大型水泥回轉(zhuǎn)窯窯襯用高活性相結合復合磚
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)高溫燒成制得,其理化指標歸納如下:
MgO 75 - 90%
Al2O3 5 - 18%
常溫耐壓強度(MPa)0 - 70
熱膨脹率(1000℃)0.9 - 1.2%
導熱系數(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、受水泥材料的化學侵蝕;
2、因高溫熱膨脹率較大,導致襯體材料應力集中,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條件下,材料強度下降,加劇了磨損速率。
另外,由于鎂鋁尖晶石磚的導熱系數(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,同時也影響現(xiàn)場操作。
根據(jù)鎂鋁尖晶石磚的損毀機理及過渡帶工作條件,作為過渡帶材料應具有如下優(yōu)點:
1、抗水泥物料的化學侵蝕性好;
2、高溫熱膨脹率低,保證砌體材料使用中應力小,避免應力損傷;
3、熱震穩(wěn)定性好;
4、強度高,耐磨性好;
5、導熱系數(shù)相對要低。
從過渡帶材料應具有的優(yōu)點出發(fā),考慮到主要的損毀方式,研制一種新型的過渡帶材料-高活性相結合復合磚。
二、高活性相結合復合磚研制的理論基礎及指導思想
由過渡帶用鎂鋁尖晶石磚的損毀機理可知,其主要的損毀為應力損傷、熱震剝落和化學侵蝕,其中應力損傷和熱震剝落常導致材料使用中出現(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條件下,內(nèi)部產(chǎn)生較大的結構應力,制品強度下降或發(fā)生應力損傷。
為從根本上減弱這種應力,可選用線膨脹系數(shù)(α)較低的原料??紤]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)生化學反應,不會被侵蝕,如此,在一定程度上彌補了高鋁材料抗侵蝕性差的缺點,使其抗侵蝕性得到一定的保障;同時,A組份的線膨脹系數(shù)α較低,小于5.0×10-6(200-1000℃),這樣就可以保證復合材料在溫度波動條件下的體積穩(wěn)定性,使材料具有較高的抗熱沖擊性能,同時也可以降低砌體應力,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力損傷的問題。
由于A組份為惰性材料,與礬土熟料的反應活性很低,所以,單獨將組份A與礬土熟料混合做成的制品是不會有強度的,也是無法使用的,為將二者有機地復合到一起,可采取兩種方式:
其一、加入粘土類低耐火相材料,依靠粘土的燒結將二者固定到一起;但這是依靠低熔點液相的作用,而低熔點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)化為該復合材料的高強度結合相,從而將礬土熟料與惰性組份A牢固地結合到一起。在高強度結合相形成的過程中沒有液相的促進燒結作用,完全是固固反應機制,所以材料的強度較高,而且遠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等構成液相存在,促進燒結,這一過程在以液相燒結機制為主的高溫處理過程中是可以的,但在高活性相結合復合磚的高溫燒成中卻是不希望的。
引入HAP組份的高活性相結合復合磚的燒成過程中,應控制磚內(nèi)氧分壓Po2/Po<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作用,也避免了形成的高強度結合相向液相中的溶解及二次再結晶,從而使材料保持較高的斷裂韌性、高溫強度及熱震穩(wěn)定性;同時,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,該活性相結合復合磚在燒成帶上的應用也是可以的,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,壽命將高于鎂鉻磚。
編輯:姜立東
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