混配陶纤制品及其在裂解炉上的应用.doc

。高%， 混配陶瓷纤维制品及其在裂解炉上的应用分析中国石化工程建设公司混配陶瓷纤维制品及其在裂解炉上的应用分析在CBL型裂解炉13年来的开发中，应用了CBL开发初期时的混配陶纤制品技术开发成果。本篇文章是再次对过去所开发应用混配陶纤制品的回昧和总结，目的是进一步提升对混配陶纤的理论认识。因为这些数据资料仍是今天编制混配陶纤制品技术条件的重要理论依据。本篇文章中所引用的数据来源于洛阳洛耐所、辽化一厂及CBL裂解炉开发组有关资料。1 概述 混配陶瓷纤维（以下简称混配纤维）是介于使用温度不超过1200的硅酸铝纤维与可在1500下使用的纯多晶氧化铝纤维之间的一种高温高效隔热纤维。混配纤维制品是多晶氧化铝纤维与高铝纤维按不同比例混合加入结合剂制成的。它的使用温度高，可在12001500的热工设备上使用。其价格仅为多晶氧化铝纤维的1/21/3。混配纤维除有自身结构上的特点外，还兼有硅酸铝纤维及多晶氧化铝纤维两者的优点，即：体积密度小，耐高温，热稳定性好，导热率低，热容小，窑炉升温冷却快；其具有弹性，在各温度下可以不考虑热应力，无论升温有多快，纤维制品不会因温度变化而开裂。2 混配纤维制品混配纤维制品是用高铝纤维和多晶氧化铝纤维以不同的比例，加入结合剂，精细混合，采用真空或湿法成型工艺制得的制品。混配纤维制品中氧化铝纤维收缩很小，氧化铝纤维是热稳定基质。在加热过程中氧化铝纤维不会出现结晶化及粘性蠕变。氧化铝纤维形成稳定的骨架结构。高铝纤维充填于骨架结构之中。在加热过程中，高铝纤维收缩对混配纤维制品的总体收缩影响不大。所加入的复合结合剂存在于纤维与纤维之间，纤维与纤维的接触部位，使氧化铝纤维的骨架结构更为稳定。在温度的作用下，复合结合剂聚积在纤维表面或纤维接触的地方形成稳定的莫来石相。这是混配纤维高温体积稳定（收缩率小），强度好，有很好的物理性能的主要理论依据。3 制作混配纤维的主要原料制作混配纤维制品的主要原料是氧化铝纤维和高铝纤维，其主要指标要求见表1。 制作混配纤维制品原料 表1项 目多晶氧化铝纤维高铝纤维化学成分 % Al2O3 SiO2 Fe2O3 K2ONa2O 79.5 19.5 0.09 0.07 58 41 0.20 0.10纤维平均直径 10 3渣球含量(0.25mm) % 5 5加热线收缩率 % 3(15006h) 3(12506h)晶相莫来石少量- Al2O3玻璃相4影响混配纤维制品性能的制作因素 影响混配纤维制品性能的制作因素主要有：纤维的分散方法，结合剂加入量，结合剂及填料的存在状态。（1） 分散剂采用湿法制造混配纤维制品时，由于纤维在水中结团，不能很好分散，纤维本身在制品中不能很好地交织成网络，影响制品的性能。通过采用定量纤维置于烧怀中，加入定量的水后，再分别加入羧甲基纤维素、食用淀粉、可溶性淀粉、阳离子分散剂、高分子有机物等五种分散剂，搅拌分散同样的时间，然后观察纤维分散的情况。研究表明阳离子分散剂和高分子有机物是很好的分散剂，食用淀粉次之，水是最差的。（2） 分散剂加入量对加入不同数量的阳离子分散剂的混配纤维制品样块，测定其压缩50%的强度，其结果见图1。图1 分散剂加入量与强度的关系其表明，随阳离子分散剂加入量的增加，样块的强度也随之提高，加入48%时即可满足运输、施工对制品强度的要求。（3） SO 型结合剂加入量 为增加制品的强度，加入不同数量的SO结合剂，制作混配纤维制品样块，然后测定样块压缩50%时的强度，其结果见图2。图2 结合剂加入量与强度的关系图中表明，随着SO型结合剂加入量的增加，样块的强度随之提高，加入量为1550%时，可显著提高样块的强度。（4） 填料纤维是一种瘠性物料，在制造过程中，主要不得依靠纤维本身的交织增加强度，再者就是依靠加入结合剂和填料，为改善制品的结构，提高强度和耐热性，曾在试样中加入氧化铝粉、莫来石粉、硅石粉、碳化硅粉。这些填料，无论在常温还是在高温，都是以单独的颗粒存在于制品之中。而选用微细的或胶状的含Al2O3矿物作为填料，并与SO型结合剂同时加入到制品中可获得满意的效果。图3为两种纤维的配比为L50G50（L表示氧化铝纤维,G表示高铝纤维），纤维用阳离子分散剂充分分散后，将SO型结合剂与填料同时加入样块中，将制好的样块经干燥后，测定压缩50%的强度及加热线收缩率。 样块的强度 样块加热线收缩率（13506h）图 3 填料含量与强度、加热线收缩率关系由图4电镜照片可见，SO型结合剂与填料粘附在纤维表面或纤维与纤维交叉处，将纤维联结，提高制品强度。图4 混配纤维样块的SEM照片由图5电镜照片可见，试样经高温加热之后，填料与结合剂作用后，聚集在纤维表面或纤维与纤维之间，由电镜能谱仪对聚集物质所作化学成份分析结果是典型的莫来石组成。图5 高温加热后的混配纤维样块的SEM照片在混配纤维制品中，氧化铝纤维能提供一种稳定的骨架结构，高铝纤维起充填作用。在高温下，高铝纤维的收缩对制品的几何尺寸影响不大，这是混配纤维制品所具有的独特结构。通过对填料加入量的研究，探明填料与结合剂分布于纤维表面，纤维与纤维交叉处，在高温作用下形成新相莫来石，把纤维牢牢联接起来，这就使得混配纤维制品中的骨架结构更为牢固，使得混合纤维制品具有很好的耐热性和强度。5混配纤维制品的使用温度混配纤维制品的使用温度，通常是用制品的加热线收缩率来判断。将样块在某一温度下保温24小时，该样块的线收缩率等于或接近3%，此温度为该样块的理论使用温度。考虑长期安全使用温度，即混配纤维制品在长期使用温度下，线收缩率小，体积稳定。参考国内外混配纤维制品使用情况，确定样块在不同温度下加热保温24小时，测得加热线收缩率为11.5%的温度，规定该温度为使用温度。 不同配比的混配纤维制品使用温度 表3样块配比LG20803070406050506040703080209010加热温度24h12201250130013501400142014501480加热线收缩率%1.061.161.371.431.431.501.301.08由表3及图6可见，不同配比的混配纤维制品是随着氧化铝纤维含量的增加，使用温度也提高，各种不同配比的制品可在12201480温度范围内使用。图 6 不同配比的混配纤维制品使用温度与氧化铝纤维含量的关系6混配纤维制品的性能以湿法制毡工艺，制造不同配比的混配纤维制品，其牌号规定为：LG28LG82，理化性能指标见表4。 不同配比的混配纤维制品理化指标 表4制 品LG82LG73LG64LG55LG46LG37LG28氧化铝纤维高铝纤维8020703060405050406030702080化学成分 % SiO2 Al2O3 Fe2O3 K2ONa2O 灼减24700.150.12626680.150.12627660.150.12628650.150.12629630.150.12632610.150.12633600.150.126加热线收缩率% 21500 24h 21450 24h 21400 24h 21350 24h 21300 24h 21250 24h 21200 24h导热系数（热面） W/mK0.150.20(1100)0.150.20(1100)0.150.18(1100)0.150.18(1100)0.150.18(1100)0.140.16(1100)0.140.16(1100)晶相主晶相： 莫来石主晶相： 莫来石其余： 刚玉主晶相： 莫来石其余： 刚玉 方石英主晶相： 莫来石其余： 刚玉 方石英主晶相： 莫来石其余： 刚玉 方石英主晶相： 莫来石其余： 刚玉 方石英主晶相： 莫来石其余： 刚玉 方石英体积密度 kg/m323015250152601529015310153401538015含水量 %0.50.50.50.50.50.50.5使用温度 1500145014001350130012501200（1） 化学组成 由表4可见，混配纤维制品的多晶氧化铝纤维含量由20%增加到80%，制品中Al2O3含量也由60%增加到80%，所以制品的耐热性也随之提高。（2） 耐热性 判定混配纤维制品的耐热性，通常是用制品的加热线收缩率大小来判定，混配纤维制品的加热线收缩率受纤维长短，排列方向和原棉晶相组成的影响。通过对表4各种配比的混配纤维制品的样品，按GB3006-82规定的方法测定其加热线收缩率，结果见图7，依此来判定制品的耐热性。图 7 不同配比的混配纤维制品的加热线收缩与温度关系由图7可见，制品在130024h时的收缩率：LG28为1.4%；LG37为1.3%；LG46为1.6%。可以认为LG28，LG37，LG46三种制品可在12001300下使用是适宜的。在140024h时的收缩率：LG55小于1.6%；LG64小于1.5%。可以认为LG55，LG64，二种制品可在13501400下使用是适宜的。LG73，LG82在14001500时的加热线收缩率相近，如在140024h时的LG73的加热线收缩率为1.1%，LG82为1.0%；在150024h时的LG73的加热线收缩率为1.60%，LG82为1.57%，所以LG73，LG82可在14001500温度下使用（3） 晶相分析混配纤维制品LG73，LG55，LG37，在不同的温度下加热后测定其晶相组成，结果见图8。图 8 混配纤维制品加热后的晶相组成由图8可见，1300时有大量的莫来石生成，随着温度的升高，莫来石含量增加。在高温下混配纤维制品的主要晶相是莫来石晶相，大于80%，这是由于混配纤维制品中的高铝纤维析出方石英，与氧化铝纤维中的-Al2O3结合，生成莫来石，促使制品的稳定，所以混配纤维制品，不具有两种单独纤维的中间特性，它的独特的优点是具有高温使用性能。（4） 体积密度和导热系数混配纤维制品的体积密度，是随制品中氧化铝纤维含量的增加而减少，如图9所示。这是由于氧化铝纤维的堆积密度小，高铝纤维的堆积密度大所致。图 9 混配纤维制品的体积密度与氧化铝纤维含量的关系 不同配比的混配纤维制品的导热系数是在热面温度为1100时用平板导热仪测定的，其结果见表5。 混配纤维制品的导热系数 表5制 品热面温度冷面温度平均温度导热系数 W/mKLG8210984187580.15LG7311004227610.13LG6411004287640.14LG5510994077530.13LG4611004077540.11LG3711004577780.12LG2811014377680.11 从表5可知，混配纤维制品的导热系数随着氧化铝纤维含量的增加而增大，其增大的趋势，从0.110.15W/mK，这个数值变化是不大的。所以混配纤维制品是很好的高温隔热材料。 综上所述，LG28LG82混配纤维制品，其加热线收缩率在相应的温度下均小于2%；高温下主晶相是莫来石，莫来石含量大于80%，并具有良好的隔热性能，所以确认混配纤维制品可分别用于12001500的各种高温设备上。7混配纤维制品的制造工艺 改变多晶氧化铝纤维与高铝纤维的配比，即可制造出各种混配纤维制品。（1） 制造工艺要点 配料要精确，按制品单重及配比精确称料；两者纤维要充分散，混合均匀；严格控制产品外形尺寸。（2） 工艺配方（重量比） 多晶氧化铝纤维 2080 % 高铝纤维 8020 % 阳离子分散剂 48 % SO型结合剂 2040 % 含氧化铝矿物填料 2040 %工艺配方，以制品使用条件及要求可进行调整。（3） 工艺流程 原料（氧化铝纤维，高铝纤维） 配料（精确称重） 分散剂 分散（搅拌） 结合剂 混合 填料 （成絮状浆料） 真空成型 干燥（80） 外观及尺寸检查 成品 测含水量（0.5%），体积密度 包装8混配纤维在裂解炉上的应用分析 1987年7月将LG64型混配纤维制品用于辽化一厂F106裂解炉，一年后1988年7月停炉观察炉纤维衬里，墙体结构牢固，炉衬完好，无裂缝，纤维仍保持纤维状，锚固件完好。所用LG64型混配纤维性能如下： Al2O3 % 70 Al2O3SiO 2 % 98 Fe2O3 % 0.2 加热线收缩率 % 2 (14006h) 导热系数 kcal/mh 0.15 (热面1200)体积密度 kg/m3 300350为研究混配纤维制品在使用过程中的变化，分别在该炉运行2232小时，8000小时后分别在燃烧器上部处取样（该处温度约1300），进行X-衍射及电镜分析。经X-衍射分析证实：LG64型混配纤维制品经长达8000小时使用后，制品主要是稳定的莫来石相，约占84%，方石英1%，其余为非晶相。如衍射谱线图10所示。莫来石：84% 方英石：1% 其余为玻璃相图 10 LG64型混配纤维在F106炉8000小时后的X-衍射谱线电镜观察：图11为未经热处理的氧化铝纤维SEM照片，图12为经140024h热处理后的氧化铝纤维SEM照片。图11 未经热处理的氧化铝纤维SEM照片图12 经140024h热处理后的氧化铝纤维SEM照片图13为LG64型混配纤维制品在F106裂解