摘要:
根據多年來大型水泥回轉窯窯襯材料的使用情況以及各種材料的性能分析，研制適合大型水泥回轉過渡帶、分解帶的新型窯襯材料高活性相結合復合磚。
一、高活性相結合復合磚的研制背景
在新型干法水泥回轉窯窯襯中，過渡帶是窯內最易損毀的部位。由于窯內熱工制度波動頻繁，該處襯體的熱端面始終處于浮窯皮和無窯皮狀態，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2500噸以上的水泥回轉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）???????????????? 30 - 70
熱膨脹率（1000℃）?????????????????? 0.9 - 1.2%
導熱系數w/(m.k)（1000℃）?????? 2.8 - 3.7
熱震穩定性（1100℃-水冷）???????? 3-10次
鎂鋁尖晶石磚在使用中表現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較大，回轉窯筒體表面溫度較高，熱量散失大、易損壞窯體，同時也影響現場操作。
根據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、熱震穩定性好；
4、強度高，耐磨性好；
5、導熱系數相對要低。
從過渡帶材料應具有的優點出發，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，鎂質材料在頻繁的溫度波動條件下，內部產生較大的結構應力，制品強度下降或發生應力損傷。
為從根本上減弱這種應力，可選用線膨脹系數（α）較低的原料。考慮到新型干法水泥回轉窯過渡帶的使用條件，可以選用以Al2O3為主的原料，其中優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，經中溫處理后轉變為很有價值的高活性組份，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；持續的升溫處理，則轉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，應控制磚內氧分壓Po2/Po<10-17MPa，如此，則礬土熟料中的雜質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、高溫強度及熱震穩定性；同時，組份A也能夠穩定存在，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于燒成鎂鉻磚。如果現場操作適當，壽命將高于鎂鉻磚。
三、高活性相結合復合磚的生產工藝
3.1原料控制與顆粒級配
為了保證制品的質量，原料進廠后首先在本廠實驗室進行成份及相關性能測試，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（α） |
特性 |
|
礬土熟料 |
≥80% |
≤2.0% |
? |
? |
|
粘???? 土 |
≥25% |
≤2.5% |
? |
? |
|
A???? 料 |
? |
? |
<5.0×10--6 |
屬惰性物料 |
|
HAP?? 料 |
? |
? |
? |
結合性強 |
原料的顆粒級配是影響制品性能的主要因素之一。考慮到制品的綜合性能，經過實驗篩選，高活性相結合復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。
高活性相結合復合磚采用機壓成型。混練出的泥料質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節。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
成型設備采用300-600t壓力機。成型沖壓先輕后重，短程多打。根據坯體的體積和與成型方向的尺寸來確定沖壓的次數：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合復合磚的成品質量，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、高活性相結合復合磚主要特點
高活性相結合復合磚與鎂鋁尖晶石磚的性能比較見表2。
表2 高活性相結合復合磚與鎂鋁尖晶石磚的性能比較
|
項目 |
單位 |
產品 | |
|
鎂鋁尖晶石磚 |
高活性相結合復合磚 | ||
|
耐壓強度 |
MPa |
30-78 |
80-120 |
|
熱膨脹率（1000℃） |
% |
0.9-1.2 |
0.55-0.7 |
|
導熱系數（1000℃） |
W/m.k |
2.8-3.7 |
1.5-2.0 |
|
熱震穩定性（1100℃水冷） |
次 |
3-15 |
15-40 |
|
0.2MPa荷重軟化溫度 |
℃ |
1600℃-1700℃ |
1650℃-1700℃ |
|
化學侵蝕性（1450℃×3h） |
mm |
2.15 |
2.20 |
從表中看出，除抗化學侵蝕性與鎂鋁尖晶石磚相當外，其余指標均優于鎂鋁尖晶石磚，由此得到高活性相結合磚的主要特點為：
(1) 抗水泥料的化學侵蝕性較好；
(2) 高溫熱膨脹率低，保證砌體材料使用中應力小，避免應力損壞；
(3) 熱震穩定性好；
(4) 強度高，耐磨性好；
(5) 導熱系數低。
五、結論
高活性相結合復合磚燒成過程中沒有液相的產生，完全依靠HAP組份中溫階段產生的固態高活性達到活性燒結，繼而形成高強度結合相，避免了結合向液相中溶解及二次再結晶，使材料保持了較高的斷裂韌性、強度及熱震穩定性；惰性組份A的引入，使得制品保持了較好的抗化學侵蝕性；另外，該磚的最大優點即是導熱系數比鎂鋁尖晶石磚小得多，降低了回轉窯筒體表面溫度，減少了熱量散失，節省了能源。所以說，高活性相結合復合磚的性能優于鎂鋁尖晶石磚和直接結合鎂鉻磚，在水泥回轉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；如果現場操作適當，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。
作者：趙兵
關鍵詞：回轉窯-高活性-侵蝕