俄羅斯阻燃隔熱新材料

1、耐火隔熱新材料材料的制取工藝與傳統(tǒng)材料相比，這種耐火隔熱新材料具有更高的使用性能。研制了專門工藝制取此種材料，如冷脹、自傳播高溫合成(CBC)，或者二者結(jié)合起來(lái)。冷脹法無(wú)機(jī)復(fù)合材料的冷脹是在室溫條件下進(jìn)行的，無(wú)任何加熱或特定條件。膨脹效果是基于兩種或兩種以上成份，并且可析出氣態(tài)產(chǎn)品混合物的化學(xué)反應(yīng)。自傳播高溫合成工藝自傳播高溫合成是基于流經(jīng)凝聚相氧化劑燃料系統(tǒng)無(wú)氣燃燒原則。這樣的反應(yīng)系統(tǒng)有Ti+B,Si+C,Al+Fe2O3等。在類似系統(tǒng)中的燃燒可能實(shí)現(xiàn)多相燃燒的波狀方式。在試劑(試劑沿樣品移動(dòng))相互反應(yīng)作用的狹窄區(qū)域內(nèi)發(fā)生化學(xué)變化。在凝聚相中進(jìn)行自傳播高溫合成時(shí)，溫度升至1500-4000O

2、C，燃燒波的鋒面?zhèn)鞑ニ俣雀哌_(dá)5-50mm/秒甚至更高。類似無(wú)氣燃燒的條件是化學(xué)反應(yīng)時(shí)釋出的熱量和燃燒物的熱穩(wěn)定性能。這些因素決定了最終產(chǎn)品的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品可保持高熱量，以及不改變主要性能條件下的機(jī)械和化學(xué)負(fù)載。自傳播高溫合成過(guò)程的高速度確定了其與傳統(tǒng)方法相比具有高度生產(chǎn)效率。CBC-過(guò)程的優(yōu)勢(shì)：外部能耗小，技術(shù)方法和設(shè)備簡(jiǎn)單，過(guò)程快速，最終產(chǎn)品純度高。所制取的最終產(chǎn)品具有廣泛的使用性能：難熔性，耐高溫耐腐蝕，在化學(xué)腐蝕環(huán)境和高速氣流環(huán)境中具有高度的穩(wěn)定性能。高耐磨性和機(jī)械強(qiáng)度。CBC制取的新品種耐火復(fù)合材料中，莫來(lái)石材料具有特殊地位，它是在SiO2、金屬鋁粉和其他成份相互作用下形成的。不同

3、于傳統(tǒng)燃燒波引發(fā)方式，Al+SiO2中CBC過(guò)程的主要引發(fā)方式是初步逐漸加熱所有材料至符合引發(fā)熱化學(xué)合成反應(yīng)的所需溫度。CBC反應(yīng)的引發(fā)溫度為650-9500C，具體的引發(fā)溫度取決于所選試劑的性能、離散度、成份的比例和系統(tǒng)的初始密度。在合成過(guò)程中有兩種或幾種化學(xué)成份元素或化合物的放熱作用，這種放熱相互作用在定向燃燒方式下進(jìn)行。由于熱化學(xué)合成的氧化還原反應(yīng)，形成了莫來(lái)石結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)符合化學(xué)分子式3A12O3*2SiO2。最終產(chǎn)品反應(yīng)成份符合分子式mAl2O3*nSiO2,這里m=65-70%,n=30-35%.在CBC過(guò)程中合成的化合物，如3Al2O3*2SiO2,5Al2O3*3TiB2,B4

4、C,2A12O33SiC等屬于高耐火材料?？赡苤迫《喾NCBC材料，如耐火制件，混凝土，保護(hù)強(qiáng)化涂層，筑砌砂漿等。冷脹法與CB結(jié)合冷脹法與CBC結(jié)合可制取多種帶有不同物理化學(xué)、機(jī)械、熱物理和使用性能的耐火隔熱材料?？捎美涿浄ǎ瑫r(shí)使其保持CBC方式，建立特定的多孔結(jié)構(gòu)，以制取表觀密度0.3-2r/cM3或更高的材料。以這種工藝制取的耐火隔熱材料見(jiàn)圖1?？蓪?shí)際應(yīng)用于鋁硅酸鹽耐火材料，作為用CBC工藝制取的涂層新材料，稱之為保護(hù)加強(qiáng)型氧化陶瓷涂層（OKn）。OKn涂在鋁硅酸鹽制件和金屬爐內(nèi)襯、鍋爐設(shè)備、建筑材料制造爐等的隔熱材料表面上。OKn應(yīng)用領(lǐng)域有所擴(kuò)大，而其表面的物化和機(jī)械腐蝕性能降低，耐火材

5、料在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下（包括循環(huán)條件，腐蝕介質(zhì)條件，高溫氣流和塵流條件）的耐高溫性能提高了50-1000C。OKn在700-850OC熱力設(shè)備運(yùn)行CBC反應(yīng)引發(fā)過(guò)程中，形成于輕質(zhì)或超輕耐火泥表面。涂層厚度-1-4MM，確切厚度取決于運(yùn)行條件。所選具有物化性能和機(jī)械性能的成份的結(jié)合，使涂層具有各種使用性能。OKn特點(diǎn)是具有高耐火性（可達(dá)2000OC）、機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性、以及在燃燒和廢煙氣腐蝕物中的耐酸堿性。本涂層改善了耐火材料的表面性能，主要體現(xiàn)在孔隙度降低到1.5-2倍（取決于材料的初始表觀密度）。OKn涂層可大大提高熱力設(shè)備內(nèi)襯的使用壽命。氧化陶瓷化合物可包含莫來(lái)石，藍(lán)晶石，氧化鋁，碳化硅，氧

6、化鉻，硼化鈦，氮化硼，氮化鋁等。所選各種性能的原始成份的結(jié)合，可確保能夠制取具有所需性能的復(fù)合涂層?；贑BC工藝，研制了一系列用于維修復(fù)原的砌筑砂漿混合物。CBC-耐火砌筑混合物用于爐、鍋爐、反應(yīng)器等設(shè)備內(nèi)襯，砌筑砂漿用于加固耐火泥、高鋁氧及其他耐火制件。這種混合物加入添加物（如耐火制件的碎塊），可制備用于維修內(nèi)襯磨損部分，或者用作保護(hù)涂層的輕型致密多孔耐火混凝土。這種砌筑砂漿混合物是由若干種礦物成份組成的低離散度無(wú)毒粉末。使用前應(yīng)向混合物中加入液體玻璃，用法與普通砌筑砂漿一樣。在爐內(nèi)達(dá)到大約8500C的加熱溫度時(shí)，在砌筑縫中引發(fā)CBC反應(yīng)，此時(shí)出現(xiàn)高溫（1600-1800OC）燃燒定向波。

7、在此情況下，短時(shí)間內(nèi)發(fā)生多種成份混合物的熔化，浸透耐火材料表面大約0.5毫米。使用該種材料時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)制件表面脫落或缺陷。合成后溶液的耐火度達(dá)到1800OC,耐熱度超過(guò)50個(gè)氣動(dòng)熱循環(huán)。請(qǐng)?zhí)貏e注意不久前剛剛研制的特輕型耐火混凝土新產(chǎn)品，其名稱為耐熱特輕多孔CBC混凝土（來(lái)CE）。本材料具有一系列優(yōu)勢(shì)：密度很低（200-600公斤/m3）,良好的導(dǎo)熱性能和吸熱能力，機(jī)械強(qiáng)度高，耐火，耐熱，應(yīng)用的溫度區(qū)間大。此外，該材料對(duì)耐火制件具有高度粘附力。多孔特輕CBC-混凝土是用預(yù)先制備粘液泥漿澆注而成，將泥漿澆注到可拆卸式的模具中，制取各種形狀的成品-磚，塊，方材，板材等。多孔膨脹混凝土制取工藝的基礎(chǔ)在于

8、，形成多成份無(wú)機(jī)系統(tǒng)的試劑相互作用的化學(xué)過(guò)程。這些系統(tǒng)中，多相反應(yīng)是在液相中進(jìn)行的，其中一種試劑的固體顆粒表面發(fā)生多相反應(yīng)，試劑可釋出大量熱量的氣態(tài)反應(yīng)物。多相反應(yīng)過(guò)程取決于多種因素：混合物成份，泥漿性能與濃度（泥漿每種成份的物化性能、離散度等），多相反應(yīng)過(guò)程的條件（環(huán)境溫度，反應(yīng)器熱物理性能注塑模具，換熱條件）等。多相反應(yīng)確?？梢栽谑覝貤l件下（膨脹系數(shù)2-4），制取密度（200-1200公斤/m3）膨脹輕型和特輕多孔耐熱（或隔熱）材料在冷脹的最后階段，形成含莫來(lái)石化合物的多孔結(jié)構(gòu)。按照這種工藝制取的多孔超輕耐火材料，具有一系列獨(dú)特使用性能：高耐化學(xué)和耐腐蝕性，耐磨性，低導(dǎo)熱性，應(yīng)用溫度高，與

9、相同密度的已知現(xiàn)有材料相比具有更高的機(jī)械性能。耐火隔熱新材料具有高使用性能的前提是采用一系列不同于現(xiàn)有工藝的專門方法進(jìn)行制取。例如，在冷脹工藝中有效提高原始成份的體積，確保礦物質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中固化的同時(shí)有力膨脹，使特輕制件的多孔結(jié)構(gòu)具有非均質(zhì)特性，并提高材料的強(qiáng)度。CBC過(guò)程中發(fā)生了反應(yīng)性能最強(qiáng)的物質(zhì)，它具有氧化劑和還原劑的性能。其相互作用的結(jié)果就是形成獨(dú)特使用性能的礦物質(zhì)。所研制的工藝可結(jié)合使用，也可單獨(dú)使用。采用冷脹工藝時(shí)，可制取多種工作溫度1000-11000C的特輕型多孔耐火隔熱材料。只采用CBC工藝時(shí)，可生產(chǎn)工作溫度800-18000C基于鋁硅酸鹽的耐火和高耐火材料。兩種工藝結(jié)合使

10、用時(shí)，可擴(kuò)大提高材料的應(yīng)用領(lǐng)域，并制取多用途新材料。制取耐火材料時(shí)使用天然礦物質(zhì)作為原料，如砂、粘土、珍珠巖、蛭石等，或者使用耐火建筑材料：耐火粘土、水泥、石灰、石膏等。在原料中可加入各種工業(yè)或建筑廢料：粉煤灰、礦渣、建材碎料。這種生產(chǎn)成品制件、半成品、干混合物的工藝無(wú)廢料，也就是說(shuō)它是節(jié)能環(huán)保的，因?yàn)橹迫〔牧系倪@兩個(gè)工藝中的主要能量都是用于各種成份的化學(xué)作用。工藝的主任優(yōu)勢(shì)之一就是它的生態(tài)清潔性。冷脹時(shí)化學(xué)反應(yīng)的唯一氣態(tài)物就是水蒸氣，而CBC工藝完全沒(méi)有氣體釋出。制取耐火材料所用的成份（如天然礦物質(zhì)，建筑材料等）都是生態(tài)環(huán)保的。所研制的大部分材料（耐火、耐火隔熱、保護(hù)加強(qiáng)涂層、涂料、混合物和

11、溶液）都成功在不同工業(yè)領(lǐng)域20多個(gè)企業(yè)實(shí)際使用條件下進(jìn)行了試用，其中一系列產(chǎn)品（氧化陶瓷涂層、砌筑砂漿）在黑色和有色金屬冶煉、熱力工程、機(jī)械制造企業(yè)的爐襯和熱力設(shè)備中廣泛使用。涂層和涂料的涂覆工藝簡(jiǎn)便。用手動(dòng)氣動(dòng)噴槍、膠輥或刷子在準(zhǔn)備好的表面（即用金屬刷刷凈的表面）涂總厚度2-2.5毫米或更厚的若干層泥漿。最近研制出了具有可變截面密度的材料。其有效工作部分可具有更高的密度（約1000公斤/m3）,而外層密度較低，約300公斤/m3。在工作面涂抹保護(hù)加強(qiáng)涂層，可大大提咼制件的使用性能。II.法律保護(hù)材料及其制取方法的俄羅斯聯(lián)邦專利2002年5月2日N:2182569，遞交申請(qǐng)的有2002年9月1

12、6日2002112797/03。就俄羅斯現(xiàn)狀而言，這些新材料最有前景的應(yīng)用領(lǐng)域，就是用相對(duì)便宜耐火材料（半酸性耐火材料、耐火土耐火材料、耐火硅磚耐火材料、莫來(lái)石氧化硅耐火材料、輕型耐火材料）制成的熱力設(shè)備內(nèi)襯的保護(hù)層，或者用于提高爐襯使用壽命CBC砌筑砂漿。CBC砌筑砂漿可確保CBC反應(yīng)引發(fā)熱力設(shè)備預(yù)熱（烘干）時(shí)耐火制件的粘結(jié)。由于制備整體砌筑，此時(shí)在縫中形成氧化陶瓷材料，這就使強(qiáng)度、耐腐蝕性能大大提高。由于使用多層、多成份保護(hù)加強(qiáng)CBC涂層，熱力設(shè)備使用壽命得以顯著提高，耐腐蝕性能、爐襯熱保護(hù)性能也得以提高。制取的新材料（涂層、砌筑砂漿、維修還原混合物等）具有高耐火性（約20000C）、機(jī)械

13、強(qiáng)度、耐磨性（耐磨損、耐液體動(dòng)力磨損）、耐燃燒和廢煙氣腐蝕環(huán)境中的酸和堿、耐金屬熔體、熔渣及其他液體介質(zhì)。這些涂在耐火材料表面的新材料，大大改善了防火材料的表面性能：材料孔隙度降低到1.3-1.8倍，機(jī)械強(qiáng)度提高到2-3倍，機(jī)械磨損度降低到2-2.5倍，爐襯面層硬度提高。所進(jìn)行的試驗(yàn)表明，由于在耐火土制件工作表面涂了保護(hù)加強(qiáng)CBC涂料，熱力設(shè)備內(nèi)襯使用壽命提高到2-3倍甚至更高。而鑄鋼桶、斜槽及其他設(shè)備可提高到3-15倍，從而大大降低了運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。目前降低熱力設(shè)備運(yùn)營(yíng)費(fèi)用并改善其性能的工作有以下方向：1.提高熱力設(shè)備內(nèi)襯、耐火材料制備的易磨損件的耐用性：鑄鋼斗、中間鑄鋼桶；澆鑄鑄鐵和鋼的斗；小型

14、澆鑄包；用于熔融鋁及鋁合金的澆鑄真空斗；斜槽；化鐵爐：熱風(fēng)爐和鋁電解槽熱風(fēng)風(fēng)管；反射爐和用于熔化鋁及其他有色金屬的攪拌器；用于燒結(jié)鋁氧土的回轉(zhuǎn)爐。用更便宜的耐火材料和制件代替昂貴材料，例如耐火土材料、耐火硅磚、莫來(lái)石硅及其他用于爐襯（礦山爐和反射爐，攪拌機(jī)及其他高鋁氧和鎂氧耐火材料制成的設(shè)備，用于澆鑄鑄鐵、鋼、鋁及其他金屬的斜槽，鑄鋼斗和中間澆鑄桶，攪拌式鐵水罐車，用于生產(chǎn)鋁氧土的回轉(zhuǎn)爐，熱風(fēng)爐和家庭用或冶金爐用的熱風(fēng)風(fēng)管）的材料。提高熱力設(shè)備爐襯，以及耐火磚、高鋁、剛玉、鎂氧制件和材料的耐用性：如冶金爐構(gòu)件，攪拌機(jī)，轉(zhuǎn)爐，斗，用于熔化鑄鐵、鋁及其合金、銅合金筀等的坩堝爐。在生產(chǎn)高質(zhì)量鋼材時(shí)改

15、善澆注金屬及合金的質(zhì)量;通過(guò)鋼錠模熔化合金時(shí)在澆鑄料斗工作表面使用專門的陶瓷層改善耐熱鎳合金（如用于渦輪葉片的合金）的質(zhì)量。“電爐鋼”冶金廠曾經(jīng)在電弧爐溢流槽的工作表面（內(nèi)壁最嚴(yán)重的磨損面和鑄鋼桶底部）使用氧化陶瓷CBC保護(hù)加強(qiáng)涂層（OKn-6）。試驗(yàn)證明，溢流槽涂層經(jīng)受18次熔煉無(wú)損壞，而無(wú)涂層的溢流槽內(nèi)襯只能經(jīng)受2-3次熔煉，也就是說(shuō)，帶OKn槽內(nèi)襯耐用性提高到6-9倍。此時(shí)，試驗(yàn)期內(nèi)在槽里并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯粘附痕跡，也沒(méi)有進(jìn)行而把清潔。帶OKn的鑄鋼桶壁工作面經(jīng)受了15次熔化，此時(shí)斗底表面無(wú)磨損。在“俄羅斯金屬”股份有限公司使用溢流槽，其內(nèi)襯耐用度提高到三倍以上。在溢流槽內(nèi)壁所用的專門陶瓷涂

16、層與鋁液及液體鋁合金的反應(yīng)極低，鋁液冷卻后易從涂層脫離。在“A3”股份公司使用CBC砌筑砂漿和CBC涂層，用于600公斤澆鑄斗內(nèi)襯，CBC-涂層-用于澆鑄槽的工作表面。試驗(yàn)結(jié)果表明：使用帶CBC材料的耐火內(nèi)襯鑄鋼桶，澆鑄可鍛鑄鐵和灰鑄鐵時(shí)可使用37天（60個(gè)班），而無(wú)CBC涂層鑄鋼桶只使用了4個(gè)班。在澆鑄桶整個(gè)工作周期內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)內(nèi)襯處有金屬和爐渣的積垢，使用期內(nèi)無(wú)需清除內(nèi)襯積垢。無(wú)需沿磚縫清除砌筑砂漿;工作60個(gè)班后由于內(nèi)襯底部磨損進(jìn)行了維修。內(nèi)襯的脫砂性沒(méi)有變差。可了，維修周期提高到15倍，此時(shí)CBC涂層沒(méi)有被金屬和爐渣浸透，防止了爐垢的形成。澆注槽試驗(yàn)結(jié)果表明：-在澆注槽內(nèi)襯使用CBC涂層

17、將維修周期提高到至少1.5倍（槽進(jìn)行的維修不是因?yàn)閮?nèi)襯的磨損，而是由于感應(yīng)線圈發(fā)生故障）。在“A.K.謝羅娃”冶金廠在16噸鑄鋼桶（澆注鋼和鑄鐵）內(nèi)襯、鑄造設(shè)備（向鋼錠模中澆鑄鋼和鑄鐵）冒口部分使用了CBC材料。鑄鋼桶經(jīng)受了26次熔化，鑄鋼桶使用壽命延長(zhǎng)了一倍。如果只用鑄鋼桶澆注一種金屬，則鑄鋼桶耐用性大大提高，因?yàn)榇藭r(shí)可確定CBC涂層的最優(yōu)成份。但是即使以非正確方式使用鑄鋼桶，在整個(gè)使用周期內(nèi)也沒(méi)發(fā)現(xiàn)內(nèi)襯有金屬垢和殘?jiān)浮Ｃ翱诓糠值膬?nèi)襯使用壽命達(dá)到40次或更多次熔融金屬。從鋼錠模中取出鋼錠的過(guò)程得以簡(jiǎn)化。OKn用于保護(hù)感應(yīng)坩堝和槽式感應(yīng)爐（用于熔化黑色或有色合金，特別是鋁合金）的內(nèi)襯，這方面

18、應(yīng)用前景極佳。CBC-混合物和溶液的應(yīng)用大大提高了爐襯（在腐蝕環(huán)境中和高速氣流、塵流環(huán)境中的爐）的耐用性。如與保護(hù)加強(qiáng)涂層結(jié)合使用，則效率更高。耐火混合物CKP-1和CKP-2用作鋁硅酸鹽耐火材料的砌筑砂，而CKP-3和CKP-4-用于粘接到耐熱輕型或超輕型多孔CBC整體混凝土來(lái)CE,HCE等上面。例如，這些混合物和溶液用在鋁電解槽陰極裝置內(nèi)襯上，可建立堅(jiān)固的整體結(jié)構(gòu)，確保延長(zhǎng)陰極裝置的壽命，使用CBC混凝土一可提高產(chǎn)品耐用性。在俄羅斯多個(gè)冶金和機(jī)械制造廠進(jìn)行了CBC涂層、砌筑砂漿在“撞擊”區(qū)內(nèi)襯多層部件、鑄鋼桶爐渣帶、鑄鋼桶鑄鐵和鋼配量裝置、鐵水罐（內(nèi)襯爐渣帶和經(jīng)受金屬流沖擊的部分）、煅燒爐

19、和化鐵爐熔化帶、感應(yīng)坩堝爐（熔化黑色和有色金屬及合金）的試用。進(jìn)行了選擇CBC涂層、溶液（用于砌筑和維修復(fù)原基于高嶺土、莫來(lái)石氧化硅、剛玉纖維的耐火硅磚、硅酸鹽、含鉻硅酸鹽制件）成份和制取工藝。為了提高CBC涂層效率，還向其中加入了SiC,ZrO2和氮化物。CBC冷脹與CBC結(jié)合冷脹耐火材料，涂層和溶液-用于鋁硅酸鹽耐火材料的高耐火氧化陶瓷涂層(OKn-i-OKn-4)-耐火壓制莫來(lái)石陶瓷材料(nKA-1,nKM-2)-鑄造高耐火陶瓷CBC材料(HCB-l,HCE-2)-敷硅鋁酸鹽制件的CBC-溶液(CKP-1,CKP-2)-進(jìn)行維修一復(fù)原工作的CBC-溶液(CPC-1,CPC-2)耐火隔熱材

20、料-耐熱特輕多孔CBC-混凝土(CE-0,25-CE-0,70)-雙-多層輕型或特輕多孔CBC-混凝土(用CB-M)-帶氧化陶瓷涂層的穩(wěn)定密度或可變密度的耐熱輕型或特輕多孔CBC混凝土(:氷CB-II)-連接(粘合)CE(CKP-3,CKP-4)制件的砌筑用CBC溶液隔熱材料-阻燃膨脹隔熱材料(HBTM-1)-輕型或特輕耐火多孔混凝土(OHE-0,25-OHE-1,120)表1.主要特性規(guī)格OKn-1-OKn-6nKM-1,2HCE-1,2訊CE-0,23-訊CE-0,70訊CE-0,3-訊CE-0,4nHBTM-1CKP-1,2CKP-3,4CPC-1,2表觀密度，公斤/m31900-190

21、0-1100-230-300-210-2100-2000-2000-210022002000700400300220021002100耐火度,C,min1800180018001700-工作溫度,C,max-1750-1300-1100-1200-1000-1300-1200-1200-18001500135013501050150014001400抗壓強(qiáng)度極限值，兆帕,min20151-53-50.8-2.5-20C時(shí)的導(dǎo)熱系0.70-0.75-0.45-0.08-0.13-0.07-數(shù),Bt/mK0.850.850.800.180.180.09磨損度，毫克/mcm228-3625-3228-30-30-36-開(kāi)口孔隙度,%15-2013-16