大型水泥回轉(zhuǎn)窯窯襯用高活性相結(jié)合復(fù)合磚

　　一、高活性相結(jié)合復(fù)合磚的研制背景
　　在新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯窯襯中，過渡帶是窯內(nèi)最易損毀的部位。由于窯內(nèi)熱工制度波動(dòng)頻繁，該處襯體的熱端面始終處于浮窯皮和無窯皮狀態(tài)，一方面受到窯皮及水泥料的侵蝕、磨損，另一方面承受頻繁的熱沖擊，工作條件非常惡劣。

　　目前，新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯過渡帶用材料通常為鎂鋁尖晶石磚、白云石磚、鎂鋁鉻磚及抗剝落高鋁磚等，其中日產(chǎn)2500噸以上的水泥回轉(zhuǎn)窯過渡帶大多采用鎂鋁尖晶石磚。鎂鋁尖晶石磚是以鎂砂和尖晶石為原料，經(jīng)高溫?zé)芍频茫淅砘笜?biāo)歸納如下：

　　MgO                                　　　75 - 90%

　　Al₂O₃                                 　　5 - 18%

　　常溫耐壓強(qiáng)度（MPa）                 30 - 70

　　熱膨脹率（1000℃）                   0.9 - 1.2%

　　導(dǎo)熱系數(shù)w/(m.k)（1000℃）       2.8 - 3.7

　　熱震穩(wěn)定性（1100℃-水冷）         3-10次

　　鎂鋁尖晶石磚在使用中表現(xiàn)出的損毀方式主要有以下幾種：

　　1、受水泥材料的化學(xué)侵蝕；
　　2、因高溫?zé)崤蛎浡瘦^大,導(dǎo)致襯體材料應(yīng)力集中,出現(xiàn)鎂鋁尖晶石磚的熱端剝落或棱角斷裂；
　　3、自身強(qiáng)度不高，磨損速率過快；
　　4、盡管含有一定的鎂鋁尖晶石相，材料熱震性得到改善，但由于是以MgO為主，熱震穩(wěn)定性仍存在不足；在受到頻繁溫度波動(dòng)條件下，材料強(qiáng)度下降，加劇了磨損速率。

　　另外，由于鎂鋁尖晶石磚的導(dǎo)熱系數(shù)較大，回轉(zhuǎn)窯筒體表面溫度較高，熱量散失大、易損壞窯體，同時(shí)也影響現(xiàn)場操作。
　　根據(jù)鎂鋁尖晶石磚的損毀機(jī)理及過渡帶工作條件，作為過渡帶材料應(yīng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　1、抗水泥物料的化學(xué)侵蝕性好；
　　2、高溫?zé)崤蛎浡实?，保證砌體材料使用中應(yīng)力小，避免應(yīng)力損傷；
　　3、熱震穩(wěn)定性好；
　　4、強(qiáng)度高，耐磨性好；
　　5、導(dǎo)熱系數(shù)相對要低。

　　從過渡帶材料應(yīng)具有的優(yōu)點(diǎn)出發(fā)，考慮到主要的損毀方式，研制一種新型的過渡帶材料—高活性相結(jié)合復(fù)合磚。

　　二、高活性相結(jié)合復(fù)合磚研制的理論基礎(chǔ)及指導(dǎo)思想
　　由過渡帶用鎂鋁尖晶石磚的損毀機(jī)理可知，其主要的損毀為應(yīng)力損傷、熱震剝落和化學(xué)侵蝕，其中應(yīng)力損傷和熱震剝落常導(dǎo)致材料使用中出現(xiàn)層狀脫落，使襯體材料厚度不能得到有效的利用，是較快的損毀方式；而這兩種損毀機(jī)制是由材料本身的固有性質(zhì)決定的。在以MgO為主體組份的材料中，這種損毀是很難避免的。MgO的熱膨脹系數(shù)為15-16×10^-6（200-1000℃），在氧化物系耐火原料中可以說是非常高的，所以，鎂質(zhì)材料在頻繁的溫度波動(dòng)條件下，內(nèi)部產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，制品強(qiáng)度下降或發(fā)生應(yīng)力損傷。

　　為從根本上減弱這種應(yīng)力，可選用線膨脹系數(shù)（α）較低的原料。考慮到新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯過渡帶的使用條件，可以選用以Al₂O₃為主的原料，其中優(yōu)特礬土熟料在性價(jià)比方面比較適合。以MgO為主的鎂鋁尖晶石磚抗水泥料的侵蝕性較好，相比之下，以Al₂O₃為主的材料的抗侵蝕性則較弱，為此，在以優(yōu)特礬土為主的材料組份中引入第二種材料A。A為惰性材料，不與水泥熟料等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不會(huì)被侵蝕，如此，在一定程度上彌補(bǔ)了高鋁材料抗侵蝕性差的缺點(diǎn)，使其抗侵蝕性得到一定的保障；同時(shí)，A組份的線膨脹系數(shù)α較低，小于5.0×10^-6（200-1000℃）,這樣就可以保證復(fù)合材料在溫度波動(dòng)條件下的體積穩(wěn)定性，使材料具有較高的抗熱沖擊性能，同時(shí)也可以降低砌體應(yīng)力，保持砌體的完整性；從而解決了過渡帶用材料的熱震損毀和應(yīng)力損傷的問題。

　　由于A組份為惰性材料，與礬土熟料的反應(yīng)活性很低，所以，單獨(dú)將組份A與礬土熟料混合做成的制品是不會(huì)有強(qiáng)度的，也是無法使用的，為將二者有機(jī)地復(fù)合到一起，可采取兩種方式：

　　其一、加入粘土類低耐火相材料，依靠粘土的燒結(jié)將二者固定到一起；但這是依靠低熔點(diǎn)液相的作用，而低熔點(diǎn)玻璃相的存在對材料的高溫抗侵蝕性及抗磨損性都是非常 不利的。

　　其二、引入第三種材料HAP
　　材料HAP引入到礬土與惰性材料A的混合體中，經(jīng)中溫處理后轉(zhuǎn)變?yōu)楹苡袃r(jià)值的高活性組份，而此高活性相組份僅存在于1200℃以下，作為一種過渡的中間相；持續(xù)的升溫處理，則轉(zhuǎn)化為該復(fù)合材料的高強(qiáng)度結(jié)合相，從而將礬土熟料與惰性組份A牢固地結(jié)合到一起。在高強(qiáng)度結(jié)合相形成的過程中沒有液相的促進(jìn)燒結(jié)作用，完全是固固反應(yīng)機(jī)制，所以材料的強(qiáng)度較高，而且遠(yuǎn)高于鎂鋁尖晶石磚及鎂鉻磚；這對要求具有很好耐磨損性能的過渡帶來說是非常有利的。

　　由于礬土熟料中含有近2.0%的鐵，在燒成條件下，鐵將與Al₂O₃、SiO₂等構(gòu)成液相存在，促進(jìn)燒結(jié)，這一過程在以液相燒結(jié)機(jī)制為主的高溫處理過程中是可以的，但在高活性相結(jié)合復(fù)合磚的高溫?zé)芍袇s是不希望的。

　　引入HAP組份的高活性相結(jié)合復(fù)合磚的燒成過程中，應(yīng)控制磚內(nèi)氧分壓Po₂/P^o<10^-17MPa，如此，則礬土熟料中的雜質(zhì)鐵等便起不到液相形成的促進(jìn)作用，也避免了形成的高強(qiáng)度結(jié)合相向液相中的溶解及二次再結(jié)晶，從而使材料保持較高的斷裂韌性、高溫強(qiáng)度及熱震穩(wěn)定性；同時(shí)，組份A也能夠穩(wěn)定存在，制品能夠保持較好的抗水泥熟料的侵蝕性，所以，該復(fù)合磚完全可以取代鎂鋁尖晶石磚，其性能也優(yōu)于鎂鋁尖晶石磚，在過渡帶、冷卻帶上應(yīng)用是可行的，也是很有希望的。

　　鎂鉻磚和鎂鋁尖晶石磚同屬于富鎂材料，共同的不足就是熱膨脹率大、耐熱沖擊性不好；燒成帶鎂鉻磚主要就是由于這兩種因素的作用導(dǎo)致使用中出現(xiàn)的剝落損毀。過渡帶與燒成帶的工作條件有些近似，所以從理論上講，該活性相結(jié)合復(fù)合磚在燒成帶上的應(yīng)用也是可以的，而且部分性能還將優(yōu)于燒成鎂鉻磚。如果現(xiàn)場操作適當(dāng)，壽命將高于鎂鉻磚。

　　三、高活性相結(jié)合復(fù)合磚的生產(chǎn)工藝
　　3.1原料控制與顆粒級配
　　為了保證制品的質(zhì)量，原料進(jìn)廠后首先在本廠實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行成份及相關(guān)性能測試，各種用料的主要指標(biāo)必須符合表1的要求。

表1 原料的主要指標(biāo)              

　　原料的顆粒級配是影響制品性能的主要因素之一?？紤]到制品的綜合性能，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)篩選，高活性相結(jié)合復(fù)合磚的臨界顆粒尺寸以5~10mm為宜，粉料粒度以0.088~0.044mm為好。

　　高活性相結(jié)合復(fù)合磚采用機(jī)壓成型。混練出的泥料質(zhì)量對制品的性能影響很大，所以混練工序是很重要的工藝環(huán)節(jié)。具體操作為：

　　首先將顆粒料加入混練機(jī)中混練１－２分鐘，然后加入臨時(shí)結(jié)合劑混練１-２分鐘，再加入粉料混練４-６分鐘，泥料混練均勻后出料，此謂“初次混練”。

　　為得到高質(zhì)量坯體，需將“初次混練”的泥料進(jìn)行“均化”處理后方能用于成型。所謂“均化”即是將經(jīng)過“初次混練”過的泥料進(jìn)行12-24小時(shí)的捆料后再進(jìn)行二次混練工藝。

　　3.3成型
　　成型設(shè)備采用300-600t壓力機(jī)。成型沖壓先輕后重，短程多打。根據(jù)坯體的體積和與成型方向的尺寸來確定沖壓的次數(shù)：一般情況下厚度<65mm沖壓5-6次；厚度為65-68mm沖壓6-10次；厚度>85mm沖壓8-12次。要求坯體密實(shí)無磨面,無缺角少棱，坯體密度要求大于2.9-3.1g/cm³。

　　3.4干燥與燒成
　　為了保證高活性相結(jié)合復(fù)合磚的成品質(zhì)量，對坯體必須進(jìn)行低溫烘干，烘干洞進(jìn)口溫度在30-55℃，高溫段80-110℃，出口溫度65-75℃。坯體在烘干洞里維持16-20小時(shí)。坯體殘余水份要小于1%，然后裝入窯中進(jìn)行燒成。由點(diǎn)燃到熄火的全過程用測溫錐和熱電偶控示。燒成溫度為1390-1450℃，保溫8-12小時(shí)。

　　四、高活性相結(jié)合復(fù)合磚主要特點(diǎn)
　　高活性相結(jié)合復(fù)合磚與鎂鋁尖晶石磚的性能比較見表3。

表3 高活性相結(jié)合復(fù)合磚與鎂鋁尖晶石磚的性能比較

　　從表中看出，除抗化學(xué)侵蝕性與鎂鋁尖晶石磚相當(dāng)外，其余指標(biāo)均優(yōu)于鎂鋁尖晶石磚，由此得到高活性相結(jié)合磚的主要特點(diǎn)為：

　　(1) 抗水泥料的化學(xué)侵蝕性較好；
　　(2) 高溫?zé)崤蛎浡实?，保證砌體材料使用中應(yīng)力小，避免應(yīng)力損壞；
　　(3) 熱震穩(wěn)定性好；
　　(4) 強(qiáng)度高，耐磨性好；
　　(5) 導(dǎo)熱系數(shù)低。

　　五、結(jié)論
　　高活性相結(jié)合復(fù)合磚燒成過程中沒有液相的產(chǎn)生，完全依靠HAP組份中溫階段產(chǎn)生的固態(tài)高活性達(dá)到活性燒結(jié)，繼而形成高強(qiáng)度結(jié)合相，避免了結(jié)合相向液相中溶解及二次再結(jié)晶，使材料保持了較高的斷裂韌性、強(qiáng)度及熱震穩(wěn)定性；惰性組份A的引入，使得制品保持了較好的抗化學(xué)侵蝕性；另外，該磚的最大優(yōu)點(diǎn)即是導(dǎo)熱系數(shù)比鎂鋁尖晶石磚小得多，降低了回轉(zhuǎn)窯筒體表面溫度，減少了熱量散失，節(jié)省了能源。所以說，高活性相結(jié)合復(fù)合磚的性能優(yōu)于鎂鋁尖晶石磚和直接結(jié)合鎂鉻磚，在水泥回轉(zhuǎn)窯的過渡帶和冷卻帶完全可以替代鎂鋁尖晶石磚及鎂鉻磚；如果現(xiàn)場操作適當(dāng)，可在燒成帶取代鎂鉻磚，而且還將具有比鎂鉻磚更好的抗剝落性能。