隨著水泥工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步,水泥廠用耐火材料的品種和質(zhì)量也得到了顯著的發(fā)展,近年來(lái)在定形耐火材料和不定形耐火材料方面均不斷涌現(xiàn)出新的產(chǎn)品與新的技術(shù),并且都取得了良好的使用效果。在無(wú)鉻堿性磚的開發(fā)上,我國(guó)已自主開發(fā)出多品種性能優(yōu)良、可替代鎂鉻磚使用的產(chǎn)品。不定形耐火材料方面,應(yīng)用于水泥廠的品種日益增多,澆注料、噴涂料、可塑料均在水泥廠上得到了廣泛的應(yīng)用。預(yù)制件的產(chǎn)生,兼具了定形和不定形耐火材料的優(yōu)點(diǎn),在降低能耗的同時(shí)又節(jié)省了施工時(shí)間。河南耐火材料廠對(duì)國(guó)內(nèi)近年來(lái)在水泥廠用耐火材料——定形和不定形兩大類的開發(fā)和應(yīng)用上取得的進(jìn)展進(jìn)行了綜述,供參考。
1定形耐火材料
1.1鎂鉻磚(MgO-Cr2O3)?
鎂鉻磚是以MgO和Cr2O3為主要成分,具有耐火度高、高溫強(qiáng)度大、抗渣侵蝕性強(qiáng)、抗熱震性優(yōu)良、掛窯皮性能好及低的熱導(dǎo)率等一系列優(yōu)點(diǎn),是水泥廠燒成帶上廣泛使用的耐火材料。
以輕燒鎂粉、鉻礦、印度鉻礦、菱鎂石、燒結(jié)鎂砂和電熔鎂砂為原料,引入適量添加劑,預(yù)先合成優(yōu)質(zhì)鎂鉻料,制備出高溫性能優(yōu)良的直接結(jié)合MgO-Cr2O3磚。結(jié)果表明,在MgO-Cr2O3磚中引入合理的添加劑,能夠降低材料的顯氣孔率,改善材料的抗熱震性能,提高材料的抗渣侵蝕性。隨著添加劑的分解,在MgO-Cr2O3磚內(nèi)部形成了近似球形氣孔,而在這些球形氣孔周圍,方鎂石和鉻鐵礦粒子介于CaO·MgO·SiO(2CMS)晶界的中間而連續(xù)存在著,當(dāng)材料受到由于熱震引起的內(nèi)應(yīng)力時(shí),近似球形氣孔周圍的CMS引起了該材料的塑性變形,使內(nèi)應(yīng)力發(fā)生延遲,即使產(chǎn)生了裂紋也因這種球形氣孔而阻止了裂紋的擴(kuò)展或者明顯降低了裂紋擴(kuò)展的速度,因此這種結(jié)構(gòu)對(duì)改善耐火材料的抗熱震性具有重要意義。
鎂鉻磚雖由于性能優(yōu)良而被廣泛應(yīng)用于燒成帶,然而其在使用工程中,Cr3+轉(zhuǎn)化為了有毒且溶于水的Cr6+,以K2CrO4形式存在,這會(huì)對(duì)人體造成危害,同時(shí)也會(huì)造成環(huán)境污染和地下水污染等問(wèn)題。鎂鉻磚進(jìn)行解毒方法是:可將用后鎂鉻磚投入到水池中,使磚中的Cr6+溶于水中,待溶液中的Cr6+飽和后,再把殘磚投入另一水池。經(jīng)第二水池處理后,再投入第三水池。這樣,可將殘磚中的Cr6+基本溶出。然后在水池中加入FeSO4或MnSO4,再加入堿液調(diào)整溶液的pH=8~9,在缺氧及常溫條件下,使被還原金屬離子呈膠狀氫氧化物沉淀(Cr(OH)3,Fe(OH)3,Fe(OH)2)而被除去。沉淀后的上層清液可重復(fù)使用或排放。用后鎂鉻磚雖經(jīng)過(guò)上述方法處理后可使Cr6+還原成Cr3+,但從經(jīng)濟(jì)效益以及環(huán)境保護(hù)的角度綜合考慮,建議在能不使用鎂鉻磚的情況下盡量不使用,但水泥廠欲實(shí)現(xiàn)完全無(wú)鉻化尚需時(shí)間。
1.2鎂鋁尖晶石磚(MgO-MgO·Al2O3)
鎂鋁尖晶石磚具有良好的高溫性能、抗熱震性和抗剝落性好等特點(diǎn);但同時(shí)鎂鋁尖晶石磚也存在抗CaO侵蝕性差、掛窯皮性能較差、導(dǎo)熱率高等不利因素。
為了解決鎂鋁尖晶石磚的這些不利因素,通過(guò)在鎂鋁尖晶石磚中引入含鐵添加劑和ZrO2,La2O3,改善了鎂鋁尖晶石磚存在的不足,提高了產(chǎn)品的性能。以燒結(jié)鎂砂、鎂鋁尖晶石粉和亞硫酸紙漿廢液為主要原料,制備出方鎂石—尖晶石磚,并在其中分別引入三種含鐵添加劑,研究了這些含鐵添加劑對(duì)鎂鋁尖晶石磚性能的影響。結(jié)果表明:含有不同含鐵添加劑的試樣與未含含鐵添加劑的試樣相比,具有較低的顯氣孔率,較高的體積密度和常溫耐壓強(qiáng)度
1.3鎂鐵鋁尖晶石磚(MgO-FeO·Al2O3)
鎂鐵鋁尖晶石磚具有抗熱震性好,掛窯皮性能好等特點(diǎn)。鎂鐵鋁尖晶石磚具有低熱膨脹和低熱導(dǎo)率,不會(huì)導(dǎo)致殼體的過(guò)熱變形,造成能量損失。鎂鐵鋁尖晶石磚還具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)柔韌性,可以延長(zhǎng)材料的使用壽命。研究鐵鋁尖晶石的活化效應(yīng)表明:Fe2+擴(kuò)散進(jìn)入周邊的MgO基質(zhì)中,同時(shí)部分Mg2+擴(kuò)散進(jìn)入FeAl2O4顆粒,與FeAl2O4分解殘留的Al2O3反應(yīng)生成MgAl2O4,這一反應(yīng)伴隨的體積膨脹導(dǎo)致了微裂紋的產(chǎn)生。這些離子的活化作用在高溫下是持續(xù)進(jìn)行的,對(duì)提高材料的柔韌性起著重要的作用。
以菱鎂石和鐵鱗預(yù)先合成高鐵鎂砂,礬土和鐵鱗預(yù)先合成鐵鋁尖晶石,然后再以這些合成料和亞硫酸紙漿廢液為原料,制備出適用于燒成帶的鎂鐵鋁尖晶石磚。結(jié)果表明:隨著鐵鋁尖晶石加入量的增加,材料的常溫耐壓強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度均先增大后減小,當(dāng)加入量w(鐵鋁尖晶石)=7%時(shí),材料的常溫耐壓強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度均出現(xiàn)最大值。將研制的該磚與燒成帶現(xiàn)用的直接結(jié)合鎂鉻磚進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明:該磚顯氣孔率低于鎂鉻磚,體積密度、常溫抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度均高于鎂鉻磚,抗熱震性優(yōu)于鎂鉻磚,黏掛窯皮性能與鎂鉻磚相近。
1.4鎂鈣磚(MgO-CaO)
鎂鈣磚具有耐高溫、抗CaO侵蝕、易掛牢窯皮和抗還原氣氛侵蝕等眾多優(yōu)點(diǎn),但鎂鈣磚在貯存和停窯期間易吸潮水化、抗酸性氣體的侵蝕能力和抗熱震性差,適用于有穩(wěn)定窯皮保護(hù)的區(qū)域。
對(duì)比了鎂鈣磚、鎂鋁尖晶石磚、直接結(jié)合鎂鉻磚的高溫性能,結(jié)果表明:3種磚的剛性模量和抗剪強(qiáng)度以及在發(fā)生快速流動(dòng)的溫度范圍內(nèi)的流動(dòng)量大小依次均為:鎂鈣磚>鎂鋁尖晶石磚>直接結(jié)合鎂鉻磚。
鎂鈣磚有著眾多優(yōu)點(diǎn),目前的研究熱點(diǎn)仍是如何解決其易吸潮水化問(wèn)題。現(xiàn)在使用的鎂鈣磚還只是適用于有穩(wěn)定窯皮保護(hù)的區(qū)域,若能解決其易吸潮水化問(wèn)題,則鎂鈣磚會(huì)有更加廣泛的應(yīng)用空間
1.5鎂鈣鋯磚(MgO-CaO-ZrO2)
鎂鈣鋯磚具有抗硅酸鹽水泥侵蝕性強(qiáng),以及高溫強(qiáng)度大、掛窯皮性好、抗熱震性好等優(yōu)點(diǎn),解決了鎂鈣磚易水化的缺點(diǎn)。
別以電熔鎂砂、燒結(jié)鎂砂、石灰石、鋯英石和外加劑為原料,研制出鎂鈣鋯磚。結(jié)果表明:MgO-CaO-ZrO2磚的主晶相為方鎂石、鋯酸鈣、硅酸二鈣和硅酸三鈣。隨著鋯英石加入量的增大,材料的顯氣孔率降低,體積密度增大,常溫耐壓強(qiáng)度增大。隨著TiO2加入量的增大,材料表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。此外,研制的這種鎂鈣鋯磚與水泥熟料的黏附性優(yōu)于鎂鉻磚的。鋯的加入形式和加入量對(duì)MgO-CaO-ZrO2材料的影響表明:隨著m-ZrO(2單斜ZrO2)加入量的增加,材料的體積密度先增大后減小再增大,但隨著鋯英石加入量的增加,材料的體積密度減小。加入m-ZrO2或鋯英石后,材料的抗熱震性均得到改善。加入鋯英石會(huì)明顯提高材料的抗水化性,但加入m-ZrO2對(duì)提高材料的抗水化性不明顯。
1.6硅莫磚(SiC-3Al2O3·2SiO2)
硅莫磚具有荷重軟化溫度高、抗熱震性、抗侵蝕性和耐磨性優(yōu)良等特點(diǎn),主要應(yīng)用于次燒成帶、過(guò)渡帶和冷卻帶等部位。
以礬土、棕剛玉、碳化硅、廣西白泥、紅柱石為原料,以紙漿廢液為結(jié)合劑,研制出過(guò)渡帶用特種硅莫磚。結(jié)果表明:隨著紅柱石加入量的增加,材料的顯氣孔率降低,常溫耐壓強(qiáng)度和體積密度均增大,抗熱震性和耐磨性提高。當(dāng)加入量w(紅柱石)=6%時(shí),材料的綜合性能最佳。將研制的硅莫磚應(yīng)用于河南某水泥企業(yè)的上過(guò)渡帶及下過(guò)渡帶,使用結(jié)果表明:材料未出現(xiàn)剝落、爆頭現(xiàn)象,具有較高的耐堿侵蝕性,抗熱震性良好,使用壽命在一年以上。此外,該磚具有較低的導(dǎo)熱系數(shù),使窯筒體具有較低的外表面溫度,節(jié)能效果明顯。
2不定形耐火材料
不定形耐火材料也稱為第二代耐火材料,特點(diǎn)是不經(jīng)燒成工序,成型烘烤后即可使用。同耐火磚相比,具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、節(jié)約能源、成本相對(duì)較低、可機(jī)械化施工且施工效率高、適宜于復(fù)雜構(gòu)型的襯體施工和修補(bǔ)等特點(diǎn)。不定形耐火材料可通過(guò)澆注、噴涂、搗打等方式施工,制成無(wú)接縫的襯體,避免了夾帶灰塵的熱氣流通過(guò)傳統(tǒng)用的耐火磚的縫隙鉆入襯體內(nèi)造成的襯體坍塌,所以亦稱整體耐火材料。在某些熱工設(shè)備上使用效果比耐火磚好。
2.1澆注料
澆注料是一種由耐火原料加入一定量結(jié)合劑制成的粒狀和粉狀不定形耐火材料,加水?dāng)嚢韬缶哂辛己玫牧鲃?dòng)性,廣泛應(yīng)用于冶金、水泥、石油和化工等行業(yè)[28-30],在水泥廠中主要應(yīng)用在預(yù)熱器、前后窯口、下料管、三次風(fēng)管及分解爐、篦冷機(jī)以及一些形狀復(fù)雜難以砌磚的部位。
以礬土、SiO2微粉和鋁酸鈣水泥為原料,外加減水劑,研制出水泥廠用低水泥澆注料。結(jié)果表明:隨著熱處理溫度的提高,該料的體積密度先減小后不變?cè)僭龃?線收縮率先增大后減小再增大,常溫抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度先增大后減小再增大,并且該料具有良好的耐磨性能和抗熱震性能,適用于對(duì)耐磨性有要求及溫度冷熱變換的襯里部位。該產(chǎn)品已得到廣泛應(yīng)用,在水泥廠的窯口部位取得了良好的使用效果。
水泥廠用耐火澆注料在使用中的非正常損壞原因,指出具體原因有:
(1)由于扒釘在焊點(diǎn)處開焊,造成錨固件的脫落,最終導(dǎo)致澆注料成片脫落。
(2)澆注料的抗熱震性差,持續(xù)的周期性溫度變化導(dǎo)致澆注料熱疲勞損壞。
(3)沒有按照規(guī)定的施工要求進(jìn)行施工操作,具體表現(xiàn)為:1、為了便于施工,加水量明顯偏大,造成材料的強(qiáng)度降低;2、沒有預(yù)留膨脹縫,導(dǎo)致升溫時(shí)產(chǎn)生很大的膨脹力;3、施工結(jié)束后立即點(diǎn)火,沒有養(yǎng)護(hù)和烘爐過(guò)程,造成澆注料因溫度急劇上升導(dǎo)致爆裂、剝落,產(chǎn)生大面積脫落。
(4)窯的不正常操作。
針對(duì)以上這些導(dǎo)致材料損壞的原因,提出了解決措施:(1)選擇與窯設(shè)備護(hù)鐵材質(zhì)一樣的錨固件和焊條,并盡量采用焊點(diǎn)多的單個(gè)錨固件或增加焊點(diǎn)長(zhǎng)度,提高焊接牢固度。(2)采用抗熱震性好的澆注料。(3)提稿澆注料質(zhì)量,提高熱容量,降低溫度波動(dòng)變化量。(4)提高施工質(zhì)量,嚴(yán)格按照澆注料的施工說(shuō)明操作。張芝蘭[41]也介紹了幾種在大型水泥廠實(shí)際應(yīng)用中取得理想效果的錨固件,具體有錨固座系統(tǒng)與錨固磚,Y形、V形、U形扒釘以及錨固磚和扒釘共同作為錨固件形成澆注料網(wǎng)狀骨架的結(jié)構(gòu)形式。
2.2噴涂料
噴涂料是一種利用氣動(dòng)工具以機(jī)械噴射方法施工的不定形耐火材料,具有工期短、效率高和強(qiáng)度高等特點(diǎn)。
以焦寶石、鋁礬土、棕剛玉、藍(lán)晶石、Al2O3微粉、SiO2微粉和鋁酸鈣水泥為原料,通過(guò)在施工時(shí)添加急結(jié)劑,制備出施工時(shí)不產(chǎn)生粉塵的濕法噴涂料,并將該料應(yīng)用于水泥廠篦冷機(jī)部位。使用結(jié)果表明:該料施工時(shí)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境優(yōu)良,不產(chǎn)生粉塵;該料使用效果良好,未發(fā)生損壞現(xiàn)象。
2.3可塑料
可塑料是由一定級(jí)配的耐火骨料、黏土細(xì)粉、水及化學(xué)結(jié)合劑按照一定比例經(jīng)過(guò)充分混練而成的泥坯狀或泥團(tuán)狀的具有一定黏性和可塑性的不定形耐火材料,具有良好的抗熱震性以及良好的耐剝落性和耐腐蝕性。國(guó)內(nèi)的可塑料通常是以搗打的方式進(jìn)行施工,并且多用于冶金行業(yè),作為內(nèi)襯材料使用,在水泥行業(yè)應(yīng)用較少。日本的一項(xiàng)研究表明,在預(yù)熱器和旋風(fēng)除塵器內(nèi)筒安裝部位以及進(jìn)料口部位以噴涂可塑料作為內(nèi)襯材料。使用結(jié)果表明:使用1年半后,未發(fā)現(xiàn)有明顯的蝕損和脫落等現(xiàn)象,仍保持良好的狀態(tài),并且尚在繼續(xù)使用中。國(guó)內(nèi)方面,以電熔剛玉、SiC、廣西泥和SiO2微粉為原料,以磷酸二氫鋁為結(jié)合劑,制備出應(yīng)用于大型干法水泥回轉(zhuǎn)窯純低溫余熱發(fā)電用耐磨可塑搗打料。使用結(jié)果表明:該料保溫性能好,強(qiáng)度高,耐磨性優(yōu)良,使用壽命最長(zhǎng)可達(dá)5年。
3預(yù)制件
預(yù)制件是一種介于定形和不定形耐火材料之間的一種產(chǎn)品,是將不定形耐火材料定形化,兼具定形和不定形耐火材料的優(yōu)點(diǎn),是不定形耐火材料施工和應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新方向。預(yù)制件只需在成型后經(jīng)過(guò)較低溫度的熱處理,然后在現(xiàn)場(chǎng)拼裝組合后即可投入使用,目前主要應(yīng)用在篦冷機(jī)喉部、篦冷機(jī)矮墻、三次風(fēng)閘閥和窯尾煙室等部位。
預(yù)制件與澆注料相比體現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)在于:耐壓強(qiáng)度高;抗熱震性好;耐磨損性優(yōu);節(jié)省砌筑時(shí)間;節(jié)省養(yǎng)護(hù)、烘烤時(shí)間;不受環(huán)境溫度限制;便于更換拆裝;更長(zhǎng)的儲(chǔ)存期以及更長(zhǎng)的使用壽命。
我國(guó)在水泥廠用耐火材料的研發(fā)上已經(jīng)取得了一定的成績(jī),但是隨著水泥工業(yè)新技術(shù)的不斷涌現(xiàn),這就需要耐火材料也要隨之發(fā)展,來(lái)適應(yīng)新的工作環(huán)境。例如:近年來(lái)新出現(xiàn)的替代燃料技術(shù),即把一些工業(yè)廢料作為燃料使用或者利用余熱技術(shù)等,水泥工業(yè)使用這種替代燃料不但節(jié)約了資源,而且還保護(hù)了環(huán)境。但同時(shí)這些替代燃料的使用也會(huì)使水泥廠內(nèi)堿、氯、硫含量增加,加劇了對(duì)耐火材料的損毀。因此這就需要耐火材料行業(yè)與時(shí)俱進(jìn),與新技術(shù)配套使用的耐火材料的研制工作顯得極為重要。預(yù)計(jì)今后水泥廠用耐火材料將繼續(xù)向無(wú)鉻化、環(huán)保化方向發(fā)展,不定形耐火材料所占的比例將會(huì)繼續(xù)加大,耐火材料在種類上會(huì)不斷推陳出新,品質(zhì)上會(huì)取得更大的突破和發(fā)展。耐火材料技術(shù)的不斷更新會(huì)為水泥工業(yè)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),二者相輔相成,共同發(fā)展。
1定形耐火材料
1.1鎂鉻磚(MgO-Cr2O3)?
鎂鉻磚是以MgO和Cr2O3為主要成分,具有耐火度高、高溫強(qiáng)度大、抗渣侵蝕性強(qiáng)、抗熱震性優(yōu)良、掛窯皮性能好及低的熱導(dǎo)率等一系列優(yōu)點(diǎn),是水泥廠燒成帶上廣泛使用的耐火材料。
以輕燒鎂粉、鉻礦、印度鉻礦、菱鎂石、燒結(jié)鎂砂和電熔鎂砂為原料,引入適量添加劑,預(yù)先合成優(yōu)質(zhì)鎂鉻料,制備出高溫性能優(yōu)良的直接結(jié)合MgO-Cr2O3磚。結(jié)果表明,在MgO-Cr2O3磚中引入合理的添加劑,能夠降低材料的顯氣孔率,改善材料的抗熱震性能,提高材料的抗渣侵蝕性。隨著添加劑的分解,在MgO-Cr2O3磚內(nèi)部形成了近似球形氣孔,而在這些球形氣孔周圍,方鎂石和鉻鐵礦粒子介于CaO·MgO·SiO(2CMS)晶界的中間而連續(xù)存在著,當(dāng)材料受到由于熱震引起的內(nèi)應(yīng)力時(shí),近似球形氣孔周圍的CMS引起了該材料的塑性變形,使內(nèi)應(yīng)力發(fā)生延遲,即使產(chǎn)生了裂紋也因這種球形氣孔而阻止了裂紋的擴(kuò)展或者明顯降低了裂紋擴(kuò)展的速度,因此這種結(jié)構(gòu)對(duì)改善耐火材料的抗熱震性具有重要意義。
鎂鉻磚雖由于性能優(yōu)良而被廣泛應(yīng)用于燒成帶,然而其在使用工程中,Cr3+轉(zhuǎn)化為了有毒且溶于水的Cr6+,以K2CrO4形式存在,這會(huì)對(duì)人體造成危害,同時(shí)也會(huì)造成環(huán)境污染和地下水污染等問(wèn)題。鎂鉻磚進(jìn)行解毒方法是:可將用后鎂鉻磚投入到水池中,使磚中的Cr6+溶于水中,待溶液中的Cr6+飽和后,再把殘磚投入另一水池。經(jīng)第二水池處理后,再投入第三水池。這樣,可將殘磚中的Cr6+基本溶出。然后在水池中加入FeSO4或MnSO4,再加入堿液調(diào)整溶液的pH=8~9,在缺氧及常溫條件下,使被還原金屬離子呈膠狀氫氧化物沉淀(Cr(OH)3,Fe(OH)3,Fe(OH)2)而被除去。沉淀后的上層清液可重復(fù)使用或排放。用后鎂鉻磚雖經(jīng)過(guò)上述方法處理后可使Cr6+還原成Cr3+,但從經(jīng)濟(jì)效益以及環(huán)境保護(hù)的角度綜合考慮,建議在能不使用鎂鉻磚的情況下盡量不使用,但水泥廠欲實(shí)現(xiàn)完全無(wú)鉻化尚需時(shí)間。
1.2鎂鋁尖晶石磚(MgO-MgO·Al2O3)
鎂鋁尖晶石磚具有良好的高溫性能、抗熱震性和抗剝落性好等特點(diǎn);但同時(shí)鎂鋁尖晶石磚也存在抗CaO侵蝕性差、掛窯皮性能較差、導(dǎo)熱率高等不利因素。
為了解決鎂鋁尖晶石磚的這些不利因素,通過(guò)在鎂鋁尖晶石磚中引入含鐵添加劑和ZrO2,La2O3,改善了鎂鋁尖晶石磚存在的不足,提高了產(chǎn)品的性能。以燒結(jié)鎂砂、鎂鋁尖晶石粉和亞硫酸紙漿廢液為主要原料,制備出方鎂石—尖晶石磚,并在其中分別引入三種含鐵添加劑,研究了這些含鐵添加劑對(duì)鎂鋁尖晶石磚性能的影響。結(jié)果表明:含有不同含鐵添加劑的試樣與未含含鐵添加劑的試樣相比,具有較低的顯氣孔率,較高的體積密度和常溫耐壓強(qiáng)度
1.3鎂鐵鋁尖晶石磚(MgO-FeO·Al2O3)
鎂鐵鋁尖晶石磚具有抗熱震性好,掛窯皮性能好等特點(diǎn)。鎂鐵鋁尖晶石磚具有低熱膨脹和低熱導(dǎo)率,不會(huì)導(dǎo)致殼體的過(guò)熱變形,造成能量損失。鎂鐵鋁尖晶石磚還具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)柔韌性,可以延長(zhǎng)材料的使用壽命。研究鐵鋁尖晶石的活化效應(yīng)表明:Fe2+擴(kuò)散進(jìn)入周邊的MgO基質(zhì)中,同時(shí)部分Mg2+擴(kuò)散進(jìn)入FeAl2O4顆粒,與FeAl2O4分解殘留的Al2O3反應(yīng)生成MgAl2O4,這一反應(yīng)伴隨的體積膨脹導(dǎo)致了微裂紋的產(chǎn)生。這些離子的活化作用在高溫下是持續(xù)進(jìn)行的,對(duì)提高材料的柔韌性起著重要的作用。
以菱鎂石和鐵鱗預(yù)先合成高鐵鎂砂,礬土和鐵鱗預(yù)先合成鐵鋁尖晶石,然后再以這些合成料和亞硫酸紙漿廢液為原料,制備出適用于燒成帶的鎂鐵鋁尖晶石磚。結(jié)果表明:隨著鐵鋁尖晶石加入量的增加,材料的常溫耐壓強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度均先增大后減小,當(dāng)加入量w(鐵鋁尖晶石)=7%時(shí),材料的常溫耐壓強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度均出現(xiàn)最大值。將研制的該磚與燒成帶現(xiàn)用的直接結(jié)合鎂鉻磚進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明:該磚顯氣孔率低于鎂鉻磚,體積密度、常溫抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度均高于鎂鉻磚,抗熱震性優(yōu)于鎂鉻磚,黏掛窯皮性能與鎂鉻磚相近。
1.4鎂鈣磚(MgO-CaO)
鎂鈣磚具有耐高溫、抗CaO侵蝕、易掛牢窯皮和抗還原氣氛侵蝕等眾多優(yōu)點(diǎn),但鎂鈣磚在貯存和停窯期間易吸潮水化、抗酸性氣體的侵蝕能力和抗熱震性差,適用于有穩(wěn)定窯皮保護(hù)的區(qū)域。
對(duì)比了鎂鈣磚、鎂鋁尖晶石磚、直接結(jié)合鎂鉻磚的高溫性能,結(jié)果表明:3種磚的剛性模量和抗剪強(qiáng)度以及在發(fā)生快速流動(dòng)的溫度范圍內(nèi)的流動(dòng)量大小依次均為:鎂鈣磚>鎂鋁尖晶石磚>直接結(jié)合鎂鉻磚。
鎂鈣磚有著眾多優(yōu)點(diǎn),目前的研究熱點(diǎn)仍是如何解決其易吸潮水化問(wèn)題。現(xiàn)在使用的鎂鈣磚還只是適用于有穩(wěn)定窯皮保護(hù)的區(qū)域,若能解決其易吸潮水化問(wèn)題,則鎂鈣磚會(huì)有更加廣泛的應(yīng)用空間
1.5鎂鈣鋯磚(MgO-CaO-ZrO2)
鎂鈣鋯磚具有抗硅酸鹽水泥侵蝕性強(qiáng),以及高溫強(qiáng)度大、掛窯皮性好、抗熱震性好等優(yōu)點(diǎn),解決了鎂鈣磚易水化的缺點(diǎn)。
別以電熔鎂砂、燒結(jié)鎂砂、石灰石、鋯英石和外加劑為原料,研制出鎂鈣鋯磚。結(jié)果表明:MgO-CaO-ZrO2磚的主晶相為方鎂石、鋯酸鈣、硅酸二鈣和硅酸三鈣。隨著鋯英石加入量的增大,材料的顯氣孔率降低,體積密度增大,常溫耐壓強(qiáng)度增大。隨著TiO2加入量的增大,材料表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。此外,研制的這種鎂鈣鋯磚與水泥熟料的黏附性優(yōu)于鎂鉻磚的。鋯的加入形式和加入量對(duì)MgO-CaO-ZrO2材料的影響表明:隨著m-ZrO(2單斜ZrO2)加入量的增加,材料的體積密度先增大后減小再增大,但隨著鋯英石加入量的增加,材料的體積密度減小。加入m-ZrO2或鋯英石后,材料的抗熱震性均得到改善。加入鋯英石會(huì)明顯提高材料的抗水化性,但加入m-ZrO2對(duì)提高材料的抗水化性不明顯。
1.6硅莫磚(SiC-3Al2O3·2SiO2)
硅莫磚具有荷重軟化溫度高、抗熱震性、抗侵蝕性和耐磨性優(yōu)良等特點(diǎn),主要應(yīng)用于次燒成帶、過(guò)渡帶和冷卻帶等部位。
以礬土、棕剛玉、碳化硅、廣西白泥、紅柱石為原料,以紙漿廢液為結(jié)合劑,研制出過(guò)渡帶用特種硅莫磚。結(jié)果表明:隨著紅柱石加入量的增加,材料的顯氣孔率降低,常溫耐壓強(qiáng)度和體積密度均增大,抗熱震性和耐磨性提高。當(dāng)加入量w(紅柱石)=6%時(shí),材料的綜合性能最佳。將研制的硅莫磚應(yīng)用于河南某水泥企業(yè)的上過(guò)渡帶及下過(guò)渡帶,使用結(jié)果表明:材料未出現(xiàn)剝落、爆頭現(xiàn)象,具有較高的耐堿侵蝕性,抗熱震性良好,使用壽命在一年以上。此外,該磚具有較低的導(dǎo)熱系數(shù),使窯筒體具有較低的外表面溫度,節(jié)能效果明顯。
2不定形耐火材料
不定形耐火材料也稱為第二代耐火材料,特點(diǎn)是不經(jīng)燒成工序,成型烘烤后即可使用。同耐火磚相比,具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、節(jié)約能源、成本相對(duì)較低、可機(jī)械化施工且施工效率高、適宜于復(fù)雜構(gòu)型的襯體施工和修補(bǔ)等特點(diǎn)。不定形耐火材料可通過(guò)澆注、噴涂、搗打等方式施工,制成無(wú)接縫的襯體,避免了夾帶灰塵的熱氣流通過(guò)傳統(tǒng)用的耐火磚的縫隙鉆入襯體內(nèi)造成的襯體坍塌,所以亦稱整體耐火材料。在某些熱工設(shè)備上使用效果比耐火磚好。
2.1澆注料
澆注料是一種由耐火原料加入一定量結(jié)合劑制成的粒狀和粉狀不定形耐火材料,加水?dāng)嚢韬缶哂辛己玫牧鲃?dòng)性,廣泛應(yīng)用于冶金、水泥、石油和化工等行業(yè)[28-30],在水泥廠中主要應(yīng)用在預(yù)熱器、前后窯口、下料管、三次風(fēng)管及分解爐、篦冷機(jī)以及一些形狀復(fù)雜難以砌磚的部位。
以礬土、SiO2微粉和鋁酸鈣水泥為原料,外加減水劑,研制出水泥廠用低水泥澆注料。結(jié)果表明:隨著熱處理溫度的提高,該料的體積密度先減小后不變?cè)僭龃?線收縮率先增大后減小再增大,常溫抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度先增大后減小再增大,并且該料具有良好的耐磨性能和抗熱震性能,適用于對(duì)耐磨性有要求及溫度冷熱變換的襯里部位。該產(chǎn)品已得到廣泛應(yīng)用,在水泥廠的窯口部位取得了良好的使用效果。
水泥廠用耐火澆注料在使用中的非正常損壞原因,指出具體原因有:
(1)由于扒釘在焊點(diǎn)處開焊,造成錨固件的脫落,最終導(dǎo)致澆注料成片脫落。
(2)澆注料的抗熱震性差,持續(xù)的周期性溫度變化導(dǎo)致澆注料熱疲勞損壞。
(3)沒有按照規(guī)定的施工要求進(jìn)行施工操作,具體表現(xiàn)為:1、為了便于施工,加水量明顯偏大,造成材料的強(qiáng)度降低;2、沒有預(yù)留膨脹縫,導(dǎo)致升溫時(shí)產(chǎn)生很大的膨脹力;3、施工結(jié)束后立即點(diǎn)火,沒有養(yǎng)護(hù)和烘爐過(guò)程,造成澆注料因溫度急劇上升導(dǎo)致爆裂、剝落,產(chǎn)生大面積脫落。
(4)窯的不正常操作。
針對(duì)以上這些導(dǎo)致材料損壞的原因,提出了解決措施:(1)選擇與窯設(shè)備護(hù)鐵材質(zhì)一樣的錨固件和焊條,并盡量采用焊點(diǎn)多的單個(gè)錨固件或增加焊點(diǎn)長(zhǎng)度,提高焊接牢固度。(2)采用抗熱震性好的澆注料。(3)提稿澆注料質(zhì)量,提高熱容量,降低溫度波動(dòng)變化量。(4)提高施工質(zhì)量,嚴(yán)格按照澆注料的施工說(shuō)明操作。張芝蘭[41]也介紹了幾種在大型水泥廠實(shí)際應(yīng)用中取得理想效果的錨固件,具體有錨固座系統(tǒng)與錨固磚,Y形、V形、U形扒釘以及錨固磚和扒釘共同作為錨固件形成澆注料網(wǎng)狀骨架的結(jié)構(gòu)形式。
2.2噴涂料
噴涂料是一種利用氣動(dòng)工具以機(jī)械噴射方法施工的不定形耐火材料,具有工期短、效率高和強(qiáng)度高等特點(diǎn)。
以焦寶石、鋁礬土、棕剛玉、藍(lán)晶石、Al2O3微粉、SiO2微粉和鋁酸鈣水泥為原料,通過(guò)在施工時(shí)添加急結(jié)劑,制備出施工時(shí)不產(chǎn)生粉塵的濕法噴涂料,并將該料應(yīng)用于水泥廠篦冷機(jī)部位。使用結(jié)果表明:該料施工時(shí)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境優(yōu)良,不產(chǎn)生粉塵;該料使用效果良好,未發(fā)生損壞現(xiàn)象。
2.3可塑料
可塑料是由一定級(jí)配的耐火骨料、黏土細(xì)粉、水及化學(xué)結(jié)合劑按照一定比例經(jīng)過(guò)充分混練而成的泥坯狀或泥團(tuán)狀的具有一定黏性和可塑性的不定形耐火材料,具有良好的抗熱震性以及良好的耐剝落性和耐腐蝕性。國(guó)內(nèi)的可塑料通常是以搗打的方式進(jìn)行施工,并且多用于冶金行業(yè),作為內(nèi)襯材料使用,在水泥行業(yè)應(yīng)用較少。日本的一項(xiàng)研究表明,在預(yù)熱器和旋風(fēng)除塵器內(nèi)筒安裝部位以及進(jìn)料口部位以噴涂可塑料作為內(nèi)襯材料。使用結(jié)果表明:使用1年半后,未發(fā)現(xiàn)有明顯的蝕損和脫落等現(xiàn)象,仍保持良好的狀態(tài),并且尚在繼續(xù)使用中。國(guó)內(nèi)方面,以電熔剛玉、SiC、廣西泥和SiO2微粉為原料,以磷酸二氫鋁為結(jié)合劑,制備出應(yīng)用于大型干法水泥回轉(zhuǎn)窯純低溫余熱發(fā)電用耐磨可塑搗打料。使用結(jié)果表明:該料保溫性能好,強(qiáng)度高,耐磨性優(yōu)良,使用壽命最長(zhǎng)可達(dá)5年。
3預(yù)制件
預(yù)制件是一種介于定形和不定形耐火材料之間的一種產(chǎn)品,是將不定形耐火材料定形化,兼具定形和不定形耐火材料的優(yōu)點(diǎn),是不定形耐火材料施工和應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新方向。預(yù)制件只需在成型后經(jīng)過(guò)較低溫度的熱處理,然后在現(xiàn)場(chǎng)拼裝組合后即可投入使用,目前主要應(yīng)用在篦冷機(jī)喉部、篦冷機(jī)矮墻、三次風(fēng)閘閥和窯尾煙室等部位。
預(yù)制件與澆注料相比體現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)在于:耐壓強(qiáng)度高;抗熱震性好;耐磨損性優(yōu);節(jié)省砌筑時(shí)間;節(jié)省養(yǎng)護(hù)、烘烤時(shí)間;不受環(huán)境溫度限制;便于更換拆裝;更長(zhǎng)的儲(chǔ)存期以及更長(zhǎng)的使用壽命。
我國(guó)在水泥廠用耐火材料的研發(fā)上已經(jīng)取得了一定的成績(jī),但是隨著水泥工業(yè)新技術(shù)的不斷涌現(xiàn),這就需要耐火材料也要隨之發(fā)展,來(lái)適應(yīng)新的工作環(huán)境。例如:近年來(lái)新出現(xiàn)的替代燃料技術(shù),即把一些工業(yè)廢料作為燃料使用或者利用余熱技術(shù)等,水泥工業(yè)使用這種替代燃料不但節(jié)約了資源,而且還保護(hù)了環(huán)境。但同時(shí)這些替代燃料的使用也會(huì)使水泥廠內(nèi)堿、氯、硫含量增加,加劇了對(duì)耐火材料的損毀。因此這就需要耐火材料行業(yè)與時(shí)俱進(jìn),與新技術(shù)配套使用的耐火材料的研制工作顯得極為重要。預(yù)計(jì)今后水泥廠用耐火材料將繼續(xù)向無(wú)鉻化、環(huán)保化方向發(fā)展,不定形耐火材料所占的比例將會(huì)繼續(xù)加大,耐火材料在種類上會(huì)不斷推陳出新,品質(zhì)上會(huì)取得更大的突破和發(fā)展。耐火材料技術(shù)的不斷更新會(huì)為水泥工業(yè)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),二者相輔相成,共同發(fā)展。
