粒度5~1 mm的碳化硅12~30%

粒度1~0.088 mm的碳化硅6~16%

粒度1~0.088 mm的氮化硅10~18%

二硅化钼5~10%

硅氧氮5~9%

硅溶胶5~7%

进一步，所述的二硅化钼的粒度≤0.088mm；所述的硅氧氮的粒度≤0.044mm。

制备方法：将以上原料混合，经强力混碾均匀，制备成耐磨浇注料，用塑料袋防潮包装。

施工和养护：施工时，加入上述制备得到的浇注料，加3~3.5%的水，强力搅拌3~5分钟后浇注施工，施工完毕湿养护72小时，拆模，自然干燥72小时，之后在120℃烘烤48小时，然后以20℃/小时缓慢升温至工作温度。

本发明的浇注料主要原料为碳化硅、二硅化钼、氮化硅、硅氧氮（Si₂ON₂）、硅溶胶。碳化硅具有高导热、高耐磨、高吸收率和高发射率，作为浇注料的主体料；氮化硅具有更为优异的强度和耐磨性及化学稳定性；二硅化钼具有高发射和高耐磨的性能，同时还可以作为保护氮化硅和碳化硅氧化的抗氧化剂；硅溶胶为浇注料的初凝结合剂，提供低温和中温强度；硅氧氮（Si₂ON₂）作为烧结助剂，提供高温陶瓷烧结强度，同时也阻止碳化硅和氮化硅的氧化，而作为烧结助剂的硅氧氮加入量以5~9%为最佳，具体分析见实施例和对比例的性能比较。

本发明的优点是浇注料具有高吸收率、高热导率、高耐磨性，一方面浇注料快速吸收燃料燃烧的热量，另一方面浇注料又快速把热量传导给水冷壁，有利于提高CFB锅炉水冷壁的热量传输效率，提高热能的利用效率，降低锅炉尾气的温度，降低煤耗，达到快速加热水（或水蒸气）和节能的效果。

具体实施方式

实施例1

按照质量百分比表示，选取以下原料，粒度7~3mm的碳化硅25%、粒度5~1 mm的碳化硅30%、粒度1~0.088 mm的碳化硅16%、粒度1~0.088 mm的氮化硅10%、粒度≤0.088mm二硅化钼5%、粒度≤0.044mm硅氧氮9%、硅溶胶5%，将以上原料混合，经强力混碾均匀，制备成耐磨浇注料，用塑料袋防潮包装。施工时，加入上述制备得到的浇注料，加3.5%的水，强力搅拌3分钟后浇注施工，施工完毕湿养护72小时，拆模，自然干燥72小时，之后在120℃烘烤48小时，然后以20℃/小时缓慢升温至工作温度。1530℃×3h煅烧后的性能：常温耐压强度118MPa、常温抗折强度23MPa、1100℃抗折强度11MPa、永久线变化率-0.42%、吸收率(1100℃实测值)0.82、25℃×24h耐磨性2.8cm³、25℃导热系数8.37W·m^-1·K^-1、600℃导热系数7.82W·m^-1·K^-1、1100℃导热系数6.44W·m^-1·K^-1。

实施例2

按照质量百分比表示，选取以下原料，粒度7~3mm的碳化硅30%、粒度5~1 mm的碳化硅25%、粒度1~0.088 mm的碳化硅13%、粒度1~0.088 mm的氮化硅12%、粒度≤0.088mm二硅化钼6%、粒度≤0.044mm硅氧氮8%、硅溶胶6%，将以上原料混合，经强力混碾均匀，制备成耐磨浇注料，用塑料袋防潮包装。施工时，加入上述制备得到的浇注料，加3.5%的水，强力搅拌5分钟后浇注施工，施工完毕湿养护72小时，拆模，自然干燥72小时，之后在120℃烘烤48小时，然后以20℃/小时缓慢升温至工作温度。1530℃×3h煅烧后的性能：常温耐压强度120MPa、常温抗折强度23MPa、1100℃抗折强度11MPa、永久线变化率-0.42%、吸收率(1100℃实测值)0.82、25℃×24h耐磨性2.6cm³、25℃导热系数8.44W·m^-1·K^-1、600℃导热系数7.86W·m^-1·K^-1、1100℃导热系数6.46W·m^-1·K^-1。

实施例3

按照质量百分比表示，选取以下原料，粒度7~3mm的碳化硅34%、粒度5~1 mm的碳化硅19%、粒度1~0.088 mm的碳化硅10%、粒度1~0.088 mm的氮化硅14%、粒度≤0.088mm二硅化钼10%、粒度≤0.044mm硅氧氮7%、硅溶胶6%，将以上原料混合，经强力混碾均匀，制备成耐磨浇注料，用塑料袋防潮包装。施工时，加入上述制备得到的浇注料，加3.5%的水，强力搅拌4分钟后浇注施工，施工完毕湿养护72小时，拆模，自然干燥72小时，之后在120℃烘烤48小时，然后以20℃/小时缓慢升温至工作温度。1530℃×3h煅烧后的性能：常温耐压强度120MPa、常温抗折强度25MPa、1100℃抗折强度12MPa、永久线变化率-0.41%、吸收率(1100℃实测值)0.83、25℃×24h耐磨性2.6cm³、25℃导热系数8.59W·m^-1·K^-1、600℃导热系数7.93W·m^-1·K^-1、1100℃导热系数6.52W·m^-1·K^-1。

实施例4

按照质量百分比表示，选取以下原料，粒度7~3mm的碳化硅39%、粒度5~1 mm的碳化硅16%、粒度1~0.088 mm的碳化硅9%、粒度1~0.088 mm的氮化硅16%、粒度≤0.088mm二硅化钼7%、粒度≤0.044mm硅氧氮6%、硅溶胶7%，将以上原料混合，经强力混碾均匀，制备成耐磨浇注料，用塑料袋防潮包装。施工时，加入上述制备得到的浇注料，加3%的水，强力搅拌5分钟后浇注施工，施工完毕湿养护72小时，拆模，自然干燥72小时，之后在120℃烘烤48小时，然后以20℃/小时缓慢升温至工作温度。1530℃×3h煅烧后的性能：常温耐压强度122MPa、常温抗折强度26MPa、1100℃抗折强度12MPa、永久线变化率-0.40%、吸收率(1100℃实测值)0.83、25℃×24h耐磨性2.6cm³、25℃导热系数8.70W·m^-1·K^-1、600℃导热系数7.94W·m^-1·K^-1、1100℃导热系数6.60W·m^-1·K^-1。

实施例5

按照质量百分比表示，选取以下原料，粒度7~3mm的碳化硅44%、粒度5~1 mm的碳化硅12%、粒度1~0.088 mm的碳化硅6%、粒度1~0.088 mm的氮化硅18%、粒度≤0.088mm二硅化钼8%、粒度≤0.044mm硅氧氮5%、硅溶胶7%，将以上原料混合，经强力混碾均匀，制备成耐磨浇注料，用塑料袋防潮包装。施工时，加入上述制备得到的浇注料，加3%的水，强力搅拌5分钟后浇注施工，施工完毕湿养护72小时，拆模，自然干燥72小时，之后在120℃烘烤48小时，然后以20℃/小时缓慢升温至工作温度。1530℃×3h煅烧后的性能：常温耐压强度121MPa、常温抗折强度26MPa、1100℃抗折强度11MPa、永久线变化率-0.38%、吸收率(1100℃实测值)0.83、25℃×24h耐磨性2.7cm³、25℃导热系数8.72W·m^-1·K^-1、600℃导热系数7.95W·m^-1·K^-1、1100℃导热系数6.60W·m^-1·K^-1。

对比例1

按照质量百分比表示，选取以下原料，粒度7~3mm的碳化硅44%、粒度5~1 mm的碳化硅12%、粒度1~0.088 mm的碳化硅7%、粒度1~0.088 mm的氮化硅18%、粒度≤0.088mm二硅化钼9%、粒度≤0.044mm硅氧氮3%、硅溶胶7%，将以上原料混合，经强力混碾均匀，制备成耐磨浇注料，用塑料袋防潮包装。施工时，加入上述制备得到的浇注料，加3%的水，强力搅拌5分钟后浇注施工，施工完毕湿养护72小时，拆模，自然干燥72小时，之后在120℃烘烤48小时，然后以20℃/小时缓慢升温至工作温度。1530℃×3h煅烧后的性能：常温耐压强度104MPa、常温抗折强度17MPa、1100℃抗折强度8MPa、永久线变化率-0.23%、吸收率(1100℃实测值)0.82、25℃×24h耐磨性3.4cm³、25℃导热系数7.42W·m^-1·K^-1、600℃导热系数6.86W·m^-1·K^-1、1100℃导热系数6.11W·m^-1·K^-1。

对比例1和实施例5作比较，见表1，配方里的主要变化为硅氧氮含量由实施例5的5%降低至对比例1的3%，但浇注料的烧结性能显然变差了，表现在对比例1的强度和耐磨性都比实施例5的强度和耐磨性降低。因此，硅氧氮的含量不宜低于5%。

对比例2

按照质量百分比表示，选取以下原料，粒度7~3mm的碳化硅25%、粒度5~1 mm的碳化硅30%、粒度1~0.088 mm的碳化硅15%、粒度1~0.088 mm的氮化硅9%、粒度≤0.088mm二硅化钼5%、粒度≤0.044mm硅氧氮11%、硅溶胶5%，将以上原料混合，经强力混碾均匀，制备成耐磨浇注料，用塑料袋防潮包装。施工时，加入上述制备得到的浇注料，加3.5%的水，强力搅拌3分钟后浇注施工，施工完毕湿养护72小时，拆模，自然干燥72小时，之后在120℃烘烤48小时，然后以20℃/小时缓慢升温至工作温度。1530℃×3h煅烧后的性能：常温耐压强度118MPa、常温抗折强度24MPa、1100℃抗折强度8.0MPa、永久线变化率-0.51%、吸收率(1100℃实测值) 0.82、25℃×24h耐磨性2.7cm³、25℃导热系数8.40W·m^-1·K^-1、600℃导热系数7.90W·m^-1·K^-1、1100℃导热系数6.56W·m^-1·K^-1。

对比例2和实施例1作比较，见表1，配方里的主要变化为硅氧氮含量由施例1的9%升高至对比例2的11%，但浇注料的高温性能和实施例1比较，显然由于含有更多的硅酸盐相而导致高温抗折强度变差。因此，硅氧氮的含量不宜高于9%。综合实施例、对比例1和对比例2，作为高温烧结助剂的硅氧氮含量在5~9%为宜。

表1 一种具有高吸收率、高热导率的CFB锅炉水冷壁用碳化硅耐磨浇注料实例和性能

从表1可知，本发明的实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5的碳化硅耐磨浇注料吸收率均超过0.80，远大于刚玉碳化硅浇注料的吸收率（0.50~0.60），因此对吸收燃料燃烧的热量能力更强。另外，采用的碳化硅和氮化硅具有高强耐磨性，其磨损量在2.6~2.8cm³，低于现在使用的刚玉碳化硅材料的磨损量标准（≤6cm³）。本发明的浇注料热导率为6~8W·m^-1·K^-1，比普通的刚玉碳化硅浇注料的热导率大（1000~1600℃时，2~3W·m^-1·K^-1），导热能力强。实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5的永久线变化率低（≤0.5%），均达到我国热工窑炉的标准，满足一般的热工窑炉服役要求，也保证了炉衬的使用寿命。实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5应用于宝丽华荷某园电厂五台CFB锅炉应用一年，和上一年同期相比节约燃煤超过2.3%。