低導熱多層復合莫來石磚的研制及應用

  摘  要 目前水泥窯朝著大型化發(fā)展，同時提出了節(jié)能減排的新要求，對前后過渡帶用耐火材料不僅要求使用壽命的延長，同時更要求耐火材料具有較低的導熱系數(shù)，達到節(jié)約能源的使用效果。因此，我公司進行了低導熱系數(shù)產(chǎn)品的研制工作。通過對產(chǎn)品宏觀及微觀的深入研究，所研制成功的低導熱多層復合莫來石磚在全國數(shù)十家大型水泥窯進行長達2年半的使用，收集到的數(shù)據(jù)表明該產(chǎn)品性能穩(wěn)定、節(jié)能效果明顯。

  關鍵詞 水泥窯，節(jié)能，低導熱，多層復合，莫來石磚

  水泥行業(yè)屬于高能耗、高污染行業(yè)，是我國節(jié)能減排的重點領域，因此對耐火材料提出了新的使用要求。

  目前國內(nèi)大中型水泥回轉(zhuǎn)窯非燒成帶普遍采用硅莫紅磚及硅莫磚以作為首選耐火材料，硅莫磚耐磨性好，熱震穩(wěn)定性能優(yōu)異，取得了較好的使用效果。但由于硅莫磚添加了大量的碳化硅來提高其高溫力學指標，其導熱系數(shù)也一直居高不下，造成較大的能源浪費，隨著目前節(jié)能減排強制政策的出臺，耐火材料導熱系數(shù)的降低勢在必行。

  因此我們將硅莫磚單一材質(zhì)、單一結(jié)構(gòu)改進為由工作層、保溫層、隔熱層，每層由不同材質(zhì)材料進行復合，組成多層復合結(jié)構(gòu)，本文通過對工作層、保溫層、隔熱層的材質(zhì)結(jié)構(gòu)設計，開發(fā)了多層復合莫來石磚。

  1  試驗

  1.1 原料

試驗用原料為各牌號莫來石、均質(zhì)料、紅柱石及廣西白泥，其主要理化性能如表1所示。

  1.2 配方

  不同牌號莫來石對工作層性能的影響配比組成見表2、表3；碳化硅加入量對工作層性能的影響配比組成見表4；紅柱石加入量對工作層性能的影響配比組成見表5、表6；保溫層性能試驗配比組成見表7；

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  1.3 試樣制備

  按上表配比精確稱量各組分原料，先將顆粒料加入小型混碾機中干混2分鐘，加入質(zhì)量比3.5%的紙漿廢液，混合3分鐘后再加入預混合細粉混碾5分鐘，將混碾均勻的泥料用630T摩擦壓力機壓制成尺寸為65×114×230mm的標磚，經(jīng)110°C ×24h干燥，在隧道窯中1490°C×5h燒成。

  1.4 性能測試

  按照GB/T2997-2000的規(guī)定檢測試樣的體積密度和顯氣孔率；按照GB/T5988-2007的規(guī)定檢測試樣加熱永久線變化；按照GB/T7320-2008的規(guī)定檢測試樣熱膨脹率；按照GB/T5072-2008的規(guī)定檢測試樣常溫耐壓強度 ；按照YB/T376.1-1995的規(guī)定檢測試樣的抗熱震性 （水急冷法）；按照YB/T370-1995的規(guī)定檢測試樣荷重軟化溫度；按照GB/T5072-2008的規(guī)定檢測試樣常溫耐壓強度 ；按照GB/T3001-2007的規(guī)定檢測試樣常溫抗折強度；按照GB/T3002-2004的規(guī)定檢測試樣高溫抗折強度；按照YB/T4130-2005的規(guī)定檢測試樣的導熱系數(shù) ；用掃描電鏡分析有關試樣的顯微結(jié)構(gòu)。

  2  工作層的試驗結(jié)果及分析

  2.1 不同原料做骨料對試樣性能的影響

  M60莫來石對試樣性能的影響見表8。從表中可以看出，當以M60莫來石為骨料時，隨著基質(zhì)中氧化鋁含量的增加，試樣燒后線變化率隨之增加，顯氣孔率增加，常溫耐壓強度、體積密度有下降趨勢，荷重軟化溫度略有提高。

  M70莫來石對試樣性能的影響見表9。由表可知，當以M70莫來石為骨料時，隨著基質(zhì)中氧化鋁含量的增加，試樣的常溫耐壓強度、體積密度有下降趨勢，顯氣孔率增加，荷重軟化溫度提高。

  試驗初步結(jié)果表明，采用M60和M70礬土基莫來石作骨料，使用80均質(zhì)料作基質(zhì)，添加97碳化硅、紅柱石、廣西白泥，可以配制出滿足預期性能指標的研制品。綜合表7、表8數(shù)據(jù)分析，確定試樣以M70礬土基燒結(jié)莫來石為骨料，80%氧化鋁含量均質(zhì)料為基質(zhì)，骨料與基質(zhì)比例為：60:40。

  根據(jù)上述組成設計制作的復合莫來石磚工作層，經(jīng)高溫燒成后，通過掃描電鏡分析，制品內(nèi)部形成了發(fā)育完好的莫來石晶體（深色柱狀），同時莫來石晶體周圍均勻分布碳化硅和玻璃相（白色亮點），如圖1所示。

圖1 試樣顯微結(jié)構(gòu)

  2.2 碳化硅加入量對試樣性能的影響

  圖3～圖6為碳化硅加入量對試樣性能的影響。從圖2、圖3中可以看出，隨著碳化硅加入量的增加，顯氣孔率有所下降，這是由于試樣表面碳化硅高溫狀態(tài)下氧化形成玻璃相，在制品表面形成釉面層，封堵氣孔造成；同時隨著碳化硅加入量的增加，試樣線變化率有所下降。

圖2：碳化硅加入量對體積密度和顯氣孔率的影響

圖3：碳化硅加入量對線變化率和強度的影響

圖4：碳化硅加入量對試樣熱震穩(wěn)定性的影響

圖5：碳化硅加入量對導熱系數(shù)的影響

  從圖4、圖5中可以看出，隨著碳化硅加入量的增加， 試樣的熱震穩(wěn)定性有升高的趨勢，這是由于適量的碳化硅氧化可以提高試樣的高溫力學性能，但過多的碳化硅高對試樣的熱震穩(wěn)定性沒有大的提高。且隨著碳化硅加入量的增加，試樣的導熱系數(shù)有明顯的升高， 綜上述，最后確定碳化硅細粉加入量為12%為選擇方案。[Page]

  2.3 紅柱石加入量對試樣性能的影響

圖6：不同粒度對試樣高溫線變化的影響

圖7：不同粒度對試樣常溫耐壓強度的影響

  按表4、表5所示配比進行了不同紅柱石加入量的試驗。從圖6、圖7中可以看出，加入紅柱石細粉時，高溫燒結(jié)后試驗線變化很小。當加入紅柱石顆粒時，試樣燒結(jié)后有線變化有明顯的升高。同時加入紅柱石顆粒，制品的常溫耐壓強度隨著紅柱石加入量的增加而降低。加入紅柱石細粉時，制品的常溫耐壓強度在一定范圍內(nèi)隨著紅柱石加入量的增加而增加，加入量為16%時強度也有所降低。這是因為紅柱石的一次莫來石化和二次莫來石化造成，過度的莫來石化使制品內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，質(zhì)點之間的結(jié)合力降低，致使常溫耐壓強度降低。對于加入紅柱石細粉的制品，1490℃燒后莫來石已經(jīng)完成，制品的燒結(jié)過程起主導作用，材料內(nèi)部形成了莫來石增強結(jié)構(gòu)，所以耐壓強度沒有降低，在一定范圍內(nèi)還有所提高。

圖8：不同粒度對試樣荷軟指標的影響

圖9：不同紅柱石細粉加入量對試樣熱震的影響

  從圖8可以看出，加入紅柱石顆粒，隨著其加入量的增大，荷重軟化溫度逐漸升高，這是由于紅柱石在制品中由于莫來石化過程中的膨脹作用引起，實際使用過程中，由于顆粒狀的紅柱石依然不斷進行莫來石化過程，引起制品的體積變化，造成結(jié)構(gòu)疏松、強度下降，對使用造成不利影響。加入紅柱石細粉，在一定范圍內(nèi)，荷重軟化溫度隨加入量加大而提高，這是因為在制品中已經(jīng)形成穩(wěn)定的莫來石結(jié)構(gòu)，當紅柱石粉過大，制品中過多的SiO2玻璃相不能完全二次莫來石化，使得荷重軟化溫度下降。

  從圖9可以看出，隨著紅柱石細粉加入量的增加，試樣抗熱震性能逐漸提高，這是因為加入紅柱石粉經(jīng)過1490℃高溫燒后一次莫來石化和二次莫來石化已經(jīng)完成，制品形成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，多余的SiO2玻璃相在制品中起到緩沖和填充氣孔的作用，所以抗熱震性隨紅柱石粉加入量的增加而提高。綜合試驗測試數(shù)據(jù)，紅柱石細粉加入量為10-12%比較適宜。

  從以上試驗和數(shù)據(jù)分析可以看出，以M70莫來石為骨料，以80均質(zhì)料為細粉，加入12-15%的碳化硅，10-12%的紅柱石細粉，試樣具有較高的常溫耐壓強度、較高的荷重軟化溫度、良好抗熱震性。[Page]

  3  保溫層的材質(zhì)及結(jié)構(gòu)設計

  3.1 工作層與保溫層的熱匹配性試驗

  由于工作層主原料為M70莫來石，并添加了部分碳化硅，與保溫層材質(zhì)存在較大差異，其熱膨脹率不匹配將導致結(jié)合部位開裂或產(chǎn)生微裂紋，影響使用安全。

  為了降低試樣整體的導熱系數(shù)，其保溫層應具備比工作層更低的導熱系數(shù)、且與工作層具有良好的結(jié)合性、較高的強度及耐磨性。保溫層設計采用M60或M70莫來石為主原料，適宜的氧化鋁含量使其具備更高的莫來石相含量，幾乎不含剛玉相。由于其含有較高的莫來石相使保溫層的導熱系數(shù)明顯下降，比工作層的導熱系數(shù)成倍的降低。

  按照表7配比進行了保溫層與工作層熱膨脹率對比試驗。

圖10：T1配比與工作層熱膨脹率對比

圖11：T2配比與工作層熱膨脹率對比

圖12：T1配比與工作層熱膨脹率對比

圖13：T2配比與工作層熱膨脹率對比

  從上組圖片可以看出，以M60莫來石為顆粒，隨著基質(zhì)中氧化鋁含量的增加，保溫層熱膨脹率有所增加，T2試樣與工作層主礦相接近，其結(jié)合部位完整，未有裂紋出現(xiàn)，T1、T3、T4試樣由于主礦相與工作層差別較大，結(jié)合部位都產(chǎn)生了寬度為0.5mm、長度不等的裂紋。

  3.2 工作層與保溫層結(jié)合強度試驗

  耐火材料在水泥窯內(nèi)使用時，要經(jīng)受各種膨脹應力、機械應力和熱應力，工作層與保溫層的結(jié)合強度決定了產(chǎn)品使用的安全性及壽命，在確定了保溫層配比后，對結(jié)合部位形狀及尺寸對結(jié)合強度的影響進行了試驗。

圖14：不同結(jié)合形式高度對常溫抗折的影響

圖15：不同結(jié)合形式高度對高溫抗折的影響

  從圖14、圖15可以看出，隨著結(jié)合部位形狀高度的增加，結(jié)合部位的常溫耐壓強度及高溫耐壓強度都呈明顯增加趨勢。當高度超過50mm時，結(jié)合部位強度呈下降趨勢。隨著高度的增加工作層與保溫層的接觸面積增加，結(jié)合強度增高，當超過50mm的高度時，其寬度將減小，影響接觸面積，從而導致結(jié)合強度下降，最后選擇了高度為40mm弧形為結(jié)合形狀。

  3.3 保溫層的形狀及結(jié)構(gòu)設計

  隔熱層的效果由材質(zhì)及面積決定，本組試驗重點對保溫層開口面積進行試驗。

圖16：不同試樣的開口形狀

圖17：受力分析

  通過計算機模擬計算，當開口形狀被梯形時，且梯形斜邊夾角為45°，試樣受到直應力加壓時，中間懸空部位所受部分力值會沿45°夾角向邊緣部位分散，避免中間懸空部位過早被被破壞；當實樣受到側(cè)向應力加壓時，底部懸空部位所受部分力值會從兩端45°夾角向中間傳遞，避免底部懸空部位因應力增加而過早被破壞（圖17）。[Page]

  4.隔熱層材質(zhì)選擇

  隔熱層作為熱傳導的最后一道屏障，首先需要有低的導熱系數(shù)，其次在高溫下體積穩(wěn)定好，不能有大的收縮，否則收縮脫落后將降低整體的隔熱效果，本組試驗分別對硅酸鈣板、高鋁纖維板及含鋯纖維板分別進行了不同溫度下導熱系數(shù)及不同溫度下收縮率的試驗。

圖18：不同溫度下隔熱材料導熱系數(shù)

圖19：不同溫度下隔熱材料收縮率

  從圖18、圖19可以看出，含鋯纖維板在不同溫度下的導熱系數(shù)都處于較低位置，同時在高溫下的收縮率也是最低，硅酸鈣板在1000℃的收縮率超過了13%，最終選擇含鋯纖維板作為隔熱層的材料。

圖20：低導熱多層復合莫來石磚實物圖

  5  低導熱多層復合莫來石磚導熱系數(shù)的計算

  導熱系數(shù)是衡量物質(zhì)導熱能力的一個指標。不同物質(zhì)的導熱系數(shù)相差很大。通過在非工作層復合多層導熱系數(shù)較低的物質(zhì)，可以明顯的降低綜合導熱系數(shù)。[Page]

  傳熱計算公式為：

（1）

  在多層復合導熱的情況下：

（2）

其中為復合磚各層的厚度，為各層的導熱系數(shù)。

  兩公式聯(lián)立，可以推出多層復合的情況下，復合磚的導熱系數(shù)可以表示為：

（3）

  對于三層復合的復合磚而言，其綜合導熱系數(shù)：

（4）

  本產(chǎn)品第一層厚度0.14m，導熱系數(shù)2.74 w/（m·K）；第二層厚度0.055m，導熱系數(shù)1.58 w/（m·K）；第三層厚度0.005m，導熱系數(shù)0.113 w/（m·K）。代入公式可計算出產(chǎn)品的導熱系數(shù)為1.54w/（m·K）。

  本產(chǎn)品應用于水泥窯系統(tǒng)的時候，可視為為多層圓筒散熱。

  不妨設回轉(zhuǎn)窯的窯半徑為d1=2.4m， 則第一層復合半徑d2=2.54m，第二層復合為d3=2.595m，第三層復合半徑為d4=2.6m。假如窯內(nèi)溫度為T內(nèi)=1300℃，空氣溫度為T外=25℃設窯殼溫度為T殼，則窯內(nèi)向外散熱為：

（5）

  窯殼的對外散熱為

（6）

  當內(nèi)散熱和外散熱達到平衡時，即q內(nèi)=q外時，系統(tǒng)達到熱平衡。采用excel計算，當窯殼的溫度T殼=  390℃的時候，內(nèi)外的散熱基本相等（對流輻射換熱系數(shù)a取38W（m·K））。即通過理論計算，采用本產(chǎn)品后， 窯殼的理論溫度為390℃。

  當回轉(zhuǎn)窯的窯半徑為d1=2.4m， 砌筑單層硅莫磚后d2=2.6m。假如窯內(nèi)溫度為T內(nèi)=1300℃，空氣溫度為T外=25℃設窯殼溫度為T殼，則窯內(nèi)向外散熱為：

（1）

  窯殼的對外散熱為

（6）

  當內(nèi)散熱和外散熱達到平衡時，即q內(nèi)=q外時，系統(tǒng)達到熱平衡。采用excel計算，當窯殼的溫度T殼= 460℃的時候，內(nèi)外的散熱基本相等（對流輻射換熱系數(shù)a取38W（m·K））。即通過理論計算，采用硅莫磚砌筑， 窯殼的理論溫度為460℃。由此可見，通過理論數(shù)據(jù)計算，本產(chǎn)品相同使用環(huán)境下可以比普通硅莫磚降低筒體外壁溫度70℃。[Page]

  6  低導熱多層復合莫來石磚的應用

  6.1低導熱多層復合莫來石磚的使用情況

  研制產(chǎn)品低導熱多層復合莫來石磚在吉林德全水泥集團汪清有限責任公司從2013年7月使用至今，該公司水泥窯規(guī)格為4.8m×72m，使用在35米至45米位置，該批產(chǎn)品使用長度為10米，共70噸磚，發(fā)貨前對該批產(chǎn)品進行了性能檢測，具體性能見下表。

圖 26：未使用低導熱產(chǎn)品前掃描情況

圖27：使用低導熱產(chǎn)品2個月后掃描情況

圖 28：使用低導熱產(chǎn)品6個月后掃描情況

圖29：使用低導熱產(chǎn)品14個月后掃描情況

  該批產(chǎn)品使用長度為10米，共70噸磚，發(fā)貨前對該批產(chǎn)品進行了性能檢測，具體性能見下表。

  由以上圖片數(shù)據(jù)可以看出，在使用低導熱多層復合莫來石磚后，在2個月、6個月、13個月時，預熱帶筒體溫度均比周圍普通硅莫磚低50~80℃左右，節(jié)能效果明顯，到達了預期目標。

  研制產(chǎn)品低導熱多層復合莫來石磚已先后雞西市城海水泥有限責任公司、建德南方水泥有限公司、華新水泥（宜昌）有限公司等數(shù)十家家水泥廠進行長達2年的使用，下表為不同區(qū)域使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

  由以表15數(shù)據(jù)可以看出，不同區(qū)域客戶在相同使用環(huán)境下，同期比使用前的硅莫磚降低筒體溫度50~80℃左右，到達了預期目標。

  6.2低導熱多層復合莫來石磚的節(jié)能效果分析

  低導熱多層復合莫來石磚由于具有高強度、高耐磨、高抗蝕、高荷重軟化溫度以及優(yōu)良的抗熱震性能，完全滿足了大中型水泥回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝要求，同時由于其具有低導熱的特性，使得筒體外表溫度降低，減少了噸熟料燃料消耗，同時延長了筒體使用壽命，從而為水泥企業(yè)帶來教大的社會經(jīng)濟效益。

  吉林德全水泥有限公司當?shù)啬昶骄鶞囟?攝氏度，平均風速2m/s，水泥窯徑位4.8m,目前使用該產(chǎn)品40米長度，使用前砌筑普通硅莫磚時，該區(qū)域筒體外壁平均溫度為350℃，使用該產(chǎn)品后筒體溫度平均降低70℃。

  依據(jù)JC/T733—2007 行業(yè)水泥窯熱平衡測定方法標準，水泥窯表面散熱量測定公式為：

  QB＝abi（tbi－tk）×Fbi

  QB為：設備表面散熱量，單位為千焦每小時（KJ/h）；

  abi為：表面散熱系數(shù)，單位為千焦每平方米小時攝氏度（KJ/（m2·h·℃）），它與溫差（tbi－tk）、風速及沖擊角有關（見附錄C）；

  Tbi為：被測區(qū)域內(nèi)的溫度平均值，單位為攝氏度（℃）；

  Tk為：環(huán)境空氣溫度，單位為攝氏度（℃）；

  Fbi為：被測區(qū)域的表面積，單位為平方米（m2）。

  當使用硅莫磚時被測區(qū)域平均溫度與環(huán)境平均溫差為344℃。根據(jù)查JC/T733—2007附表C.1推算得出，散熱系數(shù)為134合適；該水泥窯安裝風向沖擊角大于55°，依據(jù)查表C.3得出，沖擊角校正系數(shù)為1，其每小時散熱量為：

  134×1×（350－6）×3.14×4.8×40＝27790356.48KJ/h

  當使用低導熱多層復合莫來石磚時，被測區(qū)域平均溫度與環(huán)境平均溫差為274℃。根據(jù)查JC / T 733 — 2007附表C.1推算得出，散熱系數(shù)為134合適；該水泥窯安裝風向沖擊角大于55°，依據(jù)查表C.3得出，沖擊角校正系數(shù)為1，其每小時散熱量為：

  130×1×（280－4）×3.14×4.8×40＝21474585.6KJ/h

  每小時節(jié)約散熱量為：

  27790356.48KJ－21474585.6KJ＝6315770.88KJ

  一公斤標煤熱量為29271 KJ，因此每小時將節(jié)約標煤215.8公斤

  年節(jié)約： 215.8×24×330≈1710噸標煤。

  考慮目前實際使用普通煤炭熱值僅為標煤熱值的78.5%（普通煤5500大卡/標煤7000大卡），因此每年將節(jié)約 2180噸普通煤炭，按目前普通煤炭到廠平均價格600元/噸計算，年可節(jié)約資金（新增利潤）130萬元，減少排放二氧化碳5500T，二氧化硫180T，氮氧化物130T，PM2.5 150T。

  據(jù)統(tǒng)計截止2014年底全國新型干法水泥生產(chǎn)線達1709條，由此推算，采用低導熱多層復合莫來石磚節(jié)能、環(huán)保、降耗效果是驚人的。

  該新產(chǎn)品的廣泛利用將為水泥行業(yè)年節(jié)約0.24億噸標煤，減少0.63億噸二氧化碳排放，0.16億噸碳粉塵排放及大量其他有害氣體，節(jié)約能源減少污染物排的效果十分明顯，為國家節(jié)能減排建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會做出巨大的貢獻。

  7 結(jié)論

  本文通過對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、研究了工作層的材質(zhì)與組成、保溫層與工作層的熱匹配性及保溫層的開口形狀，得出以下結(jié)論：

  1）以M70莫來石為骨料，以80均質(zhì)料為細粉，加入12-15%的碳化硅，10-12%的紅柱石細粉，能夠制作出性能優(yōu)異、導熱系數(shù)低的產(chǎn)品。

  2）使用多層復合結(jié)構(gòu)可以獲得更低的導熱系數(shù)，且使用安全可靠。

  3） 研制出的低導熱多層復合莫來石磚在國內(nèi)近百家大中型水泥回轉(zhuǎn)窯上使用，筒體降溫50～80℃，取得滿意的使用效果，節(jié)能效果明顯。