一种cfb锅炉旋风分离器靶区用铝锆碳化硅砖及其制备方法
阅读说明：本技术 一种cfb锅炉旋风分离器靶区用铝锆碳化硅砖及其制备方法 (Aluminum zirconium silicon carbide brick for CFB boiler cyclone separator target area and preparation method thereof ) 是由 闫昕 俞永平 王俊涛 魏瀚 吴跃锋 徐琳琳 孙旭东 陈松林 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种CFB锅炉旋风分离器靶区用铝锆碳化硅砖及其制备方法,原料为：粒度5～3mm的莫来石8%～18%；粒度3～1mm的板状刚玉16%～36%；粒度1～0mm的板状刚玉10%～22%；粒度0.18～0.125mm的锆英砂8%～18%；粒度≤0.053mm的氧化锆4%～10%；粒度≤0.088mm的维罗泥4%～10%；粒度≤0.045mm的板状刚玉10%～16%；粒度≤0.045mm的98%碳化硅4%～10%；粒度≤2μm的α-Al-(2)O-(3)微粉4%～8%；结合剂85%工业磷酸2.0%～5.0%。本发明CFB锅炉旋风分离器靶区用铝锆碳化硅砖具有烧成温度低、强度高、耐磨性能好、热震稳定性优等特点,可以完全满足相关CFB锅炉旋风分离器靶区的苛刻使用要求。(The invention relates to an aluminum zirconium silicon carbide brick for a target area of a cyclone separator of a CFB boiler and a preparation method thereof, wherein the aluminum zirconium silicon carbide brick comprises the following raw materials: 8% -18% of mullite with the granularity of 5-3 mm; 16% -36% of plate-shaped corundum with the granularity of 3-1 mm; 10% -22% of plate-shaped corundum with the granularity of 1-0 mm; 8-18% of zircon sand with the granularity of 0.18-0.125 mm; 4-10% of zirconia with the granularity of less than or equal to 0.053 mm; 4% -10% of veronica mud with the granularity less than or equal to 0.088 mm; 10-16% of plate-shaped corundum with the granularity of less than or equal to 0.045 mm; 98% of silicon carbide with the granularity less than or equal to 0.045mm is 4% -10%; alpha-Al with grain size less than or equal to 2 mu m 2 O 3 4% -8% of micro powder; 85% of binding agent and 2.0% -5.0% of industrial phosphoric acid. The aluminum zirconium silicon carbide brick for the target area of the cyclone separator of the CFB boiler has the characteristics of low firing temperature, high strength, good wear resistance, excellent thermal shock stability and the like, and can completely meet the strict use requirements of the target area of the cyclone separator of the CFB boiler.)
一种CFB锅炉旋风分离器靶区用铝锆碳化硅砖及其制备方法，属于无机非金属材料领域。
背景技术
CFB锅炉燃烧技术是国内外公认的一种洁净燃烧技术。具有燃料适应性广、污染物排放少、燃烧效率高、负荷调节比大和灰渣综合利用等独特的优势。旋风分离器是CFB锅炉的关键部件之一，它的性能直接影响到锅炉的安全和经济运行。其工作原理是：利用旋转的含尘烟气产生的离心力作用，将烟气中的尘粒分离出来。其中旋风分离器靶区是高含尘气流在分离器内发生急剧旋转时的主要受冲击区域，该区域受高含尘气流的冲击最大，气流在此区域流速最高且存在急剧的转向，也是颗粒与分离器壁面发生的第一次撞击的区域。
通常分离器靶区使用耐火耐磨浇注料，但耐火耐磨浇注料施工质量稳定性差，气孔率高、易磨损、脱落并引发旋风分离器故障，进而影响CFB锅炉的运行经济效率。因此，有必要研发质量稳定、低气孔、高强度、高热震稳定的定形耐火耐磨制品，弥补浇注料的不足。分离器靶区用耐火材料损坏的主要原因包括：（1）高含尘气流冲刷造成的磨损。高含尘气流对耐火耐磨材料的强烈冲刷，磨损程度随气流含尘浓度、烟气速度的增加而加剧。（2）热应力和机械应力造成的脱落。启动及负荷变化时，温度梯度和局部高温引起的热冲击以及机械应力导致材料产生裂缝和剥落。（3）材料物理化学特性变化造成的损坏。因此要求材料具备优良的热震稳定性、耐磨性以及力学强度。
中国专利CN107556005A公开一种CFB锅炉旋风分离器靶区用铬刚玉-莫来石-氮化硅高强耐磨可塑料，其强度高、耐磨性能好、热导率低；但是上述耐火材料引入含铬原料，对环境有害，同时采用的β-Si3N4、β-Sialon、纳米氧化铝溶胶等价格昂贵的原材料，使得原材料成本极高，经济效益降低，同时对于旋风分离器靶区用耐火材料的关键性指标（热震稳定性）并未说明。
本发明所要解决的技术问题是提供一种强度高、耐磨性好且抗热震性优良的耐火耐磨定形材料，满足旋风分离器靶区的使用要求。
发明内容
本发明的一种CFB锅炉旋风分离器靶区用铝锆碳化硅砖及其制备方法，主要原料有板状刚玉、莫来石、锆英砂、氧化锆、碳化硅、维罗泥、α-Al2O3微粉、磷酸溶液，以质量百分比表示，原料具体组成为：
（1）粒度5~3mm的莫来石8%~18%
（2）粒度3~1mm的板状刚玉16%~36%
（3）粒度1~0mm的板状刚玉10%~22%
（4）粒度0.18~0.125mm的锆英砂8%~18%
（5）粒度≤0.053mm的氧化锆4%~10%
（6）粒度≤0.088mm的维罗泥4%~10%
（7）粒度≤0.045mm的板状刚玉10%~16%
（8）粒度≤0.045mm的98%碳化硅4%~10%
（9）粒度≤2μm的α-Al2O3微粉4%~8%
（10）外加85%工业磷酸2.0%~5.0%。
所述的莫来石为市售耐火原料，其中Al2O3≥68-72%、Fe2O3≤1.5%、Na2O+K2O≤0.4%。
所述的板状刚玉为市售耐火原料，其中Al2O3≥99.2%、Na2O≤0.4%。SiO2≤0.15%、Fe2O3≤0.07%。
所述的锆英砂为市售耐火原料，其中ZrO2+HfO2≥65%、Fe2O3≤0.1%。
所述的氧化锆为市售耐火原料，其中ZrO2≥99.3%。
所述的维罗泥为市售耐火球状粘土，其中Al2O3≥34%，Fe2O3<2.0%。
所述的碳化硅为市售耐火原料，SiC≥98%。
所述的α-Al2O3微粉为市售耐火原料，其中Al2O3≥99.0%，Na2O+K2O≤0.5%。
所述的85%工业磷酸为市售耐火材料用结合剂，其中H3PO4≥85%。
本发明的具体工艺过程包括以下几部分：
（1）将粒度≤0.088mm、粒度≤0.053mm、粒度≤0.045mm、粒度2μm的细粉、微粉进行强力预混，预混时间在10～15分钟；
（2）按比例将5~3mm 、3-1mm、1-0mm和0.18~0.125mm的颗粒骨料进行干混2～3分钟，加入少量磷酸溶液混碾3-5分钟，再加入全部预混后的细粉、微粉一起混碾10～15分钟，然后再加入剩下的磷酸溶液，经强力混碾均化成混合料，混碾有效时间为30～45分钟；
（3）混合料出料后，用8mm的筛子筛分，去除团聚大块；
（4）在恒温恒湿条件下困料24～36小时；
（5）压制成型；
（6）自然干燥36～48小时；
（7）以10℃/min～15℃/min的速率升温至1420℃～1480℃，保温3～6小时；
（8）检验、包装入库。
本发明的原料中，板状刚玉、莫来石、锆英砂、氧化锆、碳化硅均是重要的耐火耐磨原材料，均具有优良的力学性能和耐磨性能，且对环境无害无污染。配方设计中引入高弹性模量的碳化硅颗粒，进而起到二相粒子弥散强化增韧作用，提高材料的断裂韧性及热震稳定性，同时碳化硅导热系数大，利于材料的传热；引入氧化锆原料，氧化锆以斜锆石存在，单斜氧化锆在加热和冷却时，在1000~1200℃发生单斜-四方可逆晶型转变，伴有7%~9%的膨胀/收缩的体积效应，而氧化锆的晶型转变并伴有微裂纹增韧的特性，可提高材料的韧性和强度，进一步提高材料的抗热震稳定性，氧化锆及其稳定，具有优良的抗侵蚀性能。因此，引入碳化硅和氧化锆原料，实现材料的强化和增韧叠加协同作用，提高材料强度和耐磨性能以及热震稳定性。本发明采用耐火材料常用结合剂工业磷酸和添加剂维罗泥，有效降低材料烧成温度和材料成本，提高经济效益。
本发明CFB锅炉旋风分离器靶区用铝锆碳化硅砖具有烧成温度低、强度高、耐磨性能好、热震稳定性优等特点，可以完全满足相关CFB锅炉旋风分离器靶区的苛刻使用要求。
具体实施方式
实施例1
按照以下配方和工艺生产铝锆碳化硅砖：
（1）按照粒度≤0.088mm的维罗泥10%，粒度≤0.053mm的氧化锆10%，粒度≤0.045mm的板状刚玉11%，粒度≤0.045mm的98%碳化硅7%，粒度2μm的氧化铝微粉6%的比例，进行强力预混10分钟；
（2）按照粒度5～3mm的莫来石10%，粒度3～1mm的板状刚玉16%， 粒度1～0mm的板状刚玉22%，粒度0.18~0.125mm的锆英砂8%的比例，干混3分钟，加入少量磷酸溶液混碾4分钟，再加入预混后的细粉一起混碾6分钟、然后再加入磷酸溶液经强力混碾均化成混合料，结合剂共添加3.2%，混有效时间为35分钟；
（3）将混合料出料，并用8mm的筛子筛分，去除团聚大块；
（4）在恒温恒湿条件下困料30小时；
（5）压制成型；
（6）自然干燥48小时后；
（7）以10℃/min的速率升温至1420℃，保温5小时；
（8）检验、包装入库。
表1列出了实施例1的原料规格和配方及其性能，经检测，该产品体积密度为2.94/cm3，显气孔率为15.5%，常温耐压强度达到102MPa；加热至1100℃后，永久线变化0.56%；经1100℃X0.5小时热处理后，在水中急冷，抗热震稳定性达35次后，未出现裂纹及剥落等情况；检测产品的耐磨性，磨损量为2.55cm3，满足CFB锅炉旋风分离器靶区的苛刻使用要求。
实施例2
按照以下配方和工艺生产铝锆碳化硅砖：
（1）按照粒度≤0.088mm的维罗泥6%，粒度≤0.053mm的氧化锆6%，粒度≤0.045mm的板状刚玉13%，粒度≤0.045mm的98%碳化硅10%，粒度2μm的氧化铝微粉8%的比例，进行强力预混12分钟；
（2）按照粒度5～3mm的莫来石9%，粒度3～1mm的板状刚玉20%， 粒度1～0mm的板状刚玉10%，粒度0.18~0.125mm的锆英砂18%的比例，干混2分钟，加入少量磷酸溶液混碾5分钟，再加入预混后的细粉一起混碾7分钟、然后再加入磷酸溶液经强力混碾均化成混合料，结合剂共添加3.5%，混有效时间为38分钟；
（3）将混合料出料，并用8mm的筛子筛分，去除团聚大块；
（4）在恒温恒湿条件下困料35小时；
（5）压制成型；
（6）自然干燥44小时后；
（7）以12℃/min的速率升温至1440℃，保温4小时；
（8）检验、包装入库。
表1列出了实施例2的原料规格和配方及其性能，经检测，该产品体积密度为2.96/cm3，显气孔率为14.9%，常温耐压强度达到103MPa；加热至1100℃后，永久线变化0.62%；经1100℃X0.5小时热处理后，在水中急冷，抗热震稳定性达35次后，未出现裂纹及剥落等情况；检测产品的耐磨性，磨损量为2.50cm3，满足CFB锅炉旋风分离器靶区的苛刻使用要求。
实施例3
按照以下配方和工艺生产铝锆碳化硅砖：
（1）按照粒度≤0.088mm的维罗泥5%，粒度≤0.053mm的氧化锆5%，粒度≤0.045mm的板状刚玉12%，粒度≤0.045mm的98%碳化硅4%，粒度2μm的氧化铝微粉5%的比例，进行强力预混14分钟；
（2）按照粒度5～3mm的莫来石18%，粒度3～1mm的板状刚玉24%， 粒度1～0mm的板状刚玉13%，粒度0.18~0.125mm的锆英砂14%的比例，干混2分钟，加入少量磷酸溶液混碾5分钟，再加入预混后的细粉一起混碾8分钟、然后再加入磷酸溶液经强力混碾均化成混合料，结合剂共添加2.8%，混有效时间为40分钟；
（3）将混合料出料，并用8mm的筛子筛分，去除团聚大块；
（4）在恒温恒湿条件下困料38小时；
（5）压制成型；
（6）自然干燥40小时后；
（7）以13℃/min的速率升温至1450℃，保温5小时；
（8）检验、包装入库。
表1列出了实施例3的原料规格和配方及其性能，经检测，该产品体积密度为2.95/cm3，显气孔率为15.6%，常温耐压强度达到100MPa；加热至1100℃后，永久线变化0.63%；经1100℃X0.5小时热处理后，在水中急冷，抗热震稳定性达35次后，未出现裂纹及剥落等情况；检测产品的耐磨性，磨损量为2.48cm3，满足CFB锅炉旋风分离器靶区的苛刻使用要求。
实施例4
按照以下配方和工艺生产铝锆碳化硅砖：
（1）按照粒度≤0.088mm的维罗泥5%，粒度≤0.053mm的氧化锆4%，粒度≤0.045mm的板状刚玉16%，粒度≤0.045mm的98%碳化硅5%，粒度2μm的氧化铝微粉7%的比例，进行强力预混13分钟；
（2）按照粒度5～3mm的莫来石13%，粒度3～1mm的板状刚玉27%， 粒度1～0mm的板状刚玉15%，粒度0.18~0.125mm的锆英砂8%的比例，干混3分钟，加入少量磷酸溶液混碾3分钟，再加入预混后的细粉一起混碾10分钟、然后再加入磷酸溶液经强力混碾均化成混合料，结合剂共添加5%，混有效时间为42分钟；
（3）将混合料出料，并用8mm的筛子筛分，去除团聚大块；
（4）在恒温恒湿条件下困料37小时；
（5）压制成型；
（6）自然干燥36小时后；
（7）以15℃/min的速率升温至1480℃，保温3小时；
（8）检验、包装入库。
表1列出了实施例4的原料规格和配方及其性能，经检测，该产品体积密度为2.92/cm3，显气孔率为15.2%，常温耐压强度达到97MPa；加热至1100℃后，永久线变化0.58%；经1100℃X0.5小时热处理后，在水中急冷，抗热震稳定性达35次后，未出现裂纹及剥落等情况；检测产品的耐磨性，磨损量为2.52cm3，满足CFB锅炉旋风分离器靶区的苛刻使用要求。
实施例5
按照以下配方和工艺生产铝锆碳化硅砖：
（1）按照粒度≤0.088mm的维罗泥4%，粒度≤0.053mm的氧化锆8%，粒度≤0.045mm的板状刚玉10%，粒度≤0.045mm的98%碳化硅8%，粒度2μm的氧化铝微粉4%的比例，进行强力预混15分钟；
（2）按照粒度5～3mm的莫来石8%，粒度3～1mm的板状刚玉36%， 粒度1～0mm的板状刚玉12%，粒度0.18~0.125mm的锆英砂10%的比例，干混2分钟，加入少量磷酸溶液混碾4分钟，再加入预混后的细粉一起混碾9分钟、然后再加入磷酸溶液经强力混碾均化成混合料，结合剂共添加4.1%，混有效时间为36分钟；
（3）将混合料出料，并用8mm的筛子筛分，去除团聚大块；
（4）在恒温恒湿条件下困料40小时；
（5）压制成型；
（6）自然干燥38小时后；
（7）以11℃/min的速率升温至1430℃，保温6小时；
（8）检验、包装入库。
表1列出了实施例5的原料规格和配方及其性能，经检测，该产品体积密度为2.94/cm3，显气孔率为15.8%，常温耐压强度达到105MPa；加热至1100℃后，永久线变化0.66%；经1100℃X0.5小时热处理后，在水中急冷，抗热震稳定性达35次后，未出现裂纹及剥落等情况；检测产品的耐磨性，磨损量为2.60cm3，满足CFB锅炉旋风分离器靶区的苛刻使用要求。
对比例1
按照以下配方和工艺生产铝锆碳化硅砖：
（1）按照粒度≤0.088mm的维罗泥7%，粒度≤0.053mm的氧化锆5%，粒度≤0.045mm的板状刚玉17%，粒度≤0.045mm的98%碳化硅3%，粒度2μm的氧化铝微粉4%的比例，进行强力预混8分钟；
（2）按照粒度5～3mm的莫来石20%，粒度3～1mm的板状刚玉24%， 粒度1～0mm的板状刚玉8%，粒度0.18~0.125mm的锆英砂12%的比例，干混2分钟，加入少量磷酸溶液混碾4分钟，再加入预混后的细粉一起混碾4分钟、然后再加入磷酸溶液经强力混碾均化成混合料，结合剂共添加1.8%，混有效时间为30分钟；
（3）将混合料出料，并用8mm的筛子筛分，去除团聚大块；
（4）在恒温恒湿条件下困料36小时；
（5）压制成型；
（6）自然干燥36小时后；
（7）以12℃/min的速率升温至1430℃，保温5小时；
（8）检验、包装入库。
表1列出了对比例1的原料规格和配方及其性能，经检测，该产品体积密度为2.92/cm3，显气孔率为17.6%，常温耐压强度达到65MPa；加热至1100℃后，永久线变化0.83%；经1100℃X0.5小时热处理后，在水中急冷，抗热震稳定性达11次后，出现裂纹；检测产品的耐磨性，磨损量为4.64cm3。
对比例2
按照以下配方和工艺生产铝锆碳化硅砖：
（1）按照粒度≤0.088mm的维罗泥4%，粒度≤0.053mm的氧化锆2%，粒度≤0.045mm的板状刚玉11%，粒度≤0.045mm的98%碳化硅5%，粒度2μm的氧化铝微粉9%的比例，进行强力预混12分钟；
（2）按照粒度5～3mm的莫来石14%，粒度3～1mm的板状刚玉20%， 粒度1～0mm的板状刚玉15%，粒度0.18~0.125mm的锆英砂20%的比例，干混3分钟，加入少量磷酸溶液混碾2分钟，再加入预混后的细粉一起混碾5分钟、然后再加入磷酸溶液经强力混碾均化成混合料，结合剂共添加3.5%，混有效时间为36分钟；
（3）将混合料出料，并用8mm的筛子筛分，去除团聚大块；
（4）在恒温恒湿条件下困料20小时；
（5）压制成型；
（6）自然干燥38小时后；
（7）以17℃/min的速率升温至1430℃，保温2小时；
（8）检验、包装入库。
表1列出了对比例2的原料规格和配方及其性能，经检测，该产品体积密度为2.95/cm3，显气孔率为17.4%，常温耐压强度达到71MPa；加热至1100℃后，永久线变化0.68%；经1100℃X0.5小时热处理后，在水中急冷，抗热震稳定性达21次后，出现裂纹及剥落现象；检测产品的耐磨性，磨损量为3.60cm3。
对比例3
按照以下配方和工艺生产铝锆碳化硅砖：
（1）按照粒度≤0.088mm的维罗泥6%，粒度≤0.053mm的氧化锆6%，粒度≤0.045mm的板状刚玉14%，粒度≤0.045mm的98%碳化硅7%，粒度2μm的氧化铝微粉6%的比例，进行强力预混13分钟；
（2）按照粒度5～3mm的莫来石7%，粒度3～1mm的板状刚玉38%， 粒度1～0mm的板状刚玉10%，粒度0.18~0.125mm的锆英砂6%的比例，干混2分钟，加入少量磷酸溶液混碾3分钟，再加入预混后的细粉一起混碾7分钟、然后再加入磷酸溶液经强力混碾均化成混合料，结合剂共添加5.5%，混有效时间为40分钟；
（3）将混合料出料，并用8mm的筛子筛分，去除团聚大块；
（4）在恒温恒湿条件下困料36小时；
（5）压制成型；
（6）自然干燥38小时后；
（7）以14℃/min的速率升温至1480℃，保温3小时；
（8）检验、包装入库。
表1列出了对比例3的原料规格和配方及其性能，经检测，该产品体积密度为2.88/cm3，显气孔率为16.2%，常温耐压强度达到56MPa；加热至1100℃后，永久线变化0.82%；经1100℃X0.5小时热处理后，在水中急冷，抗热震稳定性达16次后，出现开裂掉块现象；检测产品的耐磨性，磨损量为4.22cm3。
以上实施例、对比例所制备的铝锆碳化硅砖的原料规格、配方及测试性能如下表1：
表1铝锆碳化硅砖的原料规格、配方及测试性能