煤矸石在高強耐堿澆注料中的應用研究

近年來，種種原因造成的幹法水泥窯內預熱器、篦冷機及窯頭罩內的堿富集越來越嚴重，其內耐火材料被堿、氯、硫等成分侵蝕後會形成堿裂，被煙氣衝刷後很容易剝落，嚴重影響了水泥窯係統的安全穩定運轉。因此，研製性能優異的耐堿澆注料對水泥工業的發展具有非常重要的意義。

煤矸石在高強耐堿澆注料中的應用研究

煤矸石是采煤和洗煤過程中排出的固體廢棄物，通常棄置不用，占用大片土地。煤矸石中的硫化物逸出或浸出會汙染大氣、農田和水體，而且矸石山還會自燃發生火災，或在雨季崩塌，淤塞河流造成災害。為了消除汙染，我國自上世紀60年代起，開始對煤矸石加以處理和利用。煤矸石的主要化學成分是鋁矽係，特別是豐富的矽含量，使其可用在耐堿澆注料中。目前，煤矸石作為一種耐火原料的骨料用於製備水泥窯用高強耐堿澆注料還未見報道。本文將燒後的煤矸石破碎成顆粒作為骨料，替代焦寶石顆粒來研製新型耐堿澆注料，並取得了理想的效果。

實驗

1.原料

以燃燒後的煤矸石（0mm~8mm）和焦寶石（0mm~8mm）為骨料；以矽微粉、焦寶石微粉，軟質粘土粉為基質， C50-G7鋁酸鈣水泥為結合劑，三聚磷酸鈉為分散劑，主要原料的化學組成見表1。

2.實驗方案

固定基質的種類和加入量，固定結合劑用量，隻改變骨料的種類，研究煤矸石替代焦寶石後對澆注料性能的影響。本實驗所用原料配比見表2。

3.性能檢測

按照表2的配方準確稱量所需原料，然後各加入0.3％的三聚磷酸鈉分散劑，加水後攪拌均勻，然後放入模具中，在振動台上振動成型，製成40mm×40mm×160mm的樣塊，自然養護24h後脫模，經110℃24h烘幹後，再在1000℃3h條件下處理，測定試樣的體積密度、顯氣孔率，以及烘幹及燒後的冷態強度。

將材料製成70mm×70mm×70mm且成型麵具有Φ22mm×25mm圓孔的坩堝並烘幹，稱取14g無水碳酸鉀置於圓孔內，用50mm×50mm×6mm的蓋子蓋好，置於加熱爐中，以6℃/min的升溫速率升溫至1100℃，並保溫5h。自然隨爐冷卻後將坩堝切開觀察澆注料的堿侵蝕情況。
結果與分析

1.物理性能結果分析

采用焦寶石骨料和煤矸石骨料的試樣的常溫性能指標對比見表3。由表3可知，在110℃烘幹後，用煤矸石做骨料的樣品的顯氣孔率略低於焦寶石做骨料的樣品，而體積密度和常溫強度則略高。這主要是由於煤矸石骨料的顆粒形貌優於焦寶石，更利於顆粒的緊密堆積所致。

在1100℃煆燒後，樣品的顯氣孔率均有所增大，而體積密度則均有所降低，這主要是由於鋁酸鹽水泥水化產物脫水所致。煆燒後樣品的耐壓強度有所降低，而抗折強度則有所提高。耐壓強度的降低主要是由於材料脫水後孔隙率增大所致，而抗折強度的增大主要是澆注料基質中的粘土開始燒結，有部分莫來石晶粒開始形成，對澆注料起到了明顯的強化和韌化作用，有利於提高試樣的力學性能。采用煤矸石做骨料的樣品常溫力學性能優於焦寶石骨料的樣品，則可能是煤矸石骨料的反應活性高於焦寶石骨料，基質部分與骨料間的反應結合更牢固所致。

2.耐堿實驗結果分析

兩組試樣做完耐堿實驗後的坩堝切開見下圖。對比下麵的照片可以看出，兩個試樣經過高溫堿侵蝕後均沒有出現明顯可見的裂紋，說明兩個樣品均具有優良的耐堿性能。2#坩堝（煤矸石）孔邊緣比1#坩堝（焦寶石）孔邊緣更平直、更清晰、侵蝕更少，說明采用煤矸石做骨料的坩堝耐堿性更佳。煤矸石相對於焦寶石而言，具有更高的SiO2含量，SiO2含量的提高有利於改善材料的耐堿性能。原因可能是堿氣與澆注料中高SiO2含量的原料反應生成KAS4和KAS6，這些堿鋁矽化合物呈玻璃熔融體，形成較致密的結構，阻止了堿的進一步侵蝕，從而保護了耐火材料。

綜上所述，可以得出以下結論：一是煤矸石的應用，明顯減低了澆注料的顯氣孔率，提高了澆注料的110℃和1100℃的燒後強度；二是相對焦寶石而言，采用煤矸石做骨料的澆注料具有更優異的耐堿性能；三是煤矸石可以作為耐堿澆注料的骨料，資源綜合利用。