水泥窑用浇注料研制应用

发布时间：2015/6/2 16:11:03

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3~4个月，影响了该窑效益的发挥，成了急需解决的关键。

一、研制过程

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，也使水泥窑用浇注料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磨浇注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。

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）先需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	Al₂O₃	MgO	SiO₂	CaO	Fe₂O₃	R₂O
尖晶石颗粒	73.04	23.11	0.49	2.74	0.22	-
尖晶石细粉	73.52	23.06	0.51	2.62	0.28	-
uf-α -Al₂O₃	99.27	-	0.21	-	0.02	0.31
纯铝酸钙水泥	75.31	-	-	23.03	-	-

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40×40×160标准试块，测冷态抗折、耐压强度。

流动度采用圆台形模具￠100×￠70×50，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，确定理想颗粒级配，按骨料（W）：粉料（W）=65；35配料。临界颗粒，窑口浇注料在12~15mm之间，喷煤管在5~8 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。

二、试验结果与分析

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，110℃×24h烘干，装入碱性侵蚀剂于1550℃×3h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，观察和测量结果见表二：

	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	3~6	2~5	有细小的网状裂纹，宽度在0.5mm以下
电熔白刚玉	8~12	6~10	严重裂开，宽度在2mm左右
电熔镁砂	7~10	5~9	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。其他条件不变的制成试样，经热处理后，测冷态残余抗折强度，结果如表三：

加入量	0	a-2	a	a+2
热震前抗折强度Mpa	13.62	13.6	15.32	12.75
十次热震后残余抗折强度	3.95	4.67	6.8	5.2
保持率（%）	29	34.34	44.39	40.78

从上述结果看，加ZrO₂明显好于不加ZrO₂，加入量以a为推荐。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。

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	18.51	114	3~6	2~5	有细小的网状裂纹，宽度在0.4mm以下
优化后	24.82	147.5	2~3	0~4	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。

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
≥30℃	0.12	0.08	0.08	—	—	40	198
10~30℃	0.08	0.06	—	—	0.05	60	220
≤10℃	0.14	0.1	—	—	0.05	90	185

3、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+ MgO ≥90%
	MgO %		—	—	Al₂O₃+ MgO ≥90%
	SiO₂%		~4	5~7	—
	CaO %		~0.4	1.5~1.9	1~62
物理性能	抗折	110℃×24h	—	15	10.2
	抗折	1550℃×3h	20	—	24.4
	耐压	110℃×24h		150	82.5
	耐压	1550℃×3h	80	—	147.9
	线变化	1100℃×3h	0.1	+0.8~0.33	—
	线变化	1550℃×3h	0.45	+0.92	-0.4
加水量%			—	6.0~7.0	~5
使用寿命			4个月左右	3~4个月	6个月以上

浇注料先在郑州荣盛窑炉耐火材料有限公司一号生产线（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2000t~10000t生产线）近2~3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。使用寿命长超过12个月，但短的也有不到6个月的情况。分析原因，施工养护质量是重要的因素。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2500~2000 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2000~2500 t/d生产线多属于投产较早的老生产线，多种因素造成检修周期和检修时间缩短，浇注体养护时间不足等均会影响使用寿命。若就同等情况比较，在2000~2500 t/d生产线上的使用寿命明显优于5000~10000 t/d生产线上的使用寿命。

观察可见总的情况较好，喷煤管主要是下部砂尘气流冲刷磨损。窑口局部热震及机械应力形成裂纹破损，适当修补仍可再用。

4、结语：

纯铝酸钙水泥结合电熔尖晶石浇注料耐碱性强、抗结皮，比较适合大型水泥预分解窑窑口、喷煤管恶劣的工作环境下使用。通过合理的颗粒级配优化，辅以合适的分散剂、增韧剂和超微粉，使用寿命可达8个月以上。

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