納米強(qiáng)化增韌型澆注料的研制報(bào)告
目前的窯口及噴煤管部位主要以使用高性能澆注料為主。
窯口澆注料，一般是使用剛玉、莫來(lái)石及鋁礬土級(jí)澆注料，使用壽命多數(shù)一般為3-10個(gè)月。大多數(shù)情況下，由于材料本身的質(zhì)量限制及施工、操作等方面的原因，3-10個(gè)月就需要重新修筑。無(wú)法同冷卻帶磚保持同步，嚴(yán)重影響回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)效率。
回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速為每分鐘3-4周，也就是說(shuō)，窯口澆注料每分鐘要承受3-4次約1400℃的高溫物料的加熱、磨損。同時(shí)每分鐘承受3-4次的冷熱交替。反復(fù)的熱應(yīng)力導(dǎo)致材料產(chǎn)生裂紋、剝落，以及材料的結(jié)合強(qiáng)度降低，材料疏松。而澆注料的疏松又為水泥物料的侵蝕及磨損提供了前提，導(dǎo)致材料損毀加劇，壽命降低。
目前的噴煤管澆注料也多為剛玉、莫來(lái)石等材質(zhì)，使用壽命一般為3-10個(gè)月，出現(xiàn)損毀也主要是熱震性不好導(dǎo)致的剝落以及堿侵蝕、堿剝落等。
二、窯口及噴煤管用納米強(qiáng)化增韌型澆注料的研制
1、窯口及噴煤管用納米強(qiáng)化增韌型澆注料使用中的溫度及應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算機(jī)模擬
水泥窯窯口澆注料及噴煤管澆注料損毀的主要因素為熱震損毀，而與熱震損毀最直接相關(guān)的即是材料高溫下的應(yīng)力，較大的熱應(yīng)力將直接導(dǎo)致材料在冷熱交替過(guò)程中的熱震損毀。為此，我們首先借助于Ansys軟件對(duì)該類(lèi)材料高溫下的溫度及應(yīng)力場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，以便弄清楚該類(lèi)材料的損毀原因。
1.1窯口用剛玉澆注料的溫度及應(yīng)力場(chǎng)
目前窯口常用的剛玉質(zhì)澆注料使用中的溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力場(chǎng)如下圖1、圖2。
剛玉質(zhì)澆注料的最大優(yōu)點(diǎn)即是硬度高，強(qiáng)度大，耐磨性好，但是，該材料的韌性較差，也就是說(shuō)，彈性模量高、泊松比較小；此外，該材料的高溫線(xiàn)膨脹率較高，也將導(dǎo)致該材料的高溫下的熱應(yīng)力較大。由圖2看出，該澆注料使用中的最大應(yīng)力為135MPa，而溫度處于900-1300℃之間。135MPa的應(yīng)力將使該溫度下的剛玉質(zhì)澆注料難以承受，導(dǎo)致材料的組織結(jié)構(gòu)應(yīng)力破壞，裂紋出現(xiàn)、強(qiáng)度降低，如此，將導(dǎo)致材料的抗磨損性降低，大裂紋的出現(xiàn)也將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剝落損毀。這也就是盡管目前的剛玉質(zhì)材料強(qiáng)度較高，但是使用壽命并不高的主要原因。
從上述剛玉質(zhì)澆注料使用中的應(yīng)力場(chǎng)看出，如果能夠強(qiáng)化澆注料的韌性，降低材料的彈性模量，則澆注料的使用性能將得到大幅度的提高。我們知道，納米材料可以明顯改善材料的微觀(guān)組織結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化材料的斷裂韌性，所以，改善窯口及噴煤管澆注料的使用性能就可以通過(guò)引入少量的納米氧化鋁粉體來(lái)增加韌性。圖3、圖4即是以棕剛玉為主要原料，同時(shí)引入納米氧化鋁增韌的澆注料使用中的溫度及應(yīng)力場(chǎng)。表1為目前的剛玉質(zhì)澆注料及納米強(qiáng)化型澆注料的理化指標(biāo)。
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理化指標(biāo) |
剛玉質(zhì)澆注料 |
納米強(qiáng)化型澆注料 | |
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化學(xué)成分，% |
Al2O3 |
92.2 |
66.53 |
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體積密度，g/cm3 |
3.0 |
2.8 | |
|
彈性模量,GPa |
19 |
8 | |
由圖3、圖4的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)即可看出，納米強(qiáng)化增韌型澆注料的最高應(yīng)力僅僅為67.8MPa，同上述的窯口及噴煤管用剛玉質(zhì)澆注料135MPa的應(yīng)力相比降低了一半。而這個(gè)應(yīng)力800-1200℃ 的溫度范圍內(nèi)還是可以承受的，也不會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似于現(xiàn)有剛玉質(zhì)澆注料的大的裂紋、結(jié)構(gòu)剝落機(jī)耐磨損性降低等情況，這樣就避免了剝落及過(guò)度磨損，如此，納米強(qiáng)化增韌型的該類(lèi)澆注料的使用壽命將大幅度提高。
1.2噴煤管澆注料的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)
目前的以剛玉質(zhì)澆注料（如表1中）施工的噴煤管的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)圖5、圖6。
從圖5及圖6看出，剛玉質(zhì)噴煤管使用中的最高應(yīng)力為155MPa，類(lèi)似于剛玉質(zhì)窯口澆注料的高溫應(yīng)力。較高的熱應(yīng)力將使材料出現(xiàn)高溫?cái)D傷及斷裂而導(dǎo)致過(guò)早損毀。圖7即為目前的剛玉質(zhì)澆注料使用中的損毀狀況。熱應(yīng)力導(dǎo)致該噴煤管出現(xiàn)較多的徑向、軸向裂紋。
納米增韌型噴煤管澆注料的（如表1中）的溫度及應(yīng)力場(chǎng)如圖8及圖9。
同窯口一樣，強(qiáng)化增韌后的噴煤管澆注料的高溫應(yīng)力明顯降低，最大應(yīng)力僅為51.1MPa，相當(dāng)于原剛玉質(zhì)澆注料的最高應(yīng)力的1/3，所以，就增韌后的澆注料而言，其出現(xiàn)裂紋的可能性大大降低，從而避免了使用中的裂紋剝落，保持了材料的整體穩(wěn)定性，這對(duì)充分發(fā)揮材料的有效使用量是非常關(guān)鍵的，也在一定程度上保證了高壽命。
2、堿滲透的抑制
窯口及噴煤管澆注料使用中除受到高溫應(yīng)力外，材料表面還主要受到堿氣氛的侵蝕。澆注料因堿蒸汽的滲入形成霞石、白榴石等將使材料表面出現(xiàn)堿裂和剝落，導(dǎo)致其損毀加快，所以，增強(qiáng)窯口及噴煤管澆注料的使用壽命也要非常注重減緩堿蒸汽的滲入。
對(duì)于高氧化鋁含量的剛玉質(zhì)澆注料而言，其耐堿裂的性能相對(duì)要差些。圖7為噴煤管用剛玉質(zhì)澆注料的使用中的照片圖，從圖中看出，噴煤管澆注料外周因堿蒸汽的侵蝕而出現(xiàn)層狀剝落損毀。
我們知道，作為耐堿侵蝕好的材料是低鋁材料，由于Al2O3-SiO2系材料通過(guò)與堿蒸汽形成熔融釉層阻止其滲入，所以，該窯口及噴煤管澆注料也可以借鑒該原則。目前剛玉質(zhì)澆注料及納米增韌型澆注料的基質(zhì)的化學(xué)分析如表2。
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化學(xué)成分，% |
剛玉質(zhì)澆注料 |
納米強(qiáng)化型澆注料 |
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Al2O3 |
83.27 |
68.4 |
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SiO2 |
3.93 |
28.5 |
無(wú)論對(duì)于窯口澆注料還是噴煤管澆注料，只要是不發(fā)生裂紋剝落，不產(chǎn)生堿侵蝕性層狀剝落，其使用性能就能得到保證。這也是納米強(qiáng)化增韌型澆注料研制的主要出發(fā)點(diǎn)。
研制后的納米強(qiáng)化型澆注料及普通剛玉質(zhì)澆注料的部分理化指標(biāo)如表3。
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理 化 指 標(biāo) |
普通剛玉質(zhì)澆注料 |
納米強(qiáng)化型澆注料 | |
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Al2O3 |
92.2 |
66.53 | |
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抗折強(qiáng)度，MPa |
110℃×24h |
9.3 |
12.3 |
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1100℃×2h |
11.5 |
14.3 | |
|
1500℃×2h |
13 |
18.6 | |
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耐壓強(qiáng)度，MPa |
110℃×24h |
108 |
140 |
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1100℃×2h |
110 |
158 | |
|
1500℃×2h |
140 |
160 | |
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燒后線(xiàn)變化，% |
1100℃×2h |
-0.3 |
0 |
|
1500℃×2h |
-0.59 |
-0.26 | |
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彈性模量，GPa |
19 |
8 | |
三、使用實(shí)踐
就目前水泥窯窯口及噴煤管澆注料而言，普遍采用剛玉系列澆注料；引入納米強(qiáng)化該部位澆注料的性能還屬首次。經(jīng)過(guò)冀東水泥扶風(fēng)有限責(zé)任公司等單位使用證明，該澆注料在4000噸/日的水泥窯上使用達(dá)到了14個(gè)月；在噴煤管上使用達(dá)到了10月的高紀(jì)錄，目前仍在繼續(xù)使用，其間不產(chǎn)生任何剝落損毀，表面光滑無(wú)裂紋，效果非常好。
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