原料种类不同对水泥回转窑用尖晶石砖性能的影响
发布日期： 2020-10-15 10:15:06 阅读量（412） 作者：使用原料种类不同的尖晶石砖，进行了抗碱性、抗硫性、抗热震性和抗侵蚀性试验。试验结果表明，只使用海水氧化镁的尖晶石砖B，在抗碱性、抗硫性、抗热震性和抗侵蚀性方面性能优越，但抗浸透性和抗结构剥落性差。使用天然氧化镁和海水氧化镁的尖晶石砖C，呈现介于尖晶石砖A和尖晶石砖B的中间性能，在抗浸透性和抗结构剥落性方面有良好的效果。
水泥回转窑在废弃物的烧成处理、副产物的有效利用、循环利用等保护地球环境和构筑循环型社会中发挥着很大作用，然而，对于所使用的耐火材料而言，却处于未曾有的苛刻状况。从烧成带到出料带的区域，以前一直使用尖晶石砖。但是由于各种废弃物处理量的增加，发现碱和硫的影响增强，随着操作条件的变化，砖的损毁形态发生变化。
本文着眼于尖晶石砖所使用的氧化镁原料，研究了不同原料种类产生的性能差异对其耐用性的影响。
2.1使用原料的组成本项研究所使用的氧化镁和尖晶石原料的成分列于表1。氧化镁原料是高纯度天然氧化镁、高纯度海水氧化镁，尖晶石原料是烧结尖晶石。原料粒度最大5mm。
表1原料的化学成分
2.2试制砖的性能
试制的尖晶石砖对粗粒、中间粒和微粉的粒度比例做了统一，尖晶石原料的种类、使用粒度和使用比例进行了固定。表2列出了试制的各尖晶石砖的性能:
1)在氧化镁原料中只使用天然氧化镁的尖晶石砖A;
2)在氧化镁原料中只使用海水氧化镁的尖晶石砖B;
3)在氧化镁原料中采用天然氧化镁和海水氧化镁各50%的尖晶石砖C。
表2尖晶石砖的技术参数
2.3抗碱性
2.3.1试验方法
图1示出了抗碱性试验简图。在边长为65mm的四方形的试制砖中央，用钻孔机钻开一个Ф30mm×30mm的孔，制作坩埚，作为试样。将26g氯化钾投入到坩埚中作为碱盐侵蚀材料，使用相同种类的试制砖加盖，之后在电炉中加热。试验条件是:使氯化钾液化，浸透到坩埚内，然后使炉内的温度上升，使氯化钾气化。为此，首先将坩埚加热到800℃保持10h，使氯化钾液化，并浸透到坩埚内。之后再加热到1500℃保持3h，使氯化钾气化。加热后，自然冷却至室温，再加入氯化钾，进行同样的加热处理。将这种操作反复20次后，将坩埚在中央切断，用扫描电子显微镜(SEM)观察横截面。
图1抗碱性试验概要
2.3.2试验结果
与尖晶石砖A相比，尖晶石砖B、C在高温下氯化钾气化后组织松弛少。另外因为尖晶石砖A使用杂质多的天然氧化镁作为原料，经过反复的热处理，组织产生松弛，而且还由于投入氯化钾，助长了组织破损。
2.4抗硫性
2.4.1试验方法
与抗碱性试验一样，用试制砖制作了坩埚，简图示于图2。这里所用的硫成分是将硫酸钙与鳞状石墨以3∶1重量比混合而成的，将该混合物12g投入到制作的坩埚中。然后，将切割成65mm四方形的试制砖设置在坩埚上。设置时要注意坩埚部分要埋入鳞状石墨中，用电炉加热到1200℃保持5h。加热后，自然冷却至室温，再加入硫酸钙和鳞状石墨的混合物，进行上述同样的热处理。将这种操作反复20次后，将设置在坩埚上的试制砖从中央切割，用SEM观察横截面。
2.4.2试验结果
试验结果示于图3。图3中示出的各试样的SEM图像中的A～E各点的化学成分列于表3。所有的试制砖中均发现了CaSO4，但与尖晶石砖A相比，尖晶石砖B、C的CaSO4要少。试制砖在组织中含有CaO杂质。在工业炉中，该CaO与还原气氛气化的SO3反应，CaO从工作面一侧砖组织中释放出来，在工作面深处生成CaSO4。此时，由于CaO从组织中去除，产生组织破坏，工作面一侧产生组织脆化。而且在工业炉使用时，砖要承受更高温的条件。因此，推测砖组织内生成的CaSO4被分解，从组织中消失，此时砖组织被破坏。尖晶石砖A与其他试样砖相比，发现杂质含CaO多，与还原气氛生成的SO3反应生成的CaSO4也多，由此推测在工业炉的温度条件下，发生CaSO4的生成、分解，组织破损。据此可以确认，在高硫区域，砖组织中CaO成分少的砖不易受硫的影响。
图2抗硫性试验概要
表3抗硫性试验后尖晶石砖基质的化学成分
图3抗硫性试验结果
2.5抗热剥落性
2.5.1试验方法
抗热剥落性试验方法示于图4。首先，将各试样切割成230mm×114mm×65mm，所切割试样的230mm方向的1/3为加热冷却面，放置到加热了的电炉中进行了试验，试验条件为1400℃加热15min，之后水冷3min，自然冷却12min，这样反复10次。利用试验后的试样横截面的状态以及试验前后的断面面积变化率(距离加热面10mm间隔所测定的)进行评价。
图4抗热剥落性试验概要
2.5.2试验结果
试验后各试样的断面面积变化率的比较结果示于图5。所有的试样，加热-冷却面呈现白色，有裂纹。从产生裂纹的状况来看，尖晶石砖A发现了大的裂纹，尖晶石砖B损伤最轻。另外裂纹距加热面的位置最深处，尖晶石砖A是70mm，尖晶石砖B是60mm，尖晶石砖C是50mm。此外，在试验中尖晶石砖A、B在加热面一侧已经出现了剥落。所以图5中示出的只是可测定位置的断面面积变化率。
图5热剥落试验结果
根据图5示出的断面面积变化率的结果，采用海水氧化镁的尖晶石砖B、C，断面面积的变化率小，组织松弛也小。采用天然氧化镁的尖晶石砖A、C，与尖晶石砖B相比，由于杂质多，组织中形成低熔点化合物较多，反复加热时组织易松弛，也易产生裂纹。
2.6侵蚀试验
2.6.1试验方法
侵蚀试验采用转鼓法，图6为试验方法简图。将试样切割成230mm×114mm×65mm，其中230mm×65mm的面沿着45°角切成230mm×55mm的形状。将试样置于转鼓内，背面填充捣打材料。转鼓组装后放到滚筒上，以每分钟6次的转速旋转，使用氧气+丙烷气烧嘴，于1750℃保持6h进行侵蚀试验。侵蚀材料使用5kg水泥和1kg硫酸钙混合而成的材料。
图6侵蚀试验概要
将试验后的试样从侵蚀面沿着长度方向切开，从烧嘴侧以30mm为间隔，测量8个部位的残留厚度，求出从初始高度(114mm)的减少量，将8个部位的平均值作为侵蚀量。同样，求出8个部位的浸透厚度，将8个部位的平均值作为浸透量。
2.6.2试验结果
侵蚀试验后各试样的截面图示于图7。侵蚀量(L0-L1)和浸透量(L2)的比较结果示于图8。
从图8的侵蚀量结果看，优势顺序是:尖晶石砖B>尖晶石砖C>尖晶石砖A。这说明纯度高的海水氧化镁的使用量越多，越难以侵蚀。另一方面，根据浸透量的结果，优势顺序是:尖晶石砖A>尖晶石砖C>尖晶石砖B。一般认为这是由于导热系数不同，在砖内部从工作面到背面，温度梯度产生差异所致。使用海水氧化镁的尖晶石砖，砖组织内的氧化镁比例高，由于氧化镁的高导热系数，处于高温状态的厚度距离工作面很深，水泥成分的浸透厚度变大。
图7侵蚀试验后的横截面
图8侵蚀试验结果
2.7抗结构剥落性
2.7.1试验方法
按照图7所示，切割侵蚀试验后的试样，然后再进一步从距烧嘴一侧114mm的位置切断，作为试样。将试样放入保持规定温度的电炉内，进行全面加热试验。试验条件是:加热至1400℃保持15min后，强制空冷15min，反复4次，用裂纹状态进行评价。
2.7.2试验结果
研究试验后各试样的横截面可知，只使用海水氧化镁的尖晶石砖B只侵蚀一个周期就发生与侵蚀面平行的裂纹，而使用天然氧化镁的尖晶石砖A、C，在侵蚀了4个周期也没有发现平行的裂纹。根据该结果，认为使用天然氧化镁可以提高抗结构剥落性。
表4归纳示出了各试验结果。根据试验结果可知，尖晶石砖A和尖晶石砖B相比，在抗碱性、抗硫性、抗热剥落性和抗侵蚀性方面，尖晶石砖B优于尖晶石砖A。这些性能都很差的尖晶石砖A，在高碱高硫区域使用效果较好，但是尖晶石砖B在抗浸透性和抗结构剥落性方面差。根据这一结果推测，在工业炉实际使用中，尖晶石砖B水泥成分浸透到距工作面更深的位置，所形成的变质层受涂层脱落时的热变化等影响，剥离厚度大，并相应伴随损毁。因此在高碱高硫区域，长期使用的结果就是残余厚度变薄。另一方面，天然氧化镁和海水氧化镁两种都使用的尖晶石砖C，性能介于尖晶石砖A和尖晶石砖B之间，但在抗浸透性、抗结构剥落性方面表现良好。一般认为这是由于使用了天然氧化镁而出现的效果。根据这些结果推测，本试验试制的砖中，在高碱高硫区域表现出高寿命的是尖晶石砖C。
表4试验结果比较
在使用种类不同的氧化镁原料的尖晶石砖中，并用天然氧化镁和海水氧化镁制作而成的尖晶石砖，其性能介于只使用单种原料制作的砖之间。但在抗结构剥落性方面，使用天然氧化镁的影响效果更大。这次只是侧重于不同原料种类进行了试验，但是通过改变各原料的使用比例和粒度构成，一般认为可以进一步提高性能。
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