方镁石复合尖晶石砖热震稳定性以及抗侵蚀能力的研究
发布日期： 2019-06-21 09:59:46 阅读量（406） 作者：刘梓明为了提高尖晶石质耐火材料的热机械性能，上世纪50年代日本学者通过将预反应尖晶石原料加入到高纯致密镁砂中制成尖晶石砖，提高了材料中的尖晶石含量，但是它的抗碱蒸气侵蚀性能以及熟料液相渗透性能较差，仅仅部分替代了镁铬砖。90年代以后，奥地利奥美公司(RHI)通过引入一部分尖晶石骨料以代替镁砂骨料，制备了新一代方镁石复合尖晶石砖，这种材料在抗碱性物质侵蚀、抗热震性以及抵抗热应力方面的能力优于镁铬砖，成功地取代了镁铬砖并成为水泥回转窑过渡带主流的窑衬耐火材料之一。
为了进一步提高方镁石复合尖晶石砖在水泥回转窑的使用寿命，近几年众多学者针对其热震稳定性以及抗侵蚀能力等方面做了大量研究工作。
(1) 热震稳定性
水泥回转窑服役过程中，水泥物料会随着窑体不停回转，导致窑衬的温度也发生周期性的温度波动。在这种工况条件下，耐火材料也会受到频繁的热冲击作用。目前提高耐火材料热震稳定性的方法主要有：(1)提高材料的强度，降低材料的弹性模量，从而提高材料的韧性;(2)提高材料的导热系数;(3)降低材料的热膨胀系数等。
通常，提高方镁石-尖晶石质耐火材料的热震稳定性往往是通过提高其韧性达到的。Goski等、Gelbmann等将复合尖晶石、镁铝尖晶石以及铁铝尖晶石引入到方镁石基耐火材料之中，考察了尖晶石种类对材料弹性模量的影响。结果表明，方镁石-复合尖晶石材料在各温度下的弹性模量都明显低于方镁石-镁铝尖晶石和方镁石-铁铝尖晶石材料。含复合尖晶石的材料在高温劈裂实验中展现出了更强的断裂能，其在服役过程中的抗剥落性能也明显提高。除了引入尖晶石之外，在耐火材料中添加一定含量的ZrO2，利用其相变增韧的作用也可以实现提高材料热震稳定性的目的。例如，Baris等、Cemail等通过引入ZrSiO4，考察了ZrSiO4对方镁石-尖晶石材料力学性能的影响(图1)。结果表明纯镁质耐火材料呈典型的脆性断裂(图1a)，其断口形貌也发现穿晶断裂现象(图1b)。引入ZrSiO4后材料的韧性增加(图1c)，试样断口形貌也发现沿晶断裂和穿晶断裂两种断裂形式，MgO晶粒被ZrO2包裹时有效阻止并限制了裂纹的扩展(图1.5d)。
图 1 不同材料的载荷-位移曲线以及断口形貌
a) 镁质材料载荷-位移曲线;(b) 镁砖断口形貌; (b) 方镁石-尖晶石-锆英石载荷位移曲线; (d) 方镁石-尖晶石-锆英石材料断口形貌
(2) 抗侵蚀性能
作为过渡带的窑衬耐火材料，方镁石-尖晶石耐火材料还会遭受到碱盐和水泥熟料的严重的侵蚀。为此，国内学者对方镁石-尖晶石材料的在水泥回转窑中的侵蚀机理进行了较为全面的分析。西安建筑科技大学师素环等、章道运等的研究表明，水泥熟料中的氧化钙能够渗透到镁铝尖晶石耐火材料内部并与材料中的Mg2SiO4发生反应生成低熔点的液相，在水泥回转窑料磨损以及热震等共同作用下，热面逐渐发生剥落;碱盐则以气相或液相形式渗透到耐火材料气孔中并在冷面沉积，使材料出现体积膨胀最终导致并开裂及剥落。武汉科技大学刘光平等的研究表明，碱盐对方镁石-尖晶石耐火材料的侵蚀行为与碱盐自身的化学组成有关，碱盐中阳离子含量的增加可以加速对耐火材料的渗透，在这种情况下碱盐会大量富集在材料的气孔之中，对材料中的结合相造成侵蚀;而当阴离子含量增加时则会加速水泥熟料对材料的侵蚀。
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