水泥窯噴煤管用澆注料的試驗研究

孫麗麗，卜景龍，劉 臣

（1.河北聯(lián)合大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北唐山063009；2.唐山冀東混凝土有限公司，河北唐山063000；3.唐山冀東水泥股份有限公司，河北唐山063031）

水泥窯噴煤管用澆注料的試驗研究

孫麗麗1，2，卜景龍1，劉 臣3

（1.河北聯(lián)合大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北唐山063009；2.唐山冀東混凝土有限公司，河北唐山063000；3.唐山冀東水泥股份有限公司，河北唐山063031）

以電熔尖晶石、白剛玉、板剛玉、硅灰951、拉法基水泥S71為基本原料，在基礎(chǔ)配方的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整電熔尖晶石、拉法基水泥S71的加入量制備水泥窯噴煤管用澆注料，對該澆注料進行了線變化率、體積密度、強度、抗熱震等性能測定。試驗結(jié)果表明：較適宜用作澆注料的配料組成為電熔尖晶石70%，硅灰0.5%，白剛玉17.5%，拉法基水泥7%，1 400℃時其抗壓強度為203.31 MPa，抗熱震性能其強度保持率為61.26%。

澆注料；線變化；強度；熱震穩(wěn)定性

澆注料是一種由耐火物料加入一定量結(jié)合劑制成的粒狀和粉狀材料。它具有較高流動性，適用于做以澆注方式成型的不定形耐火材料［1］。長期以來，在回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)水泥中，煤炭一直是主要的燃料，為了便于快速燃燒，原煤被制成粉末。通過一套管狀的燃燒裝置，用空氣將煤粉噴入窯內(nèi)，在高溫下點著并燃燒，以滿足煅燒水泥熟料的需要，這種燃燒裝置被稱為噴煤管。噴煤管不僅對優(yōu)化窯的操作和穩(wěn)定窯的運轉(zhuǎn)起著重要的作用，而且對降低燃料消耗，提高熟料的產(chǎn)量和質(zhì)量及減少環(huán)境污染等方面都有顯著的影響。因此噴煤管盡管只是回轉(zhuǎn)窯設(shè)備中一個不大的部件，但是作用很大。然而噴煤管部位每天會有成千上萬噸熟料和燃料由此通過，對其造成機械磨損和粉塵氣流沖刷，故延長噴煤管的使用壽命極其重要［2－4］。因此，本試驗利用電熔尖晶石、剛玉、硅灰和拉法基水泥為主要原料，并通過調(diào)整原料配比，得到一種線變化、體積密度、強度和抗熱震穩(wěn)定性較好的澆注料配方，以適用于水泥窯噴煤管的制備。

1 試驗

1.1 主要原料及儀器

本試驗在原料選擇方面做了大量的資料篩選，并且對物料的性能和存在的問題進行了初步分析，最終確定所選用原料為電熔尖晶石、白剛玉、硅灰、板剛玉、拉法基水泥，以及三聚磷酸鈉、ADW1、ADS1和草酸等分散劑（減水劑）和緩凝劑。

主要儀器有攪拌機、振動臺、電熱鼓風(fēng)干燥箱、箱式電阻爐、重?zé)囼灎t、水泥全自動抗折試驗機、液壓式壓力試驗機等。

1.2 試驗過程

1.2.1 基礎(chǔ)配方的確定

初步選定電熔尖晶石為主要原料。為了提高結(jié)合強度，主料中增加了白剛玉、CTC50、硅灰951和拉法基水泥S71作為原始配方，各原料的配比見表1。在原始配方基礎(chǔ)上調(diào)整配料進行對比試驗，原料配比結(jié)果見表2。為進一步提高澆注料密度和可施工性，需要加入占原始配方總量一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分散劑和緩凝劑。方案1－5均加入了0.15%的高效分散劑三聚磷酸鈉，以減少加水量，另方案1又加入了0.03%草酸緩凝劑，方案6加入了0.7%ADS1和0.1%ADW1減水劑。

表1 各種原料的顆粒級配%

表2 調(diào)整配料確定試驗的原料配比%

將以上方案按照配比，分別配備1kg的料，并制備相應(yīng)組分的試樣條塊，觀察凝結(jié)時間，并作常溫的抗折抗壓試驗以分析方案的實用性和可實施性。

經(jīng)試驗：方案1中，加入適量的草酸緩凝劑后，其凝結(jié)時間在40min左右，可以用于大規(guī)模性的施工，但是其強度為80MPa（小于90MPa），不符合使用要求；S75水泥替換S71的方案2其強度也有所降低，但基本可以滿足要求，而凝結(jié)時間在15min左右，緩凝效果不是很好；92硅灰替換951硅灰的方案3中，其強度與方案1的強度對比變化不大，但凝結(jié)時間在20min以內(nèi)，還是比較快的；而減少硅灰951加入量后的方案4，5其凝結(jié)時間在5～10min，凝結(jié)速度還是太快；改變系統(tǒng)的方案6，由于分散劑的存在，凝結(jié)時間比較長，在40min到90min之間，而其強度為157.5MPa，強度很高，故選用改變系統(tǒng)后的方案6作為基礎(chǔ)配方繼續(xù)試驗。

將方案6作為基礎(chǔ)配方定為A1，配方中還包括占配方總質(zhì)量0.7%的ADS1和0.1%的ADW1。

1.2.2 調(diào)整配方

骨料用部分板剛玉代替電熔尖晶石，板剛玉的加入量以電熔尖晶石為變量進行設(shè)定，形成方案A2－A8，配比見表3。再以拉法基水泥S71為變量對CTC50的加入量進行調(diào)整，形成方案B1－B4。由于拉法基水泥的加入量較少，所以對其調(diào)整的浮動較小，具體變化如表4所示。

按照試驗的配料表稱取好原料并充分混勻，將其倒入攪拌機中，逐步加入適量的水，觀察物料的情況。為加水適量，每組的加水量記錄在表5中。

1.2.3 試驗步驟

（1）按照配方稱量好各種原料并將它們混合均勻，放入攪拌桶中；

（2）用量筒量取攪拌用水，水溫應(yīng)接近室溫，準(zhǔn)確到1 mL。第一次可按與同類產(chǎn)品相當(dāng)?shù)募铀?，以后可酌情增減用水量，每次增減量不大于試驗料干重的0.5%；

（3）將試驗料慢速干混1min，然后快速攪拌，邊攪拌邊加入水，2min后稍停，清理粘附在攪拌葉片和桶壁的泥料，再次攪拌2min，總攪拌時間約5min；最終達到粉料幾乎全粘黏在骨料上，骨料間相互不太粘連，用手攥下既能黏在一起，又能夠分散開來；

表3 板剛玉代替部分電熔尖晶石時各原料的配比%

表4 變化拉法基水泥的加入量時各原料的配比%

表5 各組加水量mL

（4）將試模擦凈，在模底與底座接觸面處涂抹適量黃油，內(nèi)壁均勻涂抹一薄層機油；

（5）將試模固定在振動臺上，填裝試驗料直至試模上邊緣，啟動振動臺，邊振動邊填裝試驗料；

（6）停止振動，用鏝刀去除高出試模邊緣的試驗料，并將試樣表面磨平。對于致密澆注料，全部振動時間一般為60～90s。對于隔熱澆注料，全部振動時間一般為30～60s。從加水開始到試樣成型的全部時間不超過10min；

（7）移走模套，從振動臺上取下試模，標(biāo)好記號，試樣帶模置于試驗室環(huán)境中養(yǎng)護24h；

（8）試樣養(yǎng)護以后脫模，隨后放入烘箱中逐漸升溫至（110±5）℃，在規(guī)定的條件下干燥24h；

（9）干燥后試樣隨烘箱冷卻至室溫，冷卻后試樣應(yīng)存放于干燥器中，存放時間不應(yīng)超過3d［5］；

（10）對試樣進行線變化、體積密度、抗折強度、抗壓強度等性能的測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 線變化性能測定和結(jié)果分析

各組試樣線變化數(shù)據(jù)結(jié)果見表6。

表6 線變化表%

表6中，①表示試樣A2在燒1 400℃的過程中發(fā)生了變形，四個邊長發(fā)生了明顯的變化和扭曲，因而測得的平均值在反應(yīng)其線變化的程度上有一定的誤差；②表示試樣A6在燒800℃的過程中發(fā)生了炸裂，分析其炸裂的原因可能是由于試樣條太過于致密，氣孔率過低，加之升溫速度又快，試樣中的結(jié)合水難以排出，導(dǎo)致局部熱穩(wěn)定性不好，引起炸裂。另外，各溫度下線變化有正的也有負(fù)的，部分原因可能是人為測量過程中產(chǎn)生的誤差所致。110℃的線變化本來就不大，就是一個失去自由水的過程，對試樣的邊長不會引起很大的變化，在工廠的實際應(yīng)用和檢測之中，一般不測該溫度下的線變化，近似認(rèn)為該溫度下的線變化為0；800℃下的線變化應(yīng)是負(fù)值，是一個結(jié)合水脫離的過程，但部分試樣出現(xiàn)正值，原因也可能是人為誤差或試樣不標(biāo)準(zhǔn)或其他因素影響造成的。

從線變化的總體變化來看是呈現(xiàn)一個先收縮后膨脹的趨勢，即試樣在加熱的過程中先脫去自由水，產(chǎn)生氣孔，但沒有太大的線變化。而隨著溫度的升高，達到500～600℃就產(chǎn)生了結(jié)合水的脫離，大約800℃結(jié)合水完全脫離，會有一定程度的線變化，呈現(xiàn)負(fù)值，說明試樣表現(xiàn)為收縮，而再繼續(xù)升溫（1 000℃），試樣中的拉法基水泥等部分發(fā)生反應(yīng)，會呈略微膨脹的趨勢，達到1 400℃，會完全反應(yīng)，有一定的膨脹，但是不會很大，達到了穩(wěn)定的性能。

2.2 體積密度性能測定和結(jié)果分析

由試樣線變化的數(shù)據(jù)可以得出試樣的體積密度，見表7。

表7 各溫度下體積密度記錄表g/cm3

表7中，①表示試樣條A6發(fā)生爆炸后無法測量，又重新對備用的試樣A6燒800℃檢測其性能，沒有發(fā)生炸裂，估計發(fā)生炸裂的試樣也存在個別性，或許是存在內(nèi)部缺陷，性能不穩(wěn)導(dǎo)致。②表示部分?jǐn)?shù)據(jù)中出現(xiàn)不是一直減小的趨勢，可能導(dǎo)致的原因有試樣的差異性和人為測量過程中的誤差引入，其密度差別不是很大，可以作為參考?？傮w上看，各試樣密度均比較大，都在3g/cm3左右。

2.3 抗折強度性能測定和結(jié)果分析

測定各試樣的抗折性能，結(jié)果見表8。由于試樣的抗折強度都比較大，甚至有的已超出儀器量程，說明該試樣的抗折性能很高，基本可滿足試驗?zāi)繕?biāo)對抗折強度的要求。

2.4 抗壓強度性能測定和結(jié)果分析

測定各試樣的抗壓性能，結(jié)果見表9。

表8 抗折數(shù)據(jù)記錄表

表9 抗壓數(shù)據(jù)記錄表

由表9可知，和基礎(chǔ)配方相比，以電熔尖晶石1～3mm為變量的A4，A5和A6三者對應(yīng)的抗壓強度變化不大；以電熔尖晶石0～1mm為變量的A7和A8二者對應(yīng)的抗壓強度變化不大，說明改變部分電熔尖晶石的加入量對試樣最終抗壓強度的影響不是很大，如果電熔尖晶石造價昂貴，則可使用部分板剛玉來代替，而強度不會發(fā)生太大的變化?；剞D(zhuǎn)窯升溫后，正常工作時溫度一般為1 300～1 400℃，由表9可知，1 400℃時，改變拉法基水泥S71的加入量對試樣的強度有影響，基本是拉法基水泥含量越少，其強度越低，可見拉法基水泥對試樣強度影響較大。但如果加入量太多則會引起快凝現(xiàn)象，從而需要加入緩凝劑或減水劑來控制凝結(jié)時間，而這些緩凝劑或減水劑的加入又會引發(fā)強度的降低，可見將拉法基水泥S71控制在B2的基礎(chǔ)上是比較理想的。

2.5 抗熱震穩(wěn)定性能測定和結(jié)果分析

熱震前和熱震后試樣的強度見表10。表10中的A4在熱震初期的升溫過程中，發(fā)生炸裂現(xiàn)象，估計炸裂原因與A6相似。熱震后的試樣急冷急熱，其端面上出現(xiàn)了許多細(xì)小的微裂紋，這樣會使試樣的氣孔率有所增加，有利于抗熱震性能的提高。

表10 熱震后的殘余強度和強度保持率

從總體上看，各組試樣的強度和強度保持率都比較高，即經(jīng)過多次急冷急熱的熱震之后，其強度依然可以保持很高，說明試樣有較好的抗熱震性能，能夠適應(yīng)窯口噴煤管處的高溫和一次風(fēng)溫差異巨大的急冷急熱的工作環(huán)境。

3 結(jié)論

試樣的抗折和抗壓性能都比較高，抗折強度均在10 MPa左右，抗壓強度多在110MPa以上。由于試樣本身的體積密度較大，均在2.9g/cm3以上，推測其具有較強的耐磨性能。

本試驗在基礎(chǔ)配方的基礎(chǔ)上，調(diào)整電熔尖晶石的加入量對試樣的強度影響不大，當(dāng)將粒度為0～3mm的電熔尖晶石用板剛玉替代10%時，1 400℃時的抗壓強度最高為214.81MPa。

在基礎(chǔ)配方基礎(chǔ)上，隨著拉法基水泥S71加入量的減少，1 400℃時試樣的抗壓強度基本呈下降趨勢；而拉法基水泥的加入量過多，其凝結(jié)時間和抗熱震性能又有所降低，因此其加入量為7%時最為合適，抗壓強度為203.31MPa，抗熱震性能強度保持率為61.26%。

［1］ 李吉利，孫紅梅.分散劑對耐火澆注料性能的影響［J］.耐火與石灰，2010，35（5）：42－49.

［2］ 江啟煥.提高噴煤管及窯口澆注料的使用壽命［J］.新世紀(jì)水泥導(dǎo)報，2002（1）：35－36.

［3］ 彭擁軍，曹永紅.莫來石澆注料在噴煤管上的應(yīng)用［J］.新世紀(jì)水泥導(dǎo)報，2002（2）：29－30.

［4］ 李志輝.在尖晶石結(jié)合澆注料中尖晶石的結(jié)構(gòu)分析［J］.耐火與石灰，2010，35（3）：41－47.

［5］ 陳運本，陸洪彬.無機非金屬材料綜合試驗［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

（責(zé)任編校：李秀榮）

Experimental Investigation on Castable Used for Cement Kiln Pulverized Coal

SUN Li－li1，2，BU Jing－long1，LIU Chen3

（1.College of Materials Science and Engineering，Hebei United University，Tangshan 063009，China；2.Tangshan Jidong Concrete Company Limited，Tangshan 063000，China；3.Tangshan Jidong Cement Company Limited，Tangshan 063031，China）

With fused spinel，white corundum，platelike corundum，silicon ash 951and rafa cement S71as main raw materials，a modified refractory castable for cement kiln pulverized coal was prepared by changing the adding amount of fused spinel and rafa cement S71.Performances of the refractoty castable such as line change rate，bulk density，strength and thermal shock resistance were measured.The results showed that the refractory castable with 70%fused spinel，0.5%silicon ash，17.5%white corundum，7%rafa cement S71had better performances，which had compressive strength 203.31MPa and thermal shock resistance 61.26%at 1 400℃.

rotary kiln；line change rate；strength；thermal shock resistance

book=47,ebook=47

TQ172.6＋14.2

A

1672－349X（2012）03－0049－04

2012－04－12

唐山市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計劃項目（11110210B－6－5）

孫麗麗（1976－），女，河北玉田人，工程師，碩士研究生，主要從事無機非金屬材料的研究。