水泥窯篦冷機喉部用長壽耐火材料的研制

摘要：本課題針對水泥窯篦冷機喉部用耐火材料現存問題，通過大量實驗，研制出一種節能復合弧面磚，該制品經過高溫燒結，高溫性能穩定，使得水泥窯篦冷機喉部用耐火材料壽命大大延長。

前言

水泥窯篦冷機喉部所處位置特殊，該部位煙氣含塵量大、含塵顆粒硬度大且溫度高、風速快，對耐火材料的沖刷嚴重；同時煙氣成分復雜，堿侵蝕嚴重、溫度波動大，因此篦冷機喉部磨損嚴重且超溫或燒穿現象十分普遍，該部位耐火材料壽命一般不長^[1,2]。

該部位是連接篦冷機與窯頭罩的一個陽角，目前多數廠家采用的都是以鋁酸鈣水泥為結合劑的高鋁質耐火澆注料，但是使用效果不理想。其原因一是喉部所處位置空間狹小，施工難度大，施工質量難以保證；二是該部位溫度最多不超過1200℃，屬于中低溫，無論是用澆注料還是用預制件，都達不到燒結溫度，形不成致密的陶瓷結合，致使耐火材料很多優異性能體現不出來。圖1是經20-1200℃熱處理后的鋁酸鈣水泥結合的高鋁質澆注料的強度^[3]，從圖中可以看出鋁酸鈣水泥結合澆注料在中低溫下強度明顯降低，這是因為在600℃-900℃之間，鋁酸鈣水泥水化產物已經脫水分解，使得結構變得疏松，AlO(OH)向不定形氧化鋁轉化，而不定形氧化鋁結構疏松排列，顆粒間結合較弱，這就導致CAC結合澆注料中低溫強度低^[3，4]。篦冷機喉部用耐火澆注料施工后，在烘烤過程中，若在700-900℃這個溫度范圍內停留時間過長，由于自身重力等因素，澆注料已經出現裂紋，甚至剝落等情況，因此雖然用很好的耐火原料也達不到理想的使用效果。

圖1經20-1200℃熱處理后的鋁酸鈣水泥結合澆注料的強度^[3]

現在市場上常見的喉部結構有圖2中的三種：直角連接，小斜面連接，90°圓弧連接。結構上從最初的直角連接，改善為目前的圓弧型，目前的結構，風阻小，喉部的風蝕相對減弱，但是由于澆注料在中溫強度衰減的缺點，這三種結構，都無法有效提高篦冷機喉部的使用壽命。

圖2三種常見篦冷機喉部設計方案

基于以上背景下，鄭州瑞泰公司想設計出一款工作端經高溫燒制的節能復合弧面磚來替換耐火澆注料，不僅能夠避免耐火澆注料中低溫強度低，又能在形狀上優化，減少阻力，從而減少高速風砂對喉部耐火材料的沖刷。雖然相比澆注料來說，節能復合弧面磚的成本提高，但是其使用壽命至少是澆注料的2倍，而且可以縮短工期，節能、長壽，能夠為客戶帶來可觀的經濟效益^[5]。

1. 喉部節能復合結構件的制備

1.1原料選擇

(1)碳化硅

碳化硅以其高強度、耐腐蝕、耐磨損、耐高溫等優良性能被廣泛用于磨料、結構陶瓷和耐火材料中^[6,7]，它具有較低的熱膨脹系數（5.0×10^-6K^-1），較高的熱導率[59W/(M.K)]，因此加入碳化硅后可以提高材料的熱震穩定性。由于碳化硅具有瘠水性，能增強顆粒間密實度，其粒度越小，澆注料加水量越少，但是大顆粒碳化硅較比碳化硅細粉更耐磨，基于以上考慮，我們的產品采取兩種粒度碳化硅搭配使用，而且通過我們大量實驗也證實了兩種粒度搭配使用，效果最佳。

(2)紅柱石

紅柱石是一種非常良好的熱穩定、抗熱震和低蠕變鋁硅系耐火原料，紅柱石的摻加，可以使耐火材料的抗蠕變、耐熱震性能得到很大的提高。據研究表明紅柱石與碳化硅配合可制成高熱震穩定性、高隔熱性能、高抗渣侵性能和高荷軟的耐火制品^[8，9]。

綜合考慮最終選用以特級高鋁礬土熟料、97#碳化硅、紅柱石、硅微粉、CA70水泥以及其他添加劑為主要原料，其主要化學組成見表1：

表1原料的化學組成（w）%

1.2生產工藝

試樣的配比見表2。按照表2的配方準確稱料。試樣的制備：先將水按6.5%進行稱量備用，然后將原料按比例倒入塑料袋中預混，混合后的物料在水泥膠砂攪拌機中先干混1min，然后再邊攪拌邊緩慢加入水，再濕混3.5min，倒入模具中振動3min成型，自然養護24h后脫模，在110℃下烘干，烘干后的試樣經高溫燒制。

1.3性能檢測

按GB/T2997-2000檢測顯氣孔率和體積密度，按GB/T5072-2008檢測常溫耐壓強度，按YB/T376.1-1995檢測熱震穩定性（1100℃，水冷），按GB/T14983-2008檢測抗堿性。

2安裝結構

節能復合結構件屬于多組件復合產品，配套組件種類較多，主要組件包括結構件、錨固結構、輕質保溫澆注料、納米保溫板。根據安裝部位尺寸的不同，安裝錨固結構存在一定差異。

3.產品性能優勢

3.1結構優勢

節能復合弧面磚采用多層復合結構，將多種低導熱系數材料復合在一起，起到降低綜合導熱系數的效果，其綜合導熱系數低于0.8W/m·K（1000℃），相比澆注料方案同比條件下可至少降低殼體溫度50℃，通過熱傳導計算公式對比結論見表3.

3.2性能優勢

（1）節能復合弧面磚相比耐火澆注料各方面性能都更優異，性能指標對比表見表4，從表中可以看出節能復合弧面磚具有高強、高致密、高體密、低氣孔的優勢，而且熱震穩定性能極佳。

（2）抗堿侵蝕好

該節能復合弧面磚工作端按GB/T14983-2008檢測其抗堿性，抗堿性實驗后照片如圖6所示，從圖片中可以看出無明顯可見裂紋產生，抗堿性一級。一般情況下氧化鋁含量＜25%的耐火材料，具有較好的抗堿侵蝕性能，但只能承受1200℃的溫度，而氧化鋁含量較高的耐火材料，其耐火度高，但抗堿侵蝕能力較差[7]。但是由于碳化硅與堿反應后，生成一層粘性極高、又無裂紋的保護層，所以碳化硅具有較強的抗堿性能，所以氧化鋁和碳化硅的搭配使用使得高鋁耐堿性耐火材料成為可能。

（3）熱穩定性好

利用做節能復合弧面磚工藝制作標磚，15次循環熱震（水冷）后圖片如圖7所示，從圖中可以看出，標磚表面無大的裂紋，無剝落現象，這說明該喉部節能復合弧面磚具有非常好的抗熱震性能。分析原因可能是配方中大量碳化硅以最優的顆粒級配組合，加上碳化硅在高溫下體積十分穩定，同時加入一定比例的紅柱石，用來吸收制品在高溫下的膨脹量，使得該制品抗熱震性能大幅提高。

參考文獻

【1】張金瑩.耐火預制件在燒成系統改造中的應用[J].新世紀水泥導報，2012，（2）：45-47.

【2】劉敏，周寧生，張三華.不同結合體系剛玉基澆注料的脫水行為【J】.耐火材料，2005,39（3）：176-178.

【3】張佩雄.CAC結合澆注料的中低溫強度與水化物相演變的關系[D].鄭州：河南省資源與材料工業技術研究院，2020：25-27.

【4】李燁,劉坤,丁達飛,王青峰,付曉暉,葉國田.養護溫度對鋁酸鈣水泥結合剛玉質澆注料中溫性能的影響[J].耐火材料,2019,53(05):363-366.

【5】周寧生,胡書禾,張三華.不定形耐火材料發展的新動態[J].耐火材料,2004,38(3):196-203.

【6】魏明坤，張麗鵬等.碳化硅耐火材料的發展與性能[J].硅酸鹽通報，2001,3（6）：36-40.

【7】楊笛，李純等.新型碳化硅耐火材料的研制[J].電力建設，2001,22（2）：42-45.

【8】袁林，陳雪峰劉錫俊.綠色耐火材料[M].北京：中國建材工業出版社，2015：112-113.

【9】杜小衛.硅莫紅磚——耐材中的節能先鋒[N].中國建材報,2010-08-17(001).