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        水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)用耐磨材料的研制與應(yīng)用

        2020-09-07 12:05:10王立旺朱其良李新明浙江錦誠新材料股份有限公司浙江長興313100
        水泥工程 2020年2期

        王立旺,朱其良,李新明(浙江錦誠新材料股份有限公司,浙江 長興 313100)

        0 前言

        水泥窯余熱發(fā)電是在新型干法水泥生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中,通過余熱回收裝置——余熱鍋爐將窯頭、窯尾排出大量低品位的廢氣余熱進(jìn)行回收換熱,產(chǎn)生過熱蒸氣推動汽輪機實現(xiàn)熱能—機械能的轉(zhuǎn)換,再帶動發(fā)電機發(fā)出電能,并供給水泥生產(chǎn)過程中的用電負(fù)荷。此系統(tǒng)不僅大大提高了水泥生產(chǎn)過程中能源的利用水平,而且對保護(hù)環(huán)境和提高企業(yè)的經(jīng)濟效益起到了巨大的促進(jìn)作用[1]。水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)管道內(nèi)側(cè)承受著夾雜固體小顆粒與粉塵的高速氣流的沖刷,結(jié)構(gòu)襯里容易在較短的時間內(nèi)磨損,從而導(dǎo)致余熱發(fā)電系統(tǒng)停機維修引發(fā)使用壽命下降、熱利用率低等系列問題。水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)所利用的余熱氣體溫度一般不會超過700℃,在此溫度條件下,采用碳化硅、剛玉等原料制備的耐磨內(nèi)襯的高溫性能難以充分發(fā)揮出來[2],原料成本較高,而且碳化硅材料的導(dǎo)熱系數(shù)較大,通常需要在管道內(nèi)壁增加一層隔熱襯里才能提高熱利用率。由于新型干法水泥余熱發(fā)電系統(tǒng)所用管道一般比較狹小,造成內(nèi)部支模澆注施工不便,多數(shù)采用搗打或涂抹的方式施工[3]。針對此種情況,本工作開發(fā)了一種適用于水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)用的耐磨材料,具有施工方便、結(jié)構(gòu)強度高、抗沖刷性能好、體積穩(wěn)定性優(yōu)異等特點,顯著延長了余熱發(fā)電系統(tǒng)管道的使用壽命。

        1 試驗

        1.1 原料

        根據(jù)水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)的工作條件,試驗過程中采用的主要原料為高鋁礬土、煅燒氧化鋁粉、黏土、硅微粉、鋁酸鈣水泥等,高鋁礬土主要原料的化學(xué)組成見表1。為方便材料的運輸和存儲,產(chǎn)品采用磷酸二氫鋁干粉作為結(jié)合劑,并加入掩蔽劑。

        1.2 樣品制備

        按配比將8~5 mm、5~3 mm、3~1 mm、1~0 mm的高鋁礬土混合,然后加入2%的濃度為42.5%的磷酸混合均勻,再加入不大于200目高鋁礬土細(xì)粉、煅燒氧化鋁粉、黏土、硅微粉、磷酸二氫鋁、掩蔽劑混合均勻,密封困料24 h,然后按比例加入鋁酸鈣水泥和水,在模具中搗打成型,自然養(yǎng)護(hù)24 h,在110℃烘干24 h后,分別在350℃和800℃熱處理3 h,測量試樣的強度、耐磨性和線變化。

        表1 主要原料的化學(xué)組成%

        1.3 材料設(shè)計機理

        水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)用耐磨材料損毀的主要原因是在使用條件下基質(zhì)與骨料結(jié)合能力比較弱,骨料自身的強度高于基質(zhì)部分,基質(zhì)被高速氣流夾雜的顆粒沖刷后,使骨料顆粒裸露,繼而失去支撐而脫落。因此要提高管道內(nèi)襯的耐磨性,在增強基質(zhì)部分結(jié)合強度的基礎(chǔ)上,首先要增強基質(zhì)與骨料之間的結(jié)合強度,在混料過程中采用磷酸先對骨料顆粒表面進(jìn)行潤濕后再加入粉料,便于形成顆粒被粉料包裹的結(jié)構(gòu),有利于增強基質(zhì)與骨料的結(jié)合能力。在顆粒級配方面,采用連續(xù)顆粒分布,按照最緊密堆積原則設(shè)計從而形成骨架密實的結(jié)構(gòu)。掩蔽劑能夠抑制材料中磷酸與鐵反應(yīng)產(chǎn)生氣體,降低成型過程中的發(fā)泡和鼓脹效應(yīng)[4],而且即使有反應(yīng)發(fā)生,困料過程有利于氣體在成型之前釋放。鋁酸鈣水泥起到促進(jìn)材料硬化的作用,硅微粉起到分散效果,降低了材料的加水量,有利于提高致密性。

        2 不同處理溫度對性能影響

        試樣經(jīng)不同溫度處理后的性能指標(biāo)見表2,從表2中數(shù)據(jù)可以看出,經(jīng)110℃和350℃處理后的試樣強度接近,而經(jīng)過800℃處理后的試樣強度有所增加。這主要是由于磷酸及磷酸鹽與氧化鋁之間會隨著溫度的升高出現(xiàn)不同的磷酸鋁相[5]。在室溫條件下,部分H3PO4與Al2O3產(chǎn)生Al(H2PO4)3的磷酸鋁相,此反應(yīng)過程在困料過程中就已經(jīng)開始進(jìn)行,與活性氧化鋁相比,采用煅燒氧化鋁粉能夠降低兩者之間的反應(yīng)速度,避免材料過早結(jié)塊,從而有利于延長產(chǎn)品保存期限;磷酸二氫鋁干粉加入溶解后,試樣中的Al(H2PO4)3進(jìn)一步增加,磷酸二氫鋁是一種兼具氣硬性和熱硬性的結(jié)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(jié)合作用,并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(jìn) 一 步 與Al2O3產(chǎn)生 Al2(H2P2O7)3的磷酸鋁相;在 500℃以上時,Al2(H2P2O7)3主要發(fā)生聚合反應(yīng)生成偏磷酸鋁聚合物[Al(PO3)3]n[6]。在整個升溫過程中,由于聚合物的形成及水分的蒸發(fā),結(jié)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(biāo)可以看出,隨著熱處理溫度的升高,試樣呈現(xiàn)收縮狀態(tài),這主要是由致密化過程引起的,材料采用搗打的施工方式?jīng)Q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(chǎn)生收縮,但在水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)不高于700℃的使用條件下難以產(chǎn)生充分燒結(jié)。

        圖1 350℃×3 h處理后試樣耐磨試驗后表面

        圖2 800℃×3 h處理后試樣耐磨試驗后表面

        從圖1和圖2中常溫耐磨試驗后磨損的界面來看,基質(zhì)與骨料同時被磨損,說明兩者的結(jié)合比較緊密,這為材料具有良好的耐磨性能提供了基礎(chǔ),且材料經(jīng)過350℃和800℃熱處理后都具有的現(xiàn)象,只是在耐磨性指標(biāo)上有差異。根據(jù)水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)的長期工作溫度,此溫度條件恰好位于水泥完全失去結(jié)合水的溫度區(qū)間,在完全充分燒結(jié)的條件下采用水泥作為結(jié)合劑容易產(chǎn)生強度降低的波動現(xiàn)象,從另一方面印證了采用磷酸鹽系結(jié)合劑比較合適,更有利于提高材料在不同溫度下的強度和耐磨性。

        表2 不同處理溫度對試樣性能的影響

        3 應(yīng)用實例

        材料應(yīng)用于某公司5000t/d水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)高壓管道,管道內(nèi)壁焊接高度為20mm的龜甲網(wǎng),采用手工涂抹方式施工,材料施工厚度30mm,施工效果見圖3,硬化時間4h左右。使用一年后,利用停窯檢修的機會進(jìn)行管道內(nèi)襯檢查,使用效果見圖4,材料的磨損厚度大部分在2mm以下,未見大范圍的裂紋和剝落現(xiàn)象,襯里基本都處于完好狀態(tài),仍可長期繼續(xù)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

        4 結(jié)語

        (1)根據(jù)水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)的工作條件,在材料設(shè)計方面主要從增強骨料與基質(zhì)的結(jié)合強度著手,使兩者在不同的溫度條件下都能達(dá)到同步磨損。

        (2)采用高鋁礬土為主要原料制備的耐磨材料,隨著溫度的升高會形成不同的結(jié)合相,為材料強度和耐磨性的提高提供了基礎(chǔ)。

        (3)耐磨材料經(jīng)實際應(yīng)用表明,材料施工性能優(yōu)良,凝結(jié)硬化時間適當(dāng),具有較強的抗沖刷性能和抗剝落性能,材料推廣應(yīng)用前景廣闊。

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