重烧镁砂竖窑烧成带防粘结耐火材料的选择
发布日期： 2020-01-10 14:14:13 阅读量（813） 作者：刘梓明重烧镁砂产量占镁质耐火原料的40%以上，在菱镁产仆中具有重要地位。目前，我国重烧镁砂主要由竖窑锻烧生产。在利用竖窑煅烧重烧镁砂过程中，由于燃料、原料分布不均匀，窑体周边气体阻力小，而使窑壁温度过高，导致菱镁矿分解、热压产生的小颗粒在原料中的杂质、燃料中的灰分作用下，不断粘结在窑壁耐火材料表面，严重时出现“粘窑”事故。处理粘窑事故时间长，影响正常生产，恢复生产浪费大量原料和能源。为了避免粘窑发生，生产厂家普遍采用降低锻烧温度方法，这也是目前重烧镁砂质量严重下降的主要原因。为了在保证煅烧温度前提下解决粘窑问题，本研究选择4种碱性烧成耐火材料与菱镁矿在1700℃×3h温度和0.2MPa压力下进行粘结试验，结果表明：与其他3种耐火材料相比，电熔再结合镁铬砖与菱镁矿反复进行10次试验均未发生粘结。该项研究成果已经应用在年产8万吨火型重烧镁砂竖窑烧成带用耐火材料的设计中。
1、试验
1.1试验用菱镁矿及碱性烧成耐火材料
取具有代表性的菱镁矿及高纯镁砖、镁锆砖、直接结合镁铬砖、电熔再结合镁铬砖。其化学组成见表1。
表1制品的化学组成
1.2试验过程
将4种碱性烧成耐火材料分别制成φ100mm×30mm的圆柱形垫片，把φ50mm×50mm的菱镁矿试样放在其表面后放入自制专用竖式高温炉内，在0.2MPa的压力下，以5℃/min升温至1700℃并且保温3h，自然冷却后观察两者发生粘结程度。采用荷兰帕纳科公司生产的X’PertPowder型X射线衍射仪Cu靶，λ为0.15406nm，电压40kV，电流40mA，扫描速度10°/min，步长0.01°，扫描范围20=10°~90°)分析发生粘结处的物相组成;采用FEI公司生产的Quanta Inspect型钨灯丝扫描电子显微镜观察试样及耐火材料的显微结构并对高纯镁砖粘结处进行面扫描分析。
2、结果与讨论
2.1菱镁矿试样与碱性烧成耐火材料粘结性试验结果
在实验室利用自制的专用设备，模拟竖窑烧成带耐火材料与煅烧菱镁矿粘结实验，结果见图四种耐火材料中，电熔再结合镁铬砖反复的进行了10次试验均未发生粘结，而其他3种耐火材料在第一次试验均发生了不同程度的粘结现象。
图1四种碱性烧成耐火材料与菱镁矿(镁砂)粘结试验照片
(a)高纯镁砖;(b)直接结合镁铬砖;(c)镁锆砖;(d)电熔再结合镁铬砖
2.2试验后菱镁矿(镁砂)试样与四种碱性烧成耐火材料显微结构
图2为菱镁矿(镁砂)1700℃×3h试验后的SEM图片。可以看出在热压条件下，试样内部产生较大的裂纹，方镁石晶粒发育良好，晶界间存在液相，经对a点EDS分析，液相为CMS(钙镁橄榄石)。
图2菱镁矿(镁砂)1700℃×3h试验后的SEM图片
从图3中看出：除电熔再结合镁铬砖外，其他3种碱性烧成耐火材料内部晶粒与晶粒之间均明显存在被液相分割的现象。经对1、2、3点EDS分析，液相矿物組成接近CMS钙镁橄榄石)相组成。电熔再结合镁铬砖由于采用电熔镁铬砂为原料，经1800℃以上高温烧成制得，其内部方镁石、镁铬尖晶石等矿物呈直接结合状态，晶体发育完整，晶粒尺寸大，晶界数量相对较少，未见晶界间存在低熔矿相。
图3粘结试验后四种碱性烧成耐火材料的SEM图
(a) 高纯镁砖;(b)直接结合镁铬砖;(c)镁锆砖;(d)电熔再结合镁铬砖
在所选择的4种耐火材料中，高纯镁砖粘结最严重，对其粘结处进行了面扫描与XRD物相分析，结果如图4、图5所示。
图4高纯镁砖与菱镁矿(镁砂)粘结处的面扫描图
图5 高纯镁砖与菱镁矿(镁砂)粘结处的XRD图谱
从面扫描图中可以看出：ca与Si元素在接缝处比较集中，并且二者位置大概相同，XKD图谱中显示SiO2与CaO己经与MgO反应生成CMS(钙镁橄榄石)等杂质矿物。
通常处于晶界处的原子位能总高于正常晶格上的原子，它们扩散所需的活化能也较小，相应的扩散系数较大。因此，处在菱镁矿(镁砂)晶界处的CaO、SiO2、CMS等杂质容易发生扩散现象。由于在高温与载荷的共同作用下：一方面，根据公式D=D0exp(-Q/RT](D:扩散系数;T：温度)可知，随着温度的升高，相应的扩散系数增大，扩散激活能减小。因此温度升高有助于杂质扩散至接缝处。另一方面，菱镁矿(镁砂)受到压力的作用，方镁石晶粒与晶粒之间由于液相的存在发生滑移，晶粒被挤压，部分液相也会随之被挤压至接缝处。此时存在于菱镁矿(镁砂)与制品之间的液相会同时沿着菱镁矿(镁砂)与制品表面的裂纹及晶界渗入，这时液相作为一个整体起到钉扎作用，将菱镁矿(镁砂)与制品紧密连接起来。所以杂质较多的高纯镁砖、直接结合镁铬砖与镁锆砖容易发生粘结现象。
电熔再结合镁铬砖由于结构致密、晶界数量少，杂质含量少，髙温时产生的液和量和对较少，其在RH炉、AOD炉、VOD炉、重烧镁砂窑及混铁炉等设备上广泛使用即使菱镁矿(镁砂)中的杂质扩散至砖表面，也很难渗入电熔再结合镁铬砖的晶界中，相反可能在电熔再结合镁铬砖表面形成一层液相膜，高温下成为润滑剂，加快了菱镁矿(镁砂)与电熔再结合镁铬砖的脱离，因此不易发生粘窑现象。
3、结论
1)在高温及载荷的共同作用下，高纯镁砖、直接结合镁铬砖与镁锆砖存在大量晶界，并且SiO2与CaO等杂质集中在晶界中。菱镁矿(镁砂)中杂质在高温、高压作用下扩散至砖表面并与砖中的杂质发生反应，导致粘结现象的发生;
2)由于电熔再结合镁铬砖的晶粒大，晶界少，使得菱镁矿(镁砂)中的杂质很难渗入其内部，电熔再结合镁铬砖具有抗粘结能力强的特性，是重烧镁砂竖窑烧成带耐火材料的理想选择。
作者：张丹丹李志坚吴锋
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