水泥窯用低水泥澆注料性能的研究

張 巍 戴文勇

（大連派力固工業(yè)有限公司，遼寧大連116600）

0 前言

傳統(tǒng)耐火澆注料，鋁酸鈣水泥用量為15～20%[1-3]，低水泥澆注料，高性能鋁酸鈣水泥用量僅為2～6%[4-9]，按5%計，每噸高性能鋁酸鈣水泥配制的澆注料，可替代耐火磚20噸，節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤4噸，減少CO2排放11.74噸。目前，發(fā)達國家的不定形耐火材料數(shù)量占耐火材料總量已超過70%，但我國僅達到40%。為了保護地球的生態(tài)環(huán)境，發(fā)展低碳經(jīng)濟已是我國經(jīng)濟發(fā)展的基本國策，在耐火材料領(lǐng)域，鋁酸鈣水泥和不定形耐火材料對發(fā)展低碳經(jīng)濟還存在很大的貢獻空間。

本實驗研究的對象是水泥窯用的一種低水泥澆注料，通過研究不同熱處理溫度對低水泥澆注料的體積密度、線變化率、常溫抗折強度、常溫耐壓強度、常溫耐磨性、熱膨脹系數(shù)和抗熱震性等性能的影響，找出這種低水泥澆注料隨熱處理溫度不同的變化規(guī)律，以期拓展?jié)M足不同溫度應(yīng)用環(huán)境下低水泥澆注料的研究。

表1 原料的主要化學(xué)組成（w）Tab.1 Chemical compositions of raw materials(%)

1 實驗

1.1 實驗原料及方案

本實驗的主要原料為礬土、硅微粉和鋁酸鈣水泥。所用原料的主要化學(xué)組成見表1。

按照表2配方組成進行配料，具體是將骨料及粉料加入攪拌罐中，攪拌均勻后再加入水?dāng)嚢?min，然后振動澆注成160mm×40mm×40mm的試樣。試樣經(jīng)110℃烘干后分別于300℃、500℃、700℃、900℃、1100℃、1300℃和1500℃保溫3h煅燒，分別測試經(jīng)過不同溫度熱處理后試樣的體積密度、線變化率、常溫抗折強度和常溫耐壓強度。制備114mm×114mm ×25mm的試樣，用于測試材料的耐磨性。制備Φ20mm×100mm的試樣，用于測試材料的熱膨脹系數(shù)。制備160mm×40mm×40mm的試樣，經(jīng)110℃烘干再經(jīng)1300℃保溫3h煅燒，用于測試材料的抗熱震性。

表2 配方組成(w)Tab.2 Composition of the castable refractory(%)

圖1 不同溫度熱處理后試樣的體積密度Fig.1 BDs of specimens heat treated at different temperatures

1.2 性能測試

(1)體積密度試驗。采用YB/T5200-1993致密耐火澆注料顯氣孔率和體積密度試驗方法，檢測燒成后試樣的體積密度。用游標(biāo)卡尺測定試樣的收縮量，并通過計算求得它的體積密度。

(2)線變化率試驗。采用YB/T5203-1993致密耐火澆注料線變化率試驗方法，檢測燒成后試樣的線變化率。

(3)常溫抗折強度和常溫耐壓強度試驗。采用YB/T5201-1993致密耐火澆注料常溫抗折強度和耐壓強度試驗方法，檢測燒成后試樣的常溫抗折強度和常溫耐壓強度。

(4)常溫耐磨性試驗。采用GB/T18301-2001耐火材料常溫耐磨性試驗方法檢測試樣的常溫耐磨性能。

(5)熱膨脹系數(shù)試驗。采用GB/T7320.1-2000耐火材料熱膨脹試驗方法-頂桿法檢測試樣的熱膨脹系數(shù)。

圖2 不同溫度熱處理后試樣的線變化率Fig.2 PLCs of specimens heat treated at different temperatures

(6)抗熱震性試驗。實驗工藝：將電爐升溫到1100±10℃保溫30min后，然后將試樣迅速放入電爐中，在1100℃保溫15min，使試樣從表面到心部受熱均勻后，將試樣取出，置于室溫循環(huán)水中快冷。試樣在水中冷卻3min后立即取出，在空氣中放置直至室溫，測量試樣經(jīng)過三次熱震循環(huán)后的殘余強度并計算耐壓強度保持率。

用日本產(chǎn)CT-1000型抗折實驗機測試試樣的常溫抗折強度。用日本產(chǎn)MS-20-S1型耐壓試驗機測試試樣的常溫耐壓強度。用NM-2型耐磨試驗機測試試樣的常溫耐磨性。用RPZ-03型高溫?zé)崤蛎泝x測試試樣的熱膨脹系數(shù)。用RZ-2A型高溫?zé)嵴鸱€(wěn)定性試驗爐測試試樣的抗熱震性。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱處理對材料體積密度的影響

圖1示出了試樣經(jīng)過不同溫度熱處理后的體積密度。由圖1可以看出，試樣經(jīng)過110℃烘干后，再經(jīng)過 300℃、500℃、700℃、900℃、1100℃、1300℃和1500℃熱處理，試樣的體積密度隨著燒結(jié)溫度的提高呈現(xiàn)先減小后不變再增大的變化規(guī)律。這是因為低水泥澆注料經(jīng)過110℃烘干后，試樣中還含有殘留的結(jié)晶水，隨著熱處理溫度的提高，結(jié)晶水逐漸被排出，試樣的重量相應(yīng)減小，但試樣的體積變化不大，因此試樣的體積密度下降。在溫度區(qū)間700～1100℃內(nèi)，試樣內(nèi)含有的結(jié)晶水已幾乎被排出，試樣的重量變化不明顯，故體積密度未發(fā)生變化。隨著熱處理溫度的繼續(xù)提高，試樣因發(fā)生燒結(jié)導(dǎo)致體積密度又再次增大。

圖3 不同溫度熱處理后試樣的常溫抗折強度Fig.3 MORs of specimens heat treated at different temperatures

表3 試樣經(jīng)過不同溫度熱處理后的磨損量(cm3)Tab.3 Abrasion losses of specimens heat treated at different temperatures

2.2 熱處理對材料線變化率的影響

圖2示出了試樣經(jīng)過不同溫度熱處理后的線變化率。由圖2可以看出，試樣經(jīng)過110℃烘干后，再經(jīng)過 300℃、500℃、700℃、900℃、1100℃、1300℃和1500℃熱處理，線變化率隨著熱處理溫度的提高呈現(xiàn)收縮先增大后減小再增大的變化規(guī)律。這是由于一方面試樣中的結(jié)晶水逐漸被排出，另一方面隨著熱處理溫度的提高，試樣逐漸被燒成，在燒結(jié)驅(qū)動力的作用下顆粒間的距離被拉近，導(dǎo)致試樣逐漸發(fā)生燒結(jié)收縮。試樣經(jīng)過900～1300℃熱處理后，收縮略有減小。試樣經(jīng)1300～1500℃熱處理后，試樣發(fā)生明顯的收縮，這是由于在高溫下生成低熔點物質(zhì)CaO·TiO2，試樣內(nèi)部由于液相的存在明顯促進了燒結(jié)，故試樣產(chǎn)生明顯的燒結(jié)收縮。

2.3 熱處理對材料常溫抗折強度和常溫耐壓強度的影響

圖4 不同溫度熱處理后試樣的常溫耐壓強度Fig.4 CCSs of specimens heat treated at different temperatures

圖3、圖4分別示出了試樣經(jīng)過不同溫度熱處理后的常溫抗折強度和常溫耐壓強度。由圖3中可以看出，試樣經(jīng)過110℃烘干后，再經(jīng)過300℃、500℃、700℃、900℃、1100℃、1300℃和1500℃熱處理，材料的常溫抗折強度隨著熱處理溫度的提高呈現(xiàn)先增大后減小再增大的變化規(guī)律。由圖4同樣可以看出，材料的常溫耐壓強度隨著熱處理溫度的提高也呈現(xiàn)先增大后減小再增大的變化規(guī)律。經(jīng)過低溫?zé)崽幚砗螅S著試樣內(nèi)部結(jié)晶水的排出，試樣的常溫抗折強度和常溫耐壓強度逐漸增大。試樣經(jīng)過中溫1100℃熱處理后，由于連結(jié)劑鋁酸鈣水泥的失效并且在此溫度下陶瓷相尚未形成，因此試樣的中溫強度急劇下降。在1100～1500℃溫度區(qū)間，試樣內(nèi)部因燒結(jié)而逐漸產(chǎn)生陶瓷相，故試樣的常溫強度增加。

2.4 熱處理對材料常溫耐磨性能的影響

表3示出了試樣經(jīng)過1300℃和1500℃熱處理后的磨損量。

由表3可以看出，試樣經(jīng)過1500℃熱處理后的磨損量小于經(jīng)過1300℃熱處理后的磨損量。這是由于燒結(jié)溫度的提高促進了材料的燒結(jié)，顆粒與基質(zhì)之間形成較密實的過渡帶，使其結(jié)構(gòu)較致密，基質(zhì)與骨料結(jié)合的較好，當(dāng)磨損介質(zhì)沖蝕試樣的表面時，基質(zhì)與骨料被磨損的程度較為均勻，因此磨損量較小。

2.5 熱處理對材料熱膨脹系數(shù)的影響

圖5 試樣熱膨脹系數(shù)和熱處理溫度的關(guān)系曲線Fig.5 Variation of thermal expansion coefficients of specimens with different heat treatment temperatures

圖5示出了試樣的熱膨脹系數(shù)隨熱處理溫度不同而變化的關(guān)系曲線。由圖5可以看出，在200℃～400℃溫度區(qū)，試樣的熱膨脹系數(shù)隨熱處理溫度的提高而減??；在400℃～800℃溫度區(qū)，試樣的熱膨脹系數(shù)隨熱處理溫度的提高而增大；在800℃～1050℃溫度區(qū)，試樣的熱膨脹系數(shù)隨熱處理溫度的提高而減??；在1050℃～1250℃溫度區(qū)，試樣的熱膨脹系數(shù)隨熱處理溫度的提高而增大；在1250℃～1400℃溫度區(qū)，試樣的熱膨脹系數(shù)隨熱處理溫度的提高而減小。試樣的熱膨脹系數(shù)隨熱處理溫度的變化較為復(fù)雜，這同樣是與試樣中含有的結(jié)晶水，以及試樣的燒結(jié)有關(guān)。

2.6 材料的抗熱震性能

圖6示出了試樣經(jīng)過三次熱震前后的耐壓強度。從圖6中看出，熱震前低水泥澆注料的耐壓強度為115.6Mpa，熱震后低水泥澆注料的耐壓強度為100.9Mpa，低水泥澆注料的強度保持率為87.3%，說明這種低水泥澆注料具有相對較好的抗熱震性能。這主要取決于低水泥澆注料經(jīng)過1300℃熱處理后，具有相對較低的體積密度和較大的氣孔率，同時經(jīng)過1300℃熱處理后具有較低的熱膨脹系數(shù)，這些都決定了材料會具有相對優(yōu)良的抗熱震性能。

3 結(jié)論

(1)水泥窯用低水泥澆注料的體積密度隨著熱處理溫度的提高呈現(xiàn)先減小后不變再增大的變化規(guī)律。

(2)水泥窯用低水泥澆注料的線變化率隨著熱處理溫度的提高呈現(xiàn)收縮先增大后減小再增大的變化規(guī)律。

圖6 試樣熱震前后的耐壓強度Fig.6 Cold crushing strengths of specimens before and after thermal shocking

(3)水泥窯用低水泥澆注料的常溫抗折強度和常溫耐壓強度隨著熱處理溫度的提高呈現(xiàn)先增大后減小再增大的變化規(guī)律。

(4)水泥窯用低水泥澆注料經(jīng)過1500℃熱處理后的磨損量小于經(jīng)過1300℃熱處理后的磨損量。

(5)水泥窯用低水泥澆注料具有相對優(yōu)良的抗熱震性能。

1張巍,戴文勇,小宮山勇.鋁酸鈣水泥對焦寶石基噴涂料性能的影響.陶瓷,2009,(2):22～32

2張巍,戴文勇.熱處理溫度對輕質(zhì)澆注料性能的影響.山東陶瓷,2009,32(6):12～14

3張巍,李亮,戴文勇.焦寶石基噴涂料的研制.耐火材料,2009, 43(6):458～459

4張巍,戴文勇.熱處理溫度對焦寶石-鋁礬土澆注料性能的影響.山東陶瓷,2009,32(4):34～37

5張巍,戴文勇,千代田修明.不同粒度碳化硅對莫來石基澆注料性能的影響.現(xiàn)代技術(shù)陶瓷,2009,（3）：10～13

6張巍,小宮山勇,李亮等.水泥對新型耐酸料耐酸性能的研究.化工技術(shù)與開發(fā),38(11):8～10

7張巍,戴文勇,千代田修明.堇青石對莫來石-鋁礬土澆注料性能的影響.硅酸鹽通報,2009,28(6):1286～1290

8張巍,李亮,戴文勇.濕法噴涂料的研制.耐火與石灰,2010,35 (1):13～18

9張巍,小宮山勇,戴文勇.新型耐酸料的研制.耐火與石灰,2010, 35(3):6～7