水泥窑篦冷机喉部用长寿耐火材料的研制
水泥 郑州瑞泰耐火科技有限公司 李沅锦 侯丹 孟凌霄 郑建立 梁勤君 李炜 2021-12-09
摘要：本课题针对水泥窑篦冷机喉部用耐火材料现存问题，通过大量实验，研制出一种节能复合弧面砖，该制品经过高温烧结，高温性能稳定，使得水泥窑篦冷机喉部用耐火材料寿命大大延长。
前言
水泥窑篦冷机喉部所处位置特殊，该部位烟气含尘量大、含尘颗粒硬度大且温度高、风速快，对耐火材料的冲刷严重；同时烟气成分复杂，碱侵蚀严重、温度波动大，因此篦冷机喉部磨损严重且超温或烧穿现象十分普遍，该部位耐火材料寿命一般不长[1,2]。
该部位是连接篦冷机与窑头罩的一个阳角，目前多数厂家采用的都是以铝酸钙水泥为结合剂的高铝质耐火浇注料，但是使用效果不理想。其原因一是喉部所处位置空间狭小，施工难度大，施工质量难以保证；二是该部位温度最多不超过1200℃，属于中低温，无论是用浇注料还是用预制件，都达不到烧结温度，形不成致密的陶瓷结合，致使耐火材料很多优异性能体现不出来。图1是经20-1200℃热处理后的铝酸钙水泥结合的高铝质浇注料的强度[3]，从图中可以看出铝酸钙水泥结合浇注料在中低温下强度明显降低，这是因为在600℃-900℃之间，铝酸钙水泥水化产物已经脱水分解，使得结构变得疏松，AlO(OH)向不定形氧化铝转化，而不定形氧化铝结构疏松排列，颗粒间结合较弱，这就导致CAC结合浇注料中低温强度低[3，4]。篦冷机喉部用耐火浇注料施工后，在烘烤过程中，若在700-900℃这个温度范围内停留时间过长，由于自身重力等因素，浇注料已经出现裂纹，甚至剥落等情况，因此虽然用很好的耐火原料也达不到理想的使用效果。
图1经20-1200℃热处理后的铝酸钙水泥结合浇注料的强度[3]
现在市场上常见的喉部结构有图2中的三种：直角连接，小斜面连接，90°圆弧连接。结构上从最初的直角连接，改善为目前的圆弧型，目前的结构，风阻小，喉部的风蚀相对减弱，但是由于浇注料在中温强度衰减的缺点，这三种结构，都无法有效提高篦冷机喉部的使用寿命。
图2三种常见篦冷机喉部设计方案
基于以上背景下，郑州瑞泰公司想设计出一款工作端经高温烧制的节能复合弧面砖来替换耐火浇注料，不仅能够避免耐火浇注料中低温强度低，又能在形状上优化，减少阻力，从而减少高速风砂对喉部耐火材料的冲刷。虽然相比浇注料来说，节能复合弧面砖的成本提高，但是其使用寿命至少是浇注料的2倍，而且可以缩短工期，节能、长寿，能够为客户带来可观的经济效益[5]。
1. 喉部节能复合结构件的制备
1.1原料选择
(1)碳化硅
碳化硅以其高强度、耐腐蚀、耐磨损、耐高温等优良性能被广泛用于磨料、结构陶瓷和耐火材料中[6,7]，它具有较低的热膨胀系数（5.0×10-6K-1），较高的热导率[59W/(M.K)]，因此加入碳化硅后可以提高材料的热震稳定性。由于碳化硅具有瘠水性，能增强颗粒间密实度，其粒度越小，浇注料加水量越少，但是大颗粒碳化硅较比碳化硅细粉更耐磨，基于以上考虑，我们的产品采取两种粒度碳化硅搭配使用，而且通过我们大量实验也证实了两种粒度搭配使用，效果最佳。
(2)红柱石
红柱石是一种非常良好的热稳定、抗热震和低蠕变铝硅系耐火原料，红柱石的掺加，可以使耐火材料的抗蠕变、耐热震性能得到很大的提高。据研究表明红柱石与碳化硅配合可制成高热震稳定性、高隔热性能、高抗渣侵性能和高荷软的耐火制品[8，9]。
综合考虑最终选用以特级高铝矾土熟料、97#碳化硅、红柱石、硅微粉、CA70水泥以及其他添加剂为主要原料，其主要化学组成见表1：
表1原料的化学组成（w）%
1.2生产工艺
试样的配比见表2。按照表2的配方准确称料。试样的制备：先将水按6.5%进行称量备用，然后将原料按比例倒入塑料袋中预混，混合后的物料在水泥胶砂搅拌机中先干混1min，然后再边搅拌边缓慢加入水，再湿混3.5min，倒入模具中振动3min成型，自然养护24h后脱模，在110℃下烘干，烘干后的试样经高温烧制。
1.3性能检测
按GB/T2997-2000检测显气孔率和体积密度，按GB/T5072-2008检测常温耐压强度，按YB/T376.1-1995检测热震稳定性（1100℃，水冷），按GB/T14983-2008检测抗碱性。
2安装结构
节能复合结构件属于多组件复合产品，配套组件种类较多，主要组件包括结构件、锚固结构、轻质保温浇注料、纳米保温板。根据安装部位尺寸的不同，安装锚固结构存在一定差异。
3.产品性能优势
3.1结构优势
节能复合弧面砖采用多层复合结构，将多种低导热系数材料复合在一起，起到降低综合导热系数的效果，其综合导热系数低于0.8W/m·K（1000℃），相比浇注料方案同比条件下可至少降低壳体温度50℃，通过热传导计算公式对比结论见表3.
3.2性能优势
（1）节能复合弧面砖相比耐火浇注料各方面性能都更优异，性能指标对比表见表4，从表中可以看出节能复合弧面砖具有高强、高致密、高体密、低气孔的优势，而且热震稳定性能极佳。
（2）抗碱侵蚀好
该节能复合弧面砖工作端按GB/T14983-2008检测其抗碱性，抗碱性实验后照片如图6所示，从图片中可以看出无明显可见裂纹产生，抗碱性一级。一般情况下氧化铝含量＜25%的耐火材料，具有较好的抗碱侵蚀性能，但只能承受1200℃的温度，而氧化铝含量较高的耐火材料，其耐火度高，但抗碱侵蚀能力较差[7]。但是由于碳化硅与碱反应后，生成一层粘性极高、又无裂纹的保护层，所以碳化硅具有较强的抗碱性能，所以氧化铝和碳化硅的搭配使用使得高铝耐碱性耐火材料成为可能。
（3）热稳定性好
利用做节能复合弧面砖工艺制作标砖，15次循环热震（水冷）后图片如图7所示，从图中可以看出，标砖表面无大的裂纹，无剥落现象，这说明该喉部节能复合弧面砖具有非常好的抗热震性能。分析原因可能是配方中大量碳化硅以最优的颗粒级配组合，加上碳化硅在高温下体积十分稳定，同时加入一定比例的红柱石，用来吸收制品在高温下的膨胀量，使得该制品抗热震性能大幅提高。
参考文献
【1】张金莹.耐火预制件在烧成系统改造中的应用[J].新世纪水泥导报，2012，（2）：45-47.
【2】刘敏，周宁生，张三华.不同结合体系刚玉基浇注料的脱水行为【J】.耐火材料，2005,39（3）：176-178.
【3】张佩雄.CAC结合浇注料的中低温强度与水化物相演变的关系[D].郑州：河南省资源与材料工业技术研究院，2020：25-27.
【4】李烨,刘坤,丁达飞,王青峰,付晓晖,叶国田.养护温度对铝酸钙水泥结合刚玉质浇注料中温性能的影响[J].耐火材料,2019,53(05):363-366.
【5】周宁生,胡书禾,张三华.不定形耐火材料发展的新动态[J].耐火材料,2004,38(3):196-203.
【6】魏明坤，张丽鹏等.碳化硅耐火材料的发展与性能[J].硅酸盐通报，2001,3（6）：36-40.
【7】杨笛，李纯等.新型碳化硅耐火材料的研制[J].电力建设，2001,22（2）：42-45.
【8】袁林，陈雪峰刘锡俊.绿色耐火材料[M].北京：中国建材工业出版社，2015：112-113.
【9】杜小卫.硅莫红砖——耐材中的节能先锋[N].中国建材报,2010-08-17(001).
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