前言
水泥窯餘熱發電是在新型干法水泥生產線生產過程中，通過餘熱回收裝置——餘熱鍋爐將窯頭、窯尾排出大量低品位的廢氣餘熱進行回收換熱，產生過熱蒸氣推動汽輪機實現熱能——機械能的轉換，再帶動發電機發出電能，並供給水泥生產過程中的用電負荷。此系統不僅大大提高了水泥生產過程中能源的利用水平，而且對保護環境和提高企業的經濟效益起到了巨大的促進作用。水泥窯餘熱發電系統管道內側承受著夾雜固體小顆粒與粉塵的高速氣流的沖刷，結構襯裡容易在較短的時間內磨損，從而導致餘熱發電系統停機維修引發使用壽命下降、熱利用率低等系列問題。水泥窯餘熱發電系統所利用的餘熱氣體溫度一般不會超過700℃，在此溫度條件下，採用碳化矽、剛玉等原料製備的耐磨內襯的高溫性能難以充分發揮出來，原料成本較高，而且碳化矽材料的導熱係數較大，通常需要在管道內壁增加一層隔熱襯裡才能提高熱利用率。由於新型干法部支模澆注施工不便，多數採用搗打或塗抹的方式施工。針對此種情況，本工作開發了一種適用於水泥窯餘熱發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、體積穩定性優異等特點，顯著延長了餘熱發電系統管道的使用壽命。
01
試驗
1.1 原料
根據水泥窯餘熱發電系統的工作條件，試驗過程中採用的主要原料為高鋁礬土、煅燒氧化鋁粉、黏土、矽微粉、鋁酸鈣水泥等，高鋁礬土主要原料的化學組成見表1。為方便材料的運輸和存儲，產品採用磷酸二氫鋁乾粉作為結合劑，並加入掩蔽劑。
表1 主要原料的化學組成（%）
1.2 樣品製備
按配比將8～5mm、5～3mm、3～1mm、1～0mm的高鋁礬土混合，然後加入2％的濃度為42.5％的磷酸混合均勻，再加入不大於200目高鋁礬土細粉、煅燒氧化鋁粉、黏土、矽微粉、磷酸二氫鋁、掩蔽劑混合均勻，密封困料24h，然後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℃烘乾24h後，分別在350℃和800℃熱處理3h，測量試樣的強度、耐磨性和線變化。
1.3 材料設計機理
水泥窯餘熱發電系統用耐磨材料損毀的主要原因是在使用條件下基質與骨料結合能力比較弱，骨料自身的強度高於基質部分，基質被高速氣流夾雜的顆粒沖刷後，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，在增強基質部分結合強度的基礎上，首先要增強基質與骨料之間的結合強度，在混料過程中採用磷酸先對骨料顆粒表面進行潤濕後再加入粉料，便於形成顆粒被粉料包裹的結構，有利於增強基質與骨料的結合能力。
在顆粒級配方面，採用連續顆粒分布，按照最緊密堆積原則設計從而形成骨架密實的結構。掩蔽劑能夠抑制材料中磷酸與鐵反應產生氣體，降低成型過程中的發泡和鼓脹效應，而且即使有反應發生，困料過程有利於氣體在成型之前釋放。鋁酸鈣水泥起到促進材料硬化的作用，矽微粉起到分散效果，降低了材料的加水量，有利於提高緻密性。
02
不同處理溫度對性能影響
試樣經不同溫度處理後的性能指標見表2，從表2中數據可以看出，經110℃和350℃處理後的試樣強度接近，而經過800℃處理後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
這主要是由於磷酸及磷酸鹽與氧化鋁之間會隨著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產生Al(H₂PO₄)₃的磷酸鋁相，此反應過程在困料過程中就已經開始進行，與活性氧化鋁相比，採用煅燒氧化鋁粉能夠降低兩者之間的反應速度，避免材料過早結塊，從而有利於延長產品保存期限；磷酸二氫鋁乾粉加入溶解後，試樣中的Al(H₂PO₄)₃進一步增加，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聚合及粘附起到增強結合作用，並且在常溫下以粘附作用為主。隨著溫度的升高，部分加入的Al(H₂PO₄)₃和生成的2Al(H₂PO₄)會進一步與Al₂O₃產生Al₂(H₂P₂O₇)₃的磷酸鋁相；在500℃以上時，Al₂(H₂P₂O₇)₃主要發生聚合反應生成偏磷酸鋁聚合物[Al(PO₃)₃]n。在整個升溫過程中，由於聚合物的形成及水分的蒸發，結合劑的黏度升高，加速了試樣的固化和強度提高。
從加熱永久線變化指標可以看出，隨著熱處理溫度的升高，試樣呈現收縮狀態，這主要是由緻密化過程引起的，材料採用搗打的施工方式決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生收縮，但在水泥窯餘熱發電系統不高於700℃的使用條件下難以產生充分燒結。
圖1 350℃×3h處理後試樣耐磨試驗後表面
圖2 800℃×3h處理後試樣耐磨試驗後表面
從圖1和圖2中常溫耐磨試驗後磨損的界面來看，基質與骨料同時被磨損，說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，且材料經過350℃和800℃熱處理後都具有的現象，只是在耐磨性指標上有差異。根據水泥窯餘熱發電系統的長期工作溫度，此溫度條件恰好位於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採用水泥作為結合劑容易產生強度降低的波動現象，從另一方面印證了採用磷酸鹽繫結合劑比較合適，更有利於提高材料在不同溫度下的強度和耐磨性。
03
應用實例
材料應用於某公司5000t/d水泥窯餘熱發電系統高壓管道，管道內壁焊接高度為20mm的龜甲網，採用手工塗抹方式施工，材料施工厚度30mm，施工效果見圖3，硬化時間4h左右。使用一年後，利用停窯檢修的機會進行管道內襯檢查，使用效果見圖4，材料的磨損厚度大部分在2mm以下，未見大範圍的裂紋和剝落現象，襯裡基本都處於完好狀態，仍可長期繼續使用，取得了良好的使用效果。
圖3 耐磨材料施工過程
圖4 耐磨材料使用效果
04
結語
(1)根據水泥窯餘熱發電系統的工作條件，在材料設計方面主要從增強骨料與基質的結合強度著手，使兩者在不同的溫度條件下都能達到同步磨損。
(2)採用高鋁礬土為主要原料製備的耐磨材料，隨著溫度的升高會形成不同的結合相，為材料強度和耐磨性的提高提供了基礎。
(3)耐磨材料經實際應用表明，材料施工性能優良，凝結硬化時間適當，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。
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