大型水泥回轉窯窯襯用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(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。