低導(dǎo)熱鎂鋁尖晶石復(fù)合磚的研制

  前言

  近年來，隨著人們對(duì)生活環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，國家環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排的政策隨之相繼推出。一氧化碳、二氧化碳等有害氣體排放量已成為數(shù)字化，窯爐使用企業(yè)對(duì)窯襯的低導(dǎo)熱系數(shù)的材料呼聲不斷提高，鎂鋁尖晶石磚作為水泥回轉(zhuǎn)窯過渡帶、石灰窯主要窯襯材料，它具有抗熱震性好，抗化學(xué)侵蝕能力強(qiáng)，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。但導(dǎo)熱系數(shù)高保溫性能差，鎂鋁尖晶石磚導(dǎo)熱系數(shù)為3.2（W/mk）,直接導(dǎo)致回轉(zhuǎn)窯筒體溫度過高，能源消耗過大成為鎂鋁尖晶石磚今后發(fā)展瓶頸，所以低導(dǎo)熱鎂鋁尖晶石復(fù)合磚的研制勢(shì)在必行。本研究采用工作層和復(fù)合層的結(jié)構(gòu)來降低窯襯的導(dǎo)熱系數(shù)。復(fù)合層采用鎂橄欖石和高純鎂砂為主原料，鎂橄欖石（Mg₂SiO₄）是島狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽礦物，具有強(qiáng)度高，熔點(diǎn)高（1890℃），化學(xué)和礦物穩(wěn)定性好，氣孔率高、體密低、熱導(dǎo)率低（為純氧化鎂的1/3-1/4）[4]，且呈弱堿性，與大多數(shù)堿性耐火材料具有良好的相容性。本研究主要了解如何用復(fù)合材料降低回轉(zhuǎn)窯窯襯的導(dǎo)熱系數(shù)和兩種不同的堿性材料如何匹配的性能。

  1試驗(yàn)

  1.1試驗(yàn)原料

  1.2試樣制備

  試樣由兩種不同材質(zhì)組成，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，又分為工作層和復(fù)合層。

  兩種材質(zhì)分別按照表2、3配方進(jìn)行，首先是按配方中原料稱重，然后顆粒原料在50Kg混碾機(jī)中預(yù)混5分鐘，加入紙漿廢液和氯化鎂溶液（紙漿廢液與氯化鎂溶液比例為2:1），最后加入細(xì)粉再混碾5分鐘。

  將混好泥料在630噸壓力機(jī)上兩種材質(zhì)一次成型，保證每公斤一錘的原則，半成品試樣在干燥箱中110℃干燥24h,干燥后試樣放入隧道窯中分別為1610℃-1620℃燒結(jié)。

  1.3  性能檢測(cè)

  顯氣孔率、體積密度按GB/T2997-2000標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，常溫耐壓強(qiáng)度按GB/T5072-2008標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，荷重軟化溫度按YB/T370-1995標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，常溫抗折強(qiáng)度按GB/T3001-2007標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，高溫抗折強(qiáng)度按GB/T3002-2004標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，以150×25×25mm試樣為例，工作層長(zhǎng)度75mm,復(fù)合層長(zhǎng)度75mm,受壓點(diǎn)在試樣1/2的結(jié)合處。試樣冷端表面溫度模擬試驗(yàn)對(duì)比，首先試樣放在重?zé)隣t爐門處，與爐門平行試樣周圍用高溫棉鑲實(shí)，使?fàn)t溫升至1100℃并保溫3個(gè)小時(shí)，然后用紅外測(cè)溫儀測(cè)出試樣冷端表面溫度，每個(gè)試樣共測(cè)3個(gè)點(diǎn)，最終求出平均值進(jìn)行對(duì)比。

  1結(jié)果與討論

  2.1試樣的工作層性能

  由表4可以看出，低導(dǎo)熱鎂鋁尖晶石復(fù)合磚采用了高純電熔鎂砂和高檔電熔鎂鋁尖晶石。顯氣孔率較低體積密度較高，熱震穩(wěn)定性較好。其他指標(biāo)都比較接近。

  2.2試樣的復(fù)合層顯氣孔率和體積密度

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  圖2中四個(gè)試樣中2#、3#、5#、6#試樣高純鎂砂加入量分別為30%、20%、40%、10%，5#鎂砂加入量最高，高溫下鎂橄欖石產(chǎn)生多余SiO2與高純鎂砂中MgO生成鎂橄欖石相伴隨著體積膨脹，是造成5#試樣顯氣孔率最高體密最低主要原因。6#試樣高純鎂砂加入量最少，生成鎂橄欖石相較少伴隨體積膨脹較小，所以6#試樣顯氣孔率較低。由圖2可以看出隨著高純鎂砂加入量增加，顯氣孔率隨之升高，體密隨之下降。傳統(tǒng)鎂鋁尖晶石體密3.0g/cm3,低導(dǎo)熱鎂鋁尖晶石復(fù)合磚工作層體密3.0g/cm3,復(fù)合層2.55 g/cm3，以198×220×69/74尺寸的磚為例，復(fù)合層高度為80mm來計(jì)算，傳統(tǒng)鎂鋁尖晶石磚單重為9.34Kg,低導(dǎo)熱鎂鋁尖晶石復(fù)合磚單重為8.82Kg,整體單重下降5%。

  2.3  試樣的復(fù)合層常溫耐壓強(qiáng)度

  四個(gè)試樣中2#、3#、5#、6#試樣高純鎂砂加入量分別為30%、20%、40%、10%，只有適量的加入高純鎂砂在1610℃高溫下生成鎂橄欖石相促進(jìn)試樣致密化，才能提高常溫耐壓強(qiáng)度。由圖3可以看出2#試樣燒結(jié)較致密所以強(qiáng)度最高，5#試樣由于顯氣孔率高，組織結(jié)構(gòu)疏松，常溫耐壓強(qiáng)度最低。

  1.4試樣的抗折強(qiáng)度

  由于2#、3#、5#試樣的工作層與復(fù)合層結(jié)合處均出現(xiàn)了微裂紋，出現(xiàn)裂紋說明工作層與復(fù)合層兩種材質(zhì)膨脹系數(shù)不匹配。6#試樣工作層與復(fù)合層結(jié)合處沒有裂紋，就說明6#試樣的兩種材質(zhì)膨脹系數(shù)比較接近，也是造成6#試樣常高溫抗折最高的主要因素。

  1.4試樣導(dǎo)熱模擬試驗(yàn)對(duì)比

  由圖5可以看出低導(dǎo)熱鎂鋁尖晶石復(fù)合磚與傳統(tǒng)鎂鋁尖晶石磚在爐溫1100℃情況下保溫3個(gè)小時(shí)試樣冷端表面降低120℃，繼續(xù)保溫6、9個(gè)小時(shí)情況下，試樣冷端表面溫度沒有變化。

  3、結(jié)論

  （1）低導(dǎo)熱鎂鋁尖晶石復(fù)合磚復(fù)合層隨著高純鎂砂加入不斷增加試樣顯氣孔率越高，體密越低，有利于導(dǎo)熱系數(shù)降低。

  （2）隨著高純鎂砂含量的增加，復(fù)合層與工作層結(jié)合處出現(xiàn)微裂紋，說明兩種材質(zhì)膨脹系數(shù)不匹配，也造成常高溫抗折強(qiáng)度降低。在高純鎂砂加入量10%為最佳，復(fù)合層與工作層結(jié)合處沒有出現(xiàn)裂紋，兩種材質(zhì)膨脹系數(shù)比較接近。常溫抗折強(qiáng)度達(dá)到7.6MPa,1400℃抗折強(qiáng)度2.5MPa。

  （3）低導(dǎo)熱鎂鋁尖晶石復(fù)合磚采用工作層和復(fù)合層的結(jié)構(gòu)，降低了每塊產(chǎn)品單重5%，從而減輕筒體承受載荷。低導(dǎo)熱鎂鋁尖晶石復(fù)合磚與傳統(tǒng)鎂鋁尖晶石磚做導(dǎo)熱模擬試驗(yàn)對(duì)比，試樣冷端表面溫度降低約120℃。

  參考文獻(xiàn)：

  [1]袁林、王杰增.新型干法水泥窯用耐火材料的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]耐火材料.2010.44（55）：383-386

  [2]姜發(fā)茂、孫麗楓、于景坤.鎂鋁尖晶石質(zhì)耐火材料的開發(fā)與應(yīng)用[J].工業(yè)加熱.2005.34（2）：56-59

  [3]荊桂花、肖國慶、鎂鋁尖晶石基耐火材料的最新研究進(jìn)展.[J].耐火材料.2004.38（5）：347-349

  [4]霍素珍.具有發(fā)展前景的耐火原料鎂橄欖石[J].國外耐火材料.20144.29(1):76-79