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?,其理化指標歸納如下:
MgO 75 - 90%
Al2O3 5 - 18%
常溫耐壓強度(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(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(yīng)具有如下優(yōu)點:
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(jié)構(gòu)應(yīng)力,制品強度下降或發(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(fù)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(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(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(fù)合材料的高強度結(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。在高強度結(jié)合相形成的過程中沒有液相的促進燒結(jié)作用,完全是固固反應(yīng)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(gòu)成液相存在,促進燒結(jié),這一過程在以液相燒結(jié)機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/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(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(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,原料進廠后首先在本廠實驗室進行成份及相關(guān)性能測試,各種用料的主要指標必須符合表1的要求。
表1 原料的主要指標
項 目 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
線膨脹系數(shù)(α) |
特性 |
礬土熟料 |
≥80% |
≤2.0% |
|
|
粘 土 |
≥25% |
≤2.5% |
|
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A 料 |
|
|
<5.0×10-6 |
屬惰性物料 |
HAP 料 |
|
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結(jié)合性強 |
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)過實驗篩選,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中混練1-2分鐘,然后加入臨時結(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”過的泥料進行12-24小時的捆料后再進行二次混練工藝。
3.3成型
成型設(shè)備采用300-600t壓力機。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,對坯體必須進行低溫烘干,烘干洞進口溫度在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。坯體殘余水份要小于1%,然后裝入窯中進行燒成。由點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。
四、高活性相結(jié)合復(fù)合磚主要特點
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
項 目 |
單 位 |
產(chǎn) 品 | |
鎂鋁尖晶石磚 |
高活性相結(jié)合復(fù)合磚 | ||
耐 壓 強 度 |
MPa |
30-78 |
80-120 |
熱膨脹率(1000℃) |
% |
0.9-1.2 |
0.55-0.7 |
導(dǎo)熱系數(shù)(1000℃) |
W/m.k |
2.8-3.7 |
1.5-2.0 |
熱震穩(wěn)定性(1100℃水冷) |
次 |
3-15 |
15-40 |
0.2MPa荷重軟化溫度 |
℃ |
1600℃-1700℃ |
1650℃-1700℃ |
化學(xué)侵蝕性(1450℃×3h) |
mm |
2.15 |
2.20 |
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)高活性達到活性燒結(jié),繼而形成高強度結(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。
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