尖晶石耐火材料.docx

大型水泥预分解窑（以下称该窑），是近几年来水泥工业大力发展的主流设备，该设备不仅工艺先进、节能、节材，而且劳动生产率很高。目前，日产10000t的生产线已有多条建成投产。先进的工艺设备在带来高效益的同时，对耐火材料也提出了新要求。特别在窑口、喷煤管部位，耐火材料的工作环境更恶劣。现用材料（包括某些进口材料）一般寿命只有34个月，影响了该窑效益的发挥，成了急需解决的关键。1、研制过程1.1使用条件及损毁机理分析。该窑采用了多项先进工艺和强化煅烧工艺，如余热利用，原材料和二次风预热，提高了窑体转速、加大喷煤量、提高产量等，这些措施既提高了该窑的热利用率和生产效率，也使窑内耐火材料工作条件更为恶化。主要有：碱、氯、硫等有害物质被富集，浓度提高、化学侵蚀严重；窑内火焰温度相对较高、波动较大、热应力增加；在窑口和喷煤管部位每天成千上万吨熟料和大量燃料通过，造成机械磨损和粉尘气流冲刷；窑体转速加快、喷煤量加大，均造成振动和机械应力破坏。从现场使用情况和退出使用的耐火材料损毁情况观察分析，也主要表现为碱裂、热应力剥落、机械应力损毁和磨损（1）。1.2原材料选择。通过观察分析，窑口、喷煤管浇注料（以下称浇注料）首先必须有良好的化学稳定性，特别是耐碱侵蚀性；其次是强度高、抗热震性要好。通过筛选，我们初步选定电熔尖晶石为主要原料。为了提高结合强度，我们增加了超细粉，为了进一步提高浇注料密度和可施工性，我们使用了高效分散剂，减少了加水量。主要原料的化学成份如表一：原 料Al2O3MgOSiO2CaOFe2O3R2O尖晶石颗粒73.0423.110.492.740.22-尖晶石细粉73.5223.060.512.620.28-uf- -Al2O399.27-0.21-0.020.31纯铝酸钙水泥75.31-23.03-1.3试样制备和性能测试。耐碱性试验采用静态坩埚法，试后切开，直接观察测量侵蚀情况和尺寸。抗热震测试采用1100水冷，十次后测试样的残余抗折强度及强度保持率。强度测试采用4040160标准试块，测冷态抗折、耐压强度。流动度采用圆台形模具1007050，模子置于振动台上，放上浇注料后脱除模具，振动20秒（振动流动），测试料饼直径作为流动值指标（单位mm）。配方设计时颗粒级配依据Andreassen公式，CFPT/100=（L/Lm）q。q=0.25、0.27、0.29、0.31分别试验，通过紧密堆积试验，确定最佳颗粒级配，按骨料（W）：粉料（W）=65；35配料。临界颗粒，窑口浇注料在1215mm之间，喷煤管在58 mm之间选择（根据浇注料实际厚度调整）。在作某项对比实验时，只改变需要比较的部分，其他条件相对固定，进行对比实验。2、试验结果与分析2.1耐碱性试验：取尖晶石、电熔镁砂、白刚玉三种原料采用相同的粒度组成和工艺，分别制成规格相同的坩埚，经养护，11024h烘干，装入碱性侵蚀剂于15503h处理（碱性侵蚀配方：水泥熟料：硫酸钾：煤粉=35：60：5），随炉冷却后取出，从中间切开，侵蚀情况见图一，观察和测量结果见表二：图一 表二坩埚侵蚀深度坩埚渗透深度坩埚外部裂纹情况描述电熔尖晶石3625有细小的网状裂纹，宽度在0.5mm以下电熔白刚玉812610严重裂开，宽度在2mm左右电熔镁砂71059有较多有网状裂纹，宽度在1mm左右试验结果表明：尖晶石料明显优于白刚玉和电熔镁砂。进一步的分析可知，白刚玉在高温强碱作用下，Al2O3和R2O会发生反应生成R2O.11 Al2O3，产生较大体积膨胀，造成所谓“碱裂”。而电熔镁砂主要是易水化和抗热震能力很差，易形成气孔和裂纹，造成坩埚密度较低，另外电熔镁砂不易与碱性物质反应形成高粘度的熔融物，阻止碱性物质侵蚀。所以碱性熔融物质容易渗透。尖晶石材料具有憎碱性，碱性熔融物对其浸润性很弱，故不易发生碱侵蚀和渗透。2.2增韧剂对浇注料性能的影响为了提高浇注料的抗热震性能，我们利用微裂纹增韧机制。即在浇注料中加入了ZrO2细粉（0.074mm），加入量分别为a-2，a，a+2。其他条件不变，制成试样，经热处理后，测冷态残余抗折强度，结果如表三：加入量0a-2aa+2热震前抗折强度Mpa13.6213.615.3212.75十次热震后残余抗折强度3.954.676.85.2保持率（%）2934.3444.3940.78从上述结果看，加ZrO2明显好于不加ZrO2，加入量以a为最好。ZrO2的微裂纹增韧作用已被多方应用实践所证明（2）。我们的试验，主要是选一个合适的加入量，加入量过多则形成的微裂纹可能会聚集，形成较大裂纹，使浇注料强度降低过多，且对增韧不利。所以选择ZrO2为增韧剂，除考虑增韧效果外，ZrO2很强的抗化学侵蚀能力也是重要因素，即加入ZrO2增韧后，在增韧的同时，不会降低浇注料的抗侵蚀性能。2.3基质料颗粒级配优化对浇注料性能的影响选定了尖晶石为主要原料后，为进一步提高耐碱性和强度，实验对基质料进行了颗粒级配优化，优化前后的浇注料性能见图二和表四：图二 表四抗折（MPa）耐压（MPa）坩埚侵蚀深度坩埚渗透深度坩埚外部裂纹情况描述优化前18.511143625有细小的网状裂纹，宽度在0.4mm以下优化后24.82147.52304极少的细小裂纹，宽度在0.3mm以下对基质料进行颗粒级配优化，是当前浇注料技术发展的一个趋势，是进一步提高材料性能的重要措施，通过反复进行级配试验使浇注料更加致密，促进了基质间的原位合成尖晶石反应，增加了结合强度和抗侵蚀性。2.4分散剂的选择及其对浇注料性能的影响分散剂的作用主要是提高浇注料的流动性，减少加水量，分散剂对浇注料性能的影响不仅决定于自身，还决定于其他添加剂及超细粉的性质。在目前理论不多的情况下，是一个实践性较强的工作（3）。我们通过反复试验，在原料和超细粉配方确定的前提下：在不同的温度下，分别选用不同的分散剂用量，加水量5%，就能获得较好的流动性及合适的可工作时间，结果见表五：环境温度TPP%NMP%AB%SV%WB%可工作时间流动值300.120.080.084019810300.080.060.0560220100.140.10.05901853、实际应用研制料通过优化定形后进行了系统测试，结果及与同类产品比较如表六：丹麦HY-1国内某厂研制品化学成分Al2O3 %95%90%Al2O3+ MgO90%MgO %SiO2 %457CaO %0.41.51.9162物理性能抗折11024h1510.215503h2024.4耐压11024h15082.515503h80147.9线变化11003h0.1+0.80.3315503h0.45+0.92-0.4加水量%6.07.05使用寿命4个月左右34个月6个月以上浇注料首先在海螺集团宁国水泥分公司一号生产线（4000t/d）喷煤管上使用，2000年3月5日开始使用，2001年2月29日停用，累计使用时间334天。其后推广到其他生产线应用，均取得了较好效果。根据在多条生产线（包括多家水泥企业日产2000t10000t生产线）近23年检修施工记录统计，使用寿命平均在8个月以上。在喷煤管上使用略好于窑口。使用寿命最长超过12个月，但最短的也有不到6个月的情况。分析原因，施工养护质量是最重要的因素。此外，窑炉设备状态及其工艺稳定性，能否形成稳定牢固的窑皮，窑口护铁结构、窑炉其他因素造成的检修周期变动等因素均有一定影响。与生产线生产能力大小亦有较大关系，但统计结果显示在5000t/d、10000t/d的生产线上的平均使用寿命与在25002000 t/d生产线上的使用寿命相差并不很大。分析认为：前者多是近两年建成的新线，设备工艺较稳定，护铁结构合理，施工养护质量较高。而20002500 t/d生产线多属于投产较