鋁硅碳化硅耐火材料在水泥回轉(zhuǎn)窯中的應用  

 上世紀九十年代開始，隨著國內(nèi)水泥工業(yè)的不斷發(fā)展，新型干法水泥窯生產(chǎn)規(guī)模迅速擴大，回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)越來越趨于大型化，3200t、5000t和5000t以上的回轉(zhuǎn)窯越來越普遍，窯徑加大，窯速加快，這都給窯用耐火材料帶來了越來越苛刻的要求。這時鋁硅碳化硅耐火材料應運而生，開始作為一個商品名稱應用于水泥窯。隨著研究的深入和技術(shù)的推廣，鋁硅碳化硅耐火材料在水泥回轉(zhuǎn)窯的應用得到快速發(fā)展，目前國內(nèi)江蘇、河南、浙江等省已有多家耐火材料企業(yè)生產(chǎn)各種牌號的鋁硅碳化硅耐火材料，并申請了專利。不過由于各企業(yè)技術(shù)水平和差異，產(chǎn)品質(zhì)量也各有不同。 鋁硅碳化硅耐火材料主要應用在大型水泥回轉(zhuǎn)窯的前后窯口、上下過渡帶、次燒成帶、冷卻帶和分解帶等部位，可替代尖晶石磚和抗剝落高鋁磚等耐火材料。有的窯簡體除了長約20m的燒成帶用直接結(jié)合鎂絡磚、前后窯口各0.8m左右用澆注料外，全部采用鋁硅碳化硅耐火材料。 水泥回轉(zhuǎn)窯過渡帶承受的溫度在1400℃左右，預熱帶、冷卻帶等部位的溫度比過渡帶要低，燒成帶受窯皮保護，磚面的溫度也不高，而后過渡帶又處在輪帶附近，承受較強的機械應力，很不容易掛上窯皮，并且從生產(chǎn)工藝角度出發(fā)，也不希望后過渡帶有任何窯皮和結(jié)圈，以保證窯內(nèi)良好的通風和物料反應空間，這樣該帶襯磚磚面的溫度也將達到1400℃左右。鋁硅碳化硅耐火材料的荷重軟化開始溫度在1500℃以上，可以滿足該帶磚的使用溫度要求，特別是制品結(jié)構(gòu)致密，由性能優(yōu)異的礦物如莫來石、碳化硅組成，磚面可以形成連續(xù)的SiO2致密層，阻止了氣體和熔融物的侵蝕。SiC的熱導率高，熱膨脹系數(shù)小，使得鋁硅碳化硅耐火材料的抗熱震性好。這些性能特點使鋁硅碳化硅耐火材料不易發(fā)生斷裂和剝落，保證了回轉(zhuǎn)窯筒體的正常運轉(zhuǎn)，是過渡帶比較理想的窯用耐火材料。鋁硅碳化硅耐火材料由于具有優(yōu)異的性能和合理的價格，其應用于水泥回轉(zhuǎn)窯的腳步越來越快，正逐步取代原來配置的尖晶石磚、磷酸鹽結(jié)合高鋁磚和抗剝落高鋁磚等耐火材料。     

水泥回轉(zhuǎn)窯用耐火材料的損毀機理 

一、熱應力破壞   水泥回轉(zhuǎn)窯中燃燒溫度最高可以達到1700℃，熟料的溫度最高也達到1400℃左右，物料隨著窯旋轉(zhuǎn)而不斷地翻動，當磚沒有窯皮保護時，磚面的溫度也會隨著窯的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生變化，大約會產(chǎn)生200℃的周期性波動，頻繁變化的溫度使襯磚形成了溫度梯度，從而產(chǎn)生熱應力，過渡帶由于溫度變化比較激烈，不易掛上牢固的窯皮，這種作用最為明顯。當熱應力大于襯磚的強度時，磚就會發(fā)生破裂剝落。同時隨著水泥窯規(guī)模的增大，回轉(zhuǎn)窯承受的高溫負荷也逐漸增大，也會促使耐火材料的損毀。因此，對水泥窯用耐火磚熱震穩(wěn)定性的要求很高。

  另外，開窯、停窯導致快速升溫、降溫，也會使磚面產(chǎn)生比較大的熱應力，使磚出現(xiàn)剝落開裂現(xiàn)象。 

二、機械應力破壞

水泥回轉(zhuǎn)窯在運轉(zhuǎn)時，其內(nèi)部的耐火磚主要受到剪切應力(沿窯的徑向)和擠壓應力(沿簡體方向)這兩種機械應力。

沿窯的徑向的剪切應力形成的來源主要是回轉(zhuǎn)窯在運行過程中發(fā)生的機械應變。水泥回轉(zhuǎn)窯的簡體經(jīng)綸帶支撐在拖輪上，筒體很大的重量，筒體內(nèi)的耐火磚、生料或熟料也會加大簡體的負荷，輪帶之間的簡體的橫截面會產(chǎn)生徑向橢圓變形，筒體的水平直徑與垂直直徑之間的相對差值可以達到0.3%，有時甚至可以達到0.6%左右。這樣筒體運轉(zhuǎn)中每轉(zhuǎn)一圈，筒體橢圓率都會發(fā)生周期性的變化，窯體襯磚也會受到筒體的周期性擠壓以及磚圈內(nèi)部平衡應力的作用，在疲勞載荷的作用下發(fā)生損壞現(xiàn)象。隨著窯徑增大，轉(zhuǎn)速加快，這種作用還會加劇，燒成帶和過渡帶這種作用最為嚴重。

擠壓應力主要是由于兩個方面的因素：一是由于筒體與水平線成一定角度的傾斜，當窯運轉(zhuǎn)時窯內(nèi)物料就會沿著窯尾到窯頭方向運動，這時窯內(nèi)的耐火磚就會受到兩種作用力的共同作用，分別是物料運動產(chǎn)生的推力和自身重力產(chǎn)生的軸向壓力，導致磚體產(chǎn)生向窯頭方向滑動的趨勢;二是耐火磚高溫下發(fā)生熱膨脹形成的作用力，假如烘窯的溫度升高過快，導致耐火磚的膨脹速度大于窯筒體的膨脹速度，簡體就會在一定程度上阻礙耐火磚較快的膨脹從而產(chǎn)生較大的應力，嚴重時耐火磚甚至出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象。

此外，制造和安裝過程中的誤差，拖輪調(diào)整不當以及窯基礎發(fā)生不均勻沉降等，也會使窯體的彎曲超過允許值，使簡體失去直線性和圓整性，產(chǎn)生的機械應力超過耐火材料的承受度后，就會導致襯磚發(fā)生松動、抽簽等現(xiàn)象。

水泥窯用耐火材料還會受到窯料的磨損，主要可以分為粘著磨損、磨粒磨損和腐蝕磨損三種。高溫情況下，粘著磨損是主要的破壞形式，在法向載荷作用下，窯料和耐火材料的接觸表面發(fā)生相對滑動，窯料將與其粘結(jié)的部分耐火材料剝離而發(fā)生破壞，主要發(fā)生在窯口澆注料部位。低溫情況下，磨粒磨損是主要的破壞形式，有鑿削式磨損。高應力碾壓式磨損和低應力擦傷性磨損三種磨損機理。磨蝕磨損是磨損與腐蝕同時作用，首先耐火材料的表面受磨損介質(zhì)的作用產(chǎn)生溝槽或裂紋，腐蝕介質(zhì)侵入受損材料表面，發(fā)生腐蝕反應，導致磨損部位的材料變質(zhì)，然后這些因變質(zhì)而缺乏耐磨性的部位被磨損介質(zhì)除去，使得材料表面發(fā)生破壞。

三、化學侵蝕

在高溫作用下，預分解窯中K2O、Na2O、KCl、SiO2等組分揮發(fā)后，又經(jīng)預熱器、增濕塔、電收塵不斷蒸發(fā)凝結(jié)，多級收集，重新進入回轉(zhuǎn)窯中。當窯內(nèi)堿、氯、硫的平衡建立后，上述揮發(fā)組分在窯內(nèi)有很高的濃度，例如在大型預分解窯系統(tǒng)內(nèi)，窯料的R2O的含量富集5倍，SO3含量和原料相比富集3~5倍，Cl-的含量甚至富集80~100倍。當窯料中含R2O>1%、C1->0.01%時，堿性氧化物就會滲入到鋁硅系耐火材料內(nèi)部，形成膨脹性的鉀霞石(K2O?Al2O3?2SiO2)和白榴石(K2O?Al2O3?4SiO2)，使磚發(fā)生“堿裂”而損壞，溫度波動較大時，磚更容易開裂和剝落。當出窯熟料含堿量過高時，水泥窯的普通粘土磚和高鋁磚也會由于“堿裂”而產(chǎn)生損壞現(xiàn)象。

水泥生料溫度從常溫開始逐漸升高，當溫度達到500℃時，一些低融化合物開始出現(xiàn)熔融，隨著溫度的升高形成的液相量逐漸增多。當溫度接近900℃時，CaCO3開始分解生成CaO和CO2。在溫度為900~1100℃時，物料中就會形成鋁酸鈣(CaA)、硅酸二鈣(C2S)和鐵鋁酸四鈣(C4AF)，其含量在1200℃達到最大值。在1300℃硅酸三鈣(C3S)開始形成并且在1400℃以上達到最大值，至此熟料完全生成。這樣在窯內(nèi)1300-1350℃的環(huán)境溫度下，具有強堿性的熟料中的液相會與耐火磚中的酸性物質(zhì)發(fā)生反應生成低熔點的中間相(硫酸鹽，硅酸鹽，鉀鈉鹽等)，這些中間相向磚中滲透，導致磚的結(jié)構(gòu)疏松、變脆，進而發(fā)生剝落現(xiàn)象。

鋁硅碳化硅耐火材料在使用過程中除了要承受機械應力和熱應力沖擊外，還要受到窯內(nèi)堿性氣氛和熟料的化學侵蝕。來自原料和燃料的K2O、Na2O、SO3和Cl-通過磚表面的釉層侵蝕襯里后，磚就會遭到破壞。堿和硫的摩爾比為1時將形成R2SO4，硫過剩時還形成二次CaSO4和2CaSO4?K2SO4，堿過剩時還會形成R2CO3和RCl。上述生成物中所有堿鹽都將侵蝕襯里，還原氣氛的存在更促進對襯里的侵蝕。堿鹽以氣相或液相滲入磚襯內(nèi)孔隙，并與磚內(nèi)組分進行反應并形成新礦物，例如鉀霞石(KAS2)、鈉霞石(NAS2)、白榴石(KAS4)等長石組礦物。上述新礦物均在磚體內(nèi)膨脹，導致磚結(jié)構(gòu)松弛，磚面層疏松剝落，這一現(xiàn)象統(tǒng)稱“堿裂”，如果磚的致密性不好，侵蝕就可能比較嚴重。 鋁硅碳化硅耐火材料中含有一定量的碳化硅，由于碳化硅的熱導率高，在500℃時達到64.4W/m?K，到875℃時為41.4W/m?K，因而鋁硅碳化硅耐火材料的熱導率也比較高。水泥窯過渡帶的溫度可以達到1400℃左右，由于沒有窯皮保護，磚面將直接承受高溫，筒體和火焰之間僅隔一層襯磚，比較高的導熱率會直接導致水泥窯的筒體溫度升高，甚至出現(xiàn)“紅窯”現(xiàn)象。因此，降低鋁硅碳化硅耐火材料的導熱系數(shù)可以減少熱量損失，有利于節(jié)約能源。