高強(qiáng)耐磨硅莫磚的性能研究及應(yīng)用

姚 峰，劉振英

（1.鄭州華威耐火材料有限公司，河南 鄭州 452374；2.安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

隨著我國水泥工業(yè)的飛速發(fā)展，特別是近幾年環(huán)保和節(jié)能減排口號的提出，水泥回轉(zhuǎn)窯過渡帶對耐火材料熱震穩(wěn)定性、耐磨性、抗剝落性、抗機(jī)械應(yīng)力、抗化學(xué)侵蝕的要求越來越高[1]。一些大中型預(yù)分解窯在生產(chǎn)過程中，耐火材料受到不同程度的破壞，影響了水泥窯的正常運轉(zhuǎn)，成為制約水泥窯運轉(zhuǎn)率的主要因素，耐火材料的使用壽命主導(dǎo)著窯系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)率，特別是過渡帶溫度變化頻繁，現(xiàn)用的鎂鋁尖晶石磚也不易掛窯皮，且導(dǎo)熱系數(shù)大，使得窯筒體外壁溫度較高，極易受熱膨脹，既不利于節(jié)約能源，又影響設(shè)備的正常運行。過渡帶是窯襯最易損壞的部位，該部位溫度變化頻繁，窯皮時掛時掉，襯磚經(jīng)常直接暴露在高溫氣流中，特別是大型窯，料流量大、窯速快，襯磚遭受破壞力強(qiáng)[2]。此外，該部位也是應(yīng)力最為集中的區(qū)域。因此，過渡帶窯襯須具備高的熱震穩(wěn)定性和高的抗侵蝕能力及耐磨性，對其材質(zhì)的性能要求甚至超過燒成帶。為此，制備性能優(yōu)異，適應(yīng)過渡帶工藝特性的高強(qiáng)耐磨特種硅莫磚勢在必行。

1 試驗與工藝

1.1 原料

試驗用主要原料：高鋁礬土熟料，采用山西回轉(zhuǎn)窯煅燒高鋁礬土熟料；棕剛玉，硬度大、熔點高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對酸堿都有良好的抵抗性能；碳化硅，用石油焦與SiO2合成的碳化硅，分解溫度高、莫氏硬度高。基于此，選擇剛玉、碳化硅強(qiáng)化基質(zhì)，是制品獲得體積密度大、熱態(tài)強(qiáng)度高、耐腐蝕和耐磨等性能具備的條件。引入外加劑α-氧化鋁微粉以改善產(chǎn)品高溫性能，結(jié)合劑選用密度為l.20～1.25g/cm3的紙漿廢液，加入量為3%～4%。所用原料的化學(xué)組成見表1。

1.2 生產(chǎn)工藝

根據(jù)所選材料，通過調(diào)整添加劑的用量以及顆粒配比來確定最佳的生產(chǎn)工藝。先后進(jìn)行了5次試驗，試驗配方見表2。

表1 原料的化學(xué)組成(%)

表2 試驗配方(%)

按照配比準(zhǔn)確稱量所需原料：粒度組成以“兩頭大，中間小”為原則。為保證基質(zhì)均一，細(xì)粉料采用螺旋攪拌機(jī)預(yù)先混合均勻制成混合粉，然后再添加α-氧化鋁微粉，將各種物料配好放人混練機(jī)中，干混后加入亞硫酸紙漿廢液繼續(xù)混練均勻，然后在315t摩擦壓力機(jī)下壓制成230mm×114mm×65mm的標(biāo)磚和φ50mm×50mm的圓柱試樣，干燥后在電爐中于1420℃、保溫3h燒成。

1.3 性能檢測標(biāo)準(zhǔn)

按照GB/T2997-2000檢測燒成后試樣的顯氣孔率和體積密度，按照GB/T5072-1985檢測燒成后試樣的常溫耐壓強(qiáng)度，按照YB/T376.1-1995檢測燒成后試樣的荷重軟化開始溫度，按照檢測燒成后試樣的抗熱震性，耐磨試驗按照GB/T18301-2001耐火材料常溫耐磨試驗方法進(jìn)行。采用電子顯微鏡分析試樣的顯微結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

試樣的性能指標(biāo)見表3。

表3 試樣的性能指標(biāo)

從表3可以看出，隨著α-氧化鋁微粉的增加，試樣的體積密度逐漸增大，顯氣孔率逐漸減小，耐壓強(qiáng)度逐漸增大，抗熱震性提高，耐磨性明顯增強(qiáng)，制品性能得到明顯的改善。可以看出，主要原因是制品在1420℃燒成后主晶相為莫來石、碳化硅和剛玉，這些晶相硬度都很高，這就為致密高強(qiáng)的耐火制品奠定了基礎(chǔ)，而添加α-氧化鋁微粉會促使剛玉中的SiO2具有很高的活性,有助于在基質(zhì)中形成較致密的網(wǎng)絡(luò)狀莫來石結(jié)合相，使制品耐壓強(qiáng)度及體積密度明顯增加，由于Al2O3與SiO2形成固熔體致使材料晶粒細(xì)化與致密化，利用多晶來緩沖熱應(yīng)力，達(dá)到了提高材料抗熱震性的目的，大大提高了特種硅莫磚的使用壽命。

當(dāng)α-氧化鋁微粉添加量為6%的4＃試樣性能達(dá)到最佳狀態(tài)，其體積密度為2.64g/cm3，抗熱震性超過30次，高溫磨損體積為1.16cm3，材料的耐磨性取決于試樣的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的致密性，強(qiáng)度和致密度較高的材料耐磨性較好。對試驗后試樣表面進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，磨損都是從試樣基質(zhì)部分開始的。當(dāng)基質(zhì)強(qiáng)度很弱，顯氣孔率較高時，常常形成蜂窩狀的沖蝕形貌；只有當(dāng)基質(zhì)強(qiáng)度接近骨料顆粒的強(qiáng)度時，才會出現(xiàn)相對平滑的沖蝕坑形貌。對1＃試樣和4＃試樣煅燒到1420℃及經(jīng)耐磨試驗后的試樣進(jìn)行掃描電鏡分析，結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1(a)是1＃試樣煅燒1420℃后SEM電鏡照片，由于存在較大的氣孔，顆粒和基質(zhì)的強(qiáng)度都較低，圖1(b)為耐磨試驗后沖擊區(qū)試樣的宏觀形貌,其沖蝕坑較為圓滑，顆粒也受到明顯的磨蝕，棱角消失，沖蝕后顆粒清晰。

圖1 1＃試樣掃描電鏡分析

圖2 4＃試樣掃描電鏡分析

圖2(a)為4＃試樣1420℃煅燒后斷口的宏觀形貌，可以看出，氣孔較少，說明燒后試樣的骨料和基質(zhì)結(jié)合較好，在中溫可以燒結(jié)，填充了部分氣孔，使結(jié)構(gòu)致密化。圖2(b)為耐磨試驗后沖擊區(qū)試樣的宏觀形貌，可以看出，試樣基質(zhì)和骨料均勻磨損，沖蝕坑不規(guī)則，顆粒邊緣磨蝕不明顯，達(dá)到了預(yù)想的效果，4＃試樣的耐磨性明顯優(yōu)于1＃試樣。在產(chǎn)品制作過程中，采用耐火材料復(fù)相改性原理，添加一定量的α-氧化鋁微粉后，在一定溫度下試樣表面形成堅實釉膜，磚面形成連續(xù)的SiO2致密層，阻止了氣體和熔融物的侵蝕，從而使試樣抗腐蝕、耐磨損性能增強(qiáng)，加上碳化硅的熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)小，制品的抗熱震穩(wěn)定性好，這些性能特點使特種硅莫磚在過渡帶使用過程中不易斷裂和產(chǎn)生剝落，由于熱導(dǎo)率低于鎂質(zhì)材料，使筒體受熱不致過高，這不僅保證了回轉(zhuǎn)窯筒體的正常運轉(zhuǎn)，而且節(jié)約了燃料。

3 產(chǎn)品應(yīng)用

產(chǎn)品經(jīng)陜西堯柏水泥集團(tuán)、河北鹿泉曲寨水泥和登封宏昌水泥等多家水泥企業(yè)2500t/d、5000t/d大型水泥回轉(zhuǎn)窯上下過渡帶使用，日磨損速率僅為0.1mm，也沒有出現(xiàn)剝落、爆頭現(xiàn)象，壽命均在一年以上。充分證明特種硅莫磚的抗熱震穩(wěn)定性好，高溫強(qiáng)度好，使用過程中抗侵蝕、不剝落、不斷裂，使用壽命明顯延長。其原因主要是因為水泥回轉(zhuǎn)窯過渡帶的磚面溫度為1400℃左右，而硅莫磚的荷重軟化開始溫度在1500℃以上，足以抵抗高溫沖擊，加上制品結(jié)構(gòu)致密，抗侵蝕和耐磨性特別好，另外在過渡帶上使用該產(chǎn)品，由于特種硅莫磚較低的導(dǎo)熱系數(shù)比較低(1.75W/m·K)，使得窯筒體外表面溫度比使用鎂尖晶石磚平均降低80℃以上，比使用傳統(tǒng)的1650型硅莫磚平均降低50℃左右，該部位筒體溫度明顯降低，對保護(hù)輪帶裝置也極為有利，節(jié)能效果十分明顯，是5000t/d以上大型水泥回轉(zhuǎn)窯過渡帶的理想內(nèi)襯材料。

4 結(jié)語

(1)特種硅莫磚的成分和結(jié)構(gòu)對窯料有一定的適應(yīng)性，磚內(nèi)溫度梯度平穩(wěn)，顯著抑制了深入變質(zhì)破壞作用，在過渡帶上使用該產(chǎn)品，使得窯筒體外表面溫度比使用鎂尖晶石磚平均降低80℃以上，有效地延長了該磚襯的使用壽命，從根本上實現(xiàn)了節(jié)能減排。

(2)以高鋁礬土熟料和碳化硅為主要原料，經(jīng)高壓成型、高溫?zé)啥频玫奶胤N硅莫磚，具有熱震穩(wěn)定性好、耐磨性好、抗剝落性強(qiáng)、荷重軟化溫度高、導(dǎo)熱率低等優(yōu)點。

[1]林心專.硅莫磚在窯過渡帶上的應(yīng)用[J].水泥工程,2005(12):53.

[2]何獎愛,王玉瑋.材料磨損與耐磨材料[M].沈陽:東北大學(xué)出版社,2002.