水泥窯用澆注料研製應用

發布時間：2015/6/2 16:11:03

大型水泥預分解窯（以下稱該窯），是近幾年來水泥工業大力發展的主流設備，該設備不僅工藝先進、節能、節材，而且勞動生產率很高。目前，日產10000t的生產線已有多條建成投產。先進的工藝設備在帶來高效益的同時，對耐火材料也提出了新要求。特別在窯口、噴煤管部位，耐火材料的工作環境更惡劣。現用材料（包括某些進口材料）一般壽命隻有3~4個月，影響了該窯效益的發揮，成了急需解決的關鍵。

一、研製過程

1使用條件及損毀機理分析。

該窯采用了多項先進工藝和強化煆燒工藝，如餘熱利用，原材料和二次風預熱，提高了窯體轉速、加大噴煤量、提高產量等，這些措施既提高了該窯的熱利用率和生產效率，也使水泥窯用澆注料窯內耐火材料工作條件更為惡化。主要有：堿、氯、硫等有害物質被富集，濃度提高、化學侵蝕嚴重；窯內火焰溫度相對較高、波動較大、熱應力增加；在窯口和噴煤管部位每天成千上萬噸熟料和大量燃料通過，造成機械磨損和粉塵氣流衝刷；窯體轉速加快、噴煤量加大，均造成振動和機械應力破壞。從現場使用情況和退出使用的耐磨澆注料損毀情況觀察分析，也主要表現為堿裂、熱應力剝落、機械應力損毀和磨損。

2原材料選擇。

通過觀察分析，窯口、噴煤管澆注料（以下稱澆注料）先需有良好的化學穩定性，特別是耐堿侵蝕性；其次是強度高、抗熱震性要好。通過篩選，我們初步選定電熔尖晶石為主要原料。為了提高結合強度，我們增加了超細粉，為了進一步提高澆注料密度和可施工性，我們使用了高效分散劑，減少了加水量。

主要原料的化學成份如表一：

原料	Al₂O₃	MgO	SiO₂	CaO	Fe₂O₃	R₂O
尖晶石顆粒	73.04	23.11	0.49	2.74	0.22	-
尖晶石細粉	73.52	23.06	0.51	2.62	0.28	-
uf-α -Al₂O₃	99.27	-	0.21	-	0.02	0.31
純鋁酸鈣水泥	75.31	-	-	23.03	-	-

3試樣製備和性能測試。

耐堿性試驗采用靜態坩堝法，試後切開，直接觀察測量侵蝕情況和尺寸。

抗熱震測試采用1100℃→水冷，十次後測試樣的殘餘抗折強度及強度保持率。

強度測試采用40×40×160標準試塊，測冷態抗折、耐壓強度。

流動度采用圓台形模具￠100×￠70×50，模子置於振動台上，放上澆注料後脫除模具，振動20秒（振動流動），測試料餅直徑作為流動值指標（單位mm）。

配方設計時顆粒級配依據Andreassen公式，CFPT/100=（L/Lm）^q。q=0.25、0.27、0.29、0.31分別試驗，通過緊密堆積試驗，確定理想顆粒級配，按骨料（W）：粉料（W）=65；35配料。臨界顆粒，窯口澆注料在12~15mm之間，噴煤管在5~8 mm之間選擇（根據澆注料實際厚度調整）。在作某項對比實驗時，隻改變需要比較的部分，其他條件相對固定，進行對比實驗。

二、試驗結果與分析

1耐堿性試驗：

取尖晶石、電熔鎂砂、白剛玉三種原料采用相同的粒度組成和工藝，分別製成規格相同的坩堝，經養護，110℃×24h烘幹，裝入堿性侵蝕劑於1550℃×3h處理（堿性侵蝕配方：水泥熟料：硫酸鉀：煤粉=35：60：5），隨爐冷卻後取出，從中間切開，觀察和測量結果見表二：

	坩堝侵蝕深度	坩堝滲透深度	坩堝外部裂紋情況描述
電熔尖晶石	3~6	2~5	有細小的網狀裂紋，寬度在0.5mm以下
電熔白剛玉	8~12	6~10	嚴重裂開，寬度在2mm左右
電熔鎂砂	7~10	5~9	有較多有網狀裂紋，寬度在1mm左右

試驗結果表明：尖晶石料明顯優於白剛玉和電熔鎂砂。進一步的分析可知，白剛玉在高溫強堿作用下，Al₂O₃和R₂O會發生反應生成R₂O.11 Al₂O₃，產生較大體積膨脹，造成所謂“堿裂”。而電熔鎂砂主要是易水化和抗熱震能力很差，易形成氣孔和裂紋，造成坩堝密度較低，另外電熔鎂砂不易與堿性物質反應形成高粘度的熔融物，阻止堿性物質侵蝕。所以堿性熔融物質容易滲透。尖晶石材料具有憎堿性，堿性熔融物對其浸潤性很弱，故不易發生堿侵蝕和滲透。

2增韌劑對澆注料性能的影響

為了提高澆注料的抗熱震性能，我們利用微裂紋增韌機製。即在澆注料中加入了ZrO₂細粉（＜0.074mm），加入量分別為a-2，a，a+2。其他條件不變的製成試樣，經熱處理後，測冷態殘餘抗折強度，結果如表三：

加入量	0	a-2	a	a+2
熱震前抗折強度Mpa	13.62	13.6	15.32	12.75
十次熱震後殘餘抗折強度	3.95	4.67	6.8	5.2
保持率（%）	29	34.34	44.39	40.78

從上述結果看，加ZrO₂明顯好於不加ZrO₂，加入量以a為推薦。ZrO₂的微裂紋增韌作用已被多方應用實踐所證明（2）。我們的試驗，主要是選一個合適的加入量，加入量過多則形成的微裂紋可能會聚集，形成較大裂紋，使澆注料強度降低過多，且對增韌不利。所以選擇ZrO₂為增韌劑，除考慮增韌效果外，ZrO₂很強的抗化學侵蝕能力也是重要因素，即加入ZrO₂增韌後，在增韌的同時，不會降低澆注料的抗侵蝕性能。

3基質料顆粒級配優化對澆注料性能的影響

選定了尖晶石為主要原料後，為進一步提高耐堿性和強度，實驗對基質料進行了顆粒級配優化，優化前後的澆注料性能見表四：

	抗折（MPa）	耐壓（MPa）	坩堝侵蝕深度	坩堝滲透深度	坩堝外部裂紋情況描述
優化前	18.51	114	3~6	2~5	有細小的網狀裂紋，寬度在0.4mm以下
優化後	24.82	147.5	2~3	0~4	極少的細小裂紋，寬度在0.3mm以下

對基質料進行顆粒級配優化，是當前澆注料技術發展的一個趨勢，是進一步提高材料性能的重要措施，通過反複進行級配試驗使澆注料更加致密，促進了基質間的原位合成尖晶石反應，增加了結合強度和抗侵蝕性。

4分散劑的選擇及其對澆注料性能的影響

分散劑的作用主要是提高澆注料的流動性，減少加水量，分散劑對澆注料性能的影響不僅決定於自身，還決定於其他添加劑及超細粉的性質。在目前理論不多的情況下，是一個實踐性較強的工作^（³^）。我們通過反複試驗，在原料和超細粉配方確定的前提下：在不同的溫度下，分別選用不同的分散劑用量，加水量≤5%，就能獲得較好的流動性及合適的可工作時間，結果見表五：

環境溫度	TPP%	NMP%	AB%	SV%	WB%	可工作時間	流動值
≥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、實際應用

研製料通過優化定形後進行了係統測試，結果及與同類產品比較如表六：

			丹麥HY-1	國內某廠	研製品
化學成分	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
	耐壓	110℃×24h		150	82.5
	耐壓	1550℃×3h	80	—	147.9
	線變化	1100℃×3h	0.1	+0.8~0.33	—
	線變化	1550℃×3h	0.45	+0.92	-0.4
加水量%			—	6.0~7.0	~5
使用壽命			4個月左右	3~4個月	6個月以上

澆注料先在鄭州榮盛窯爐耐火材料有限公司一號生產線（4000t/d）噴煤管上使用，2000年3月5日開始使用，2001年2月29日停用，累計使用時間334天。其後推廣到其他生產線應用，均取得了較好效果。根據在多條生產線（包括多家水泥企業日產2000t~10000t生產線）近2~3年檢修施工記錄統計，使用壽命平均在8個月以上。在噴煤管上使用略好於窯口。使用壽命長超過12個月，但短的也有不到6個月的情況。分析原因，施工養護質量是重要的因素。此外，窯爐設備狀態及其工藝穩定性，能否形成穩定牢固的窯皮，窯口護鐵結構、窯爐其他因素造成的檢修周期變動等因素均有一定影響。與生產線生產能力大小亦有較大關係，但統計結果顯示在5000t/d、10000t/d的生產線上的平均使用壽命與在2500~2000 t/d生產線上的使用壽命相差並不很大。分析認為：前者多是近兩年建成的新線，設備工藝較穩定，護鐵結構合理，施工養護質量較高。而2000~2500 t/d生產線多屬於投產較早的老生產線，多種因素造成檢修周期和檢修時間縮短，澆注體養護時間不足等均會影響使用壽命。若就同等情況比較，在2000~2500 t/d生產線上的使用壽命明顯優於5000~10000 t/d生產線上的使用壽命。

觀察可見總的情況較好，噴煤管主要是下部砂塵氣流衝刷磨損。窯口局部熱震及機械應力形成裂紋破損，適當修補仍可再用。

4、結語：

純鋁酸鈣水泥結合電熔尖晶石澆注料耐堿性強、抗結皮，比較適合大型水泥預分解窯窯口、噴煤管惡劣的工作環境下使用。通過合理的顆粒級配優化，輔以合適的分散劑、增韌劑和超微粉，使用壽命可達8個月以上。

行業動態