莫來(lái)石均質(zhì)料制備新型硅莫磚的研究與應(yīng)用

  摘要：采用莫來(lái)石均質(zhì)料代替Al₂O₃含量為85%或者88%的高鋁礬土熟料制備新型硅莫磚，研究了新型硅莫磚的理化性能和耐磨損性能，并與高鋁礬土熟料制備的普通硅莫磚進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明：其顯氣孔率和體積密度低，耐壓強(qiáng)度和荷重軟化溫度明顯提高，耐磨性能得到改善。說(shuō)明莫來(lái)石均質(zhì)料能夠應(yīng)用在硅莫磚上，并提高了產(chǎn)品的性能。

  關(guān)鍵詞：莫來(lái)石均質(zhì)料，高鋁礬土熟料，硅莫磚，耐磨性能，導(dǎo)熱系數(shù)，水泥窯

  引言

  目前我國(guó)礬土資源利用率很低，大量的中低品位的礦石被廢棄，資源浪費(fèi)現(xiàn)象非常嚴(yán)重^[1-2]。立足我國(guó)高鋁礬土資源特點(diǎn)，采取措施降低Ⅱ等高鋁礬土雜質(zhì)含量（主要TiO₂和Fe₂O₃），并通過(guò)多級(jí)均化、真空擠泥、高溫可控剛玉/莫來(lái)石化燒結(jié)等聯(lián)合工藝獲得優(yōu)質(zhì)莫來(lái)石均質(zhì)料。莫來(lái)石均質(zhì)料二次莫來(lái)石化程度高，晶相發(fā)育良好，并且吸水率低，結(jié)構(gòu)致密。適宜開(kāi)發(fā)具有低氣孔、低蠕變、高耐磨等優(yōu)良性能新型定型制品^[3-4]。

  隨著水泥生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，水泥回轉(zhuǎn)窯逐漸向大型化發(fā)展。水泥回轉(zhuǎn)窯過(guò)渡帶對(duì)耐火材料熱震穩(wěn)定性、耐磨性、抗機(jī)械應(yīng)力、抗化學(xué)侵蝕的要求越來(lái)越高。現(xiàn)階段硅莫磚的生產(chǎn)主要采用回轉(zhuǎn)窯或者倒焰窯生產(chǎn)，鋁含量為85%以上的鋁礬土與紅柱石，碳化硅等配合制備而成^[5-6]。本文研究莫來(lái)石均質(zhì)料替代鋁礬土在硅莫磚中的應(yīng)用。利用莫來(lái)石均質(zhì)料代替Al₂O₃含量為85%或者88%的高鋁礬土與紅柱石，碳化硅等混合后，經(jīng)高壓成型、高溫?zé)芍苽淞诵滦凸枘u。使用莫來(lái)石均質(zhì)料能夠提高產(chǎn)品的荷重軟化溫度及耐磨性能，同時(shí)降低了產(chǎn)品的體積密度，使產(chǎn)品單重減小，從而降低了回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯負(fù)荷達(dá)到節(jié)能降耗目的，并延長(zhǎng)其內(nèi)襯的使用壽命。

  1. 試驗(yàn)

  1.1試驗(yàn)原料

  新型硅莫磚以莫來(lái)石均質(zhì)料為骨料，特級(jí)礬土，碳化硅，紅柱石和金屬硅為基質(zhì)配合而成。表1為莫來(lái)石均質(zhì)料的理化性能指標(biāo)。從表1可以看出，莫來(lái)石均質(zhì)料相對(duì)85礬土熟料具有雜質(zhì)含量低，體密低的特點(diǎn)。

表1 莫來(lái)石均質(zhì)料的理化性能

圖1莫來(lái)石均質(zhì)料的XRD衍射譜

圖2  莫來(lái)石均質(zhì)料的微觀結(jié)構(gòu)照片

  從圖1莫來(lái)石均質(zhì)料的XRD圖譜可以看出，主晶相為莫來(lái)石相，還有一部分剛玉相。從圖2莫來(lái)石均質(zhì)料微觀結(jié)構(gòu)照片中可以看出，高溫?zé)Y(jié)莫來(lái)石均質(zhì)料莫來(lái)石晶相發(fā)育良好，晶粒生長(zhǎng)均勻，并且形成較為完善的莫來(lái)石網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊密。

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  1.2新型硅莫磚的理化性能

  1.2.1 結(jié)果與分析

  1）常規(guī)理化性能檢測(cè)

  按照相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試樣常規(guī)性能檢測(cè)，具體如下：按GB/T2997-2000檢測(cè)試樣體積密度和顯氣孔率，按GB/T5072-2008 檢測(cè)試樣常溫耐壓強(qiáng)度，按YB/370-1995檢測(cè)試樣的荷重軟化溫度，按YB/T376.1-1995檢測(cè)試樣的熱震穩(wěn)定性（1100℃，水冷）。

  表2列出了新型硅莫磚燒后試樣的理化性能，表3列出了新型硅莫磚與普通硅莫磚理化性能的比較。

表2 新型硅莫磚燒后試樣的理化指標(biāo)

  采用莫來(lái)石均質(zhì)料代替Al₂O₃含量85%或者88%高鋁礬土熟料制備新型硅莫磚，與普通硅莫磚性能對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：新型硅莫磚的Al₂O₃含量降低10%左右，SiC含量相當(dāng)。但是試樣的顯氣孔率和體積密度降低，新型硅莫磚的耐壓強(qiáng)度和荷重軟化溫度明顯提高。

表3新型硅莫磚與普通硅莫磚的性能指標(biāo)對(duì)比

  A 耐磨性

  耐磨性能對(duì)于硅莫磚來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，在高溫使用過(guò)程中，硅莫磚因?yàn)镾iC的氧化在其表面形成了一層致密的玻璃質(zhì)釉層，避免了硅莫磚與磨損顆粒的直接接觸，從而起到保護(hù)硅莫磚的作用。表面致密釉層在高溫使用過(guò)程中會(huì)被不斷的磨損，但其新的致密釉層又會(huì)不斷形成，使得材料具有良好的耐磨性能^[7]。從新型硅莫磚與普通硅莫磚耐磨系數(shù)對(duì)比試驗(yàn)可以看出（如表4所示），新型硅莫磚的耐磨性能要優(yōu)于普通硅莫磚，特別是內(nèi)部耐磨性能。圖3為新型硅莫磚和普通硅莫磚耐磨試驗(yàn)后外觀形貌照片。從圖中可以看出，普通硅莫磚骨料和基質(zhì)被沖刷現(xiàn)象比較嚴(yán)重，而新型硅莫磚磨損較少，這主要是因?yàn)樾滦湍獊?lái)石均質(zhì)料結(jié)構(gòu)致密，體積穩(wěn)定，使得硅莫磚的強(qiáng)度高，氣孔率低，從而提高了其耐磨性能。

表4常溫耐磨實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3  不同耐火磚耐磨試驗(yàn)后形貌圖

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  B 導(dǎo)熱性

  目前，已有多種導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法，如平板法、熱流法、熱線法、激光法等等。然而，沒(méi)有任何一種方法能夠適合于所有的應(yīng)用領(lǐng)域和材料。要得到準(zhǔn)確的測(cè)量值，必須基于材料的導(dǎo)熱系數(shù)范圍與樣品特征，選擇正確的測(cè)試方法。本實(shí)驗(yàn)，在同等的檢測(cè)方法（激光法）下，對(duì)鎂鋁尖晶石磚和新型硅莫磚進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的檢測(cè)，如表5。

表5 導(dǎo)熱系數(shù)的檢測(cè)結(jié)果(武漢科技大學(xué))

  通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了鎂鋁尖晶石磚的導(dǎo)熱系數(shù)大于新型硅莫磚，而在實(shí)際應(yīng)用中，跟蹤產(chǎn)品實(shí)際使用效果來(lái)比較新型硅莫磚和鎂鋁尖晶石磚筒體溫度，同樣驗(yàn)證了導(dǎo)熱性能上的差異。

  C 荷重軟化溫度

  表6 給出了不同配方的試樣燒成后荷重軟化溫度。一般情況下，荷重軟化溫度主要與試樣的骨料有關(guān)，顯然用70莫來(lái)石均質(zhì)料替代85礬土熟料后提高了材料的荷重軟化溫度。

表6  試樣的荷重軟化溫度

  2 新型硅莫磚的應(yīng)用

  實(shí)例一：下表為某水泥廠回轉(zhuǎn)窯耐火磚砌筑情況：優(yōu)化前后配置如表7。

表7某水泥公司5000t/d水泥窯的優(yōu)化前后配置

  在上過(guò)渡帶前段 28m~35m處，優(yōu)化前使用鎂鋁尖晶石磚的筒體溫度平均在380℃左右，而優(yōu)化后使用新型硅莫磚的筒體溫度平均在320℃，相差近60℃，可以明顯體現(xiàn)出新型硅莫磚能很好的使用在上過(guò)渡帶前段，替代鎂鋁尖晶石磚，而且其導(dǎo)熱系數(shù)比鎂鋁尖晶石低的特點(diǎn)得到了良好的體現(xiàn)，筒體溫度低約60℃，起到了節(jié)能的效果。

  實(shí)例二：下表是某水泥廠回轉(zhuǎn)窯高溫帶耐火磚的具體配置情況。為了充分說(shuō)明新型硅莫磚的導(dǎo)熱性低，在上過(guò)渡帶前段使用了3m（16m~19m）新型硅莫磚，后面11m（19m~30m）砌筑鎂鋁尖晶石磚以做對(duì)比（表8）。

表8  某水泥廠日產(chǎn)2500噸水泥熟料干法水泥窯內(nèi)襯耐火磚配置

  項(xiàng)目組依據(jù)本次試驗(yàn)跟蹤觀察記錄3個(gè)月的窯筒體外壁實(shí)際溫度記錄，繪制出圖4~圖6。

圖6-7  5月份窯筒體外壁溫度

圖6-8  6月份窯筒體外壁溫度

圖6-9  7月份窯筒體外壁溫度

  結(jié)合表8耐火磚配置及圖4~圖6的筒外壁溫度可以明顯發(fā)現(xiàn)，從16m處溫度急劇下降，17m左右筒掃溫度最低，19m后溫度開(kāi)始上升，到23m~25m達(dá)到320℃左右。這與新型硅莫磚所處位置相吻合。以此判斷，新型硅莫磚導(dǎo)熱系數(shù)明顯低于鎂鋁尖晶石磚，可以為水泥廠節(jié)約煤耗。

  結(jié)論

  1）采用莫來(lái)石均質(zhì)料制備的新型硅莫磚，試樣的顯氣孔率和體積密度低，耐壓強(qiáng)度和荷重軟化溫度高。

  2）與普通硅莫磚相比，新型硅莫磚的耐磨損性能得到改善，并且能夠滿足水泥窯過(guò)渡帶的使用。

  3）與普通硅莫磚及鎂鋁尖晶石磚相比，新型硅莫磚的導(dǎo)熱性能性能得到改善，可使水泥窯更加節(jié)能。

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