水泥窯篦冷機(jī)喉部用長壽耐火材料的研制

摘要：本課題針對水泥窯篦冷機(jī)喉部用耐火材料現(xiàn)存問題，通過大量實(shí)驗，研制出一種節(jié)能復(fù)合弧面磚，該制品經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)，高溫性能穩(wěn)定，使得水泥窯篦冷機(jī)喉部用耐火材料壽命大大延長。

前言

水泥窯篦冷機(jī)喉部所處位置特殊，該部位煙氣含塵量大、含塵顆粒硬度大且溫度高、風(fēng)速快，對耐火材料的沖刷嚴(yán)重；同時煙氣成分復(fù)雜，堿侵蝕嚴(yán)重、溫度波動大，因此篦冷機(jī)喉部磨損嚴(yán)重且超溫或燒穿現(xiàn)象十分普遍，該部位耐火材料壽命一般不長^[1,2]。

該部位是連接篦冷機(jī)與窯頭罩的一個陽角，目前多數(shù)廠家采用的都是以鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑的高鋁質(zhì)耐火澆注料，但是使用效果不理想。其原因一是喉部所處位置空間狹小，施工難度大，施工質(zhì)量難以保證；二是該部位溫度最多不超過1200℃，屬于中低溫，無論是用澆注料還是用預(yù)制件，都達(dá)不到燒結(jié)溫度，形不成致密的陶瓷結(jié)合，致使耐火材料很多優(yōu)異性能體現(xiàn)不出來。圖1是經(jīng)20-1200℃熱處理后的鋁酸鈣水泥結(jié)合的高鋁質(zhì)澆注料的強(qiáng)度^[3]，從圖中可以看出鋁酸鈣水泥結(jié)合澆注料在中低溫下強(qiáng)度明顯降低，這是因為在600℃-900℃之間，鋁酸鈣水泥水化產(chǎn)物已經(jīng)脫水分解，使得結(jié)構(gòu)變得疏松，AlO(OH)向不定形氧化鋁轉(zhuǎn)化，而不定形氧化鋁結(jié)構(gòu)疏松排列，顆粒間結(jié)合較弱，這就導(dǎo)致CAC結(jié)合澆注料中低溫強(qiáng)度低^[3，4]。篦冷機(jī)喉部用耐火澆注料施工后，在烘烤過程中，若在700-900℃這個溫度范圍內(nèi)停留時間過長，由于自身重力等因素，澆注料已經(jīng)出現(xiàn)裂紋，甚至剝落等情況，因此雖然用很好的耐火原料也達(dá)不到理想的使用效果。

圖1經(jīng)20-1200℃熱處理后的鋁酸鈣水泥結(jié)合澆注料的強(qiáng)度^[3]

現(xiàn)在市場上常見的喉部結(jié)構(gòu)有圖2中的三種：直角連接，小斜面連接，90°圓弧連接。結(jié)構(gòu)上從最初的直角連接，改善為目前的圓弧型，目前的結(jié)構(gòu)，風(fēng)阻小，喉部的風(fēng)蝕相對減弱，但是由于澆注料在中溫強(qiáng)度衰減的缺點(diǎn)，這三種結(jié)構(gòu)，都無法有效提高篦冷機(jī)喉部的使用壽命。

圖2三種常見篦冷機(jī)喉部設(shè)計方案

基于以上背景下，鄭州瑞泰公司想設(shè)計出一款工作端經(jīng)高溫?zé)频墓?jié)能復(fù)合弧面磚來替換耐火澆注料，不僅能夠避免耐火澆注料中低溫強(qiáng)度低，又能在形狀上優(yōu)化，減少阻力，從而減少高速風(fēng)砂對喉部耐火材料的沖刷。雖然相比澆注料來說，節(jié)能復(fù)合弧面磚的成本提高，但是其使用壽命至少是澆注料的2倍，而且可以縮短工期，節(jié)能、長壽，能夠為客戶帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益^[5]。

1. 喉部節(jié)能復(fù)合結(jié)構(gòu)件的制備

1.1原料選擇

(1)碳化硅

碳化硅以其高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐磨損、耐高溫等優(yōu)良性能被廣泛用于磨料、結(jié)構(gòu)陶瓷和耐火材料中^[6,7]，它具有較低的熱膨脹系數(shù)（5.0×10^-6K^-1），較高的熱導(dǎo)率[59W/(M.K)]，因此加入碳化硅后可以提高材料的熱震穩(wěn)定性。由于碳化硅具有瘠水性，能增強(qiáng)顆粒間密實(shí)度，其粒度越小，澆注料加水量越少，但是大顆粒碳化硅較比碳化硅細(xì)粉更耐磨，基于以上考慮，我們的產(chǎn)品采取兩種粒度碳化硅搭配使用，而且通過我們大量實(shí)驗也證實(shí)了兩種粒度搭配使用，效果最佳。

(2)紅柱石

紅柱石是一種非常良好的熱穩(wěn)定、抗熱震和低蠕變鋁硅系耐火原料，紅柱石的摻加，可以使耐火材料的抗蠕變、耐熱震性能得到很大的提高。據(jù)研究表明紅柱石與碳化硅配合可制成高熱震穩(wěn)定性、高隔熱性能、高抗渣侵性能和高荷軟的耐火制品^[8，9]。

綜合考慮最終選用以特級高鋁礬土熟料、97#碳化硅、紅柱石、硅微粉、CA70水泥以及其他添加劑為主要原料，其主要化學(xué)組成見表1：

表1原料的化學(xué)組成（w）%

1.2生產(chǎn)工藝

試樣的配比見表2。按照表2的配方準(zhǔn)確稱料。試樣的制備：先將水按6.5%進(jìn)行稱量備用，然后將原料按比例倒入塑料袋中預(yù)混，混合后的物料在水泥膠砂攪拌機(jī)中先干混1min，然后再邊攪拌邊緩慢加入水，再濕混3.5min，倒入模具中振動3min成型，自然養(yǎng)護(hù)24h后脫模，在110℃下烘干，烘干后的試樣經(jīng)高溫?zé)啤?

1.3性能檢測

按GB/T2997-2000檢測顯氣孔率和體積密度，按GB/T5072-2008檢測常溫耐壓強(qiáng)度，按YB/T376.1-1995檢測熱震穩(wěn)定性（1100℃，水冷），按GB/T14983-2008檢測抗堿性。

2安裝結(jié)構(gòu)

節(jié)能復(fù)合結(jié)構(gòu)件屬于多組件復(fù)合產(chǎn)品，配套組件種類較多，主要組件包括結(jié)構(gòu)件、錨固結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)保溫澆注料、納米保溫板。根據(jù)安裝部位尺寸的不同，安裝錨固結(jié)構(gòu)存在一定差異。

3.產(chǎn)品性能優(yōu)勢

3.1結(jié)構(gòu)優(yōu)勢

節(jié)能復(fù)合弧面磚采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，將多種低導(dǎo)熱系數(shù)材料復(fù)合在一起，起到降低綜合導(dǎo)熱系數(shù)的效果，其綜合導(dǎo)熱系數(shù)低于0.8W/m·K（1000℃），相比澆注料方案同比條件下可至少降低殼體溫度50℃，通過熱傳導(dǎo)計算公式對比結(jié)論見表3.

3.2性能優(yōu)勢

（1）節(jié)能復(fù)合弧面磚相比耐火澆注料各方面性能都更優(yōu)異，性能指標(biāo)對比表見表4，從表中可以看出節(jié)能復(fù)合弧面磚具有高強(qiáng)、高致密、高體密、低氣孔的優(yōu)勢，而且熱震穩(wěn)定性能極佳。

（2）抗堿侵蝕好

該節(jié)能復(fù)合弧面磚工作端按GB/T14983-2008檢測其抗堿性，抗堿性實(shí)驗后照片如圖6所示，從圖片中可以看出無明顯可見裂紋產(chǎn)生，抗堿性一級。一般情況下氧化鋁含量＜25%的耐火材料，具有較好的抗堿侵蝕性能，但只能承受1200℃的溫度，而氧化鋁含量較高的耐火材料，其耐火度高，但抗堿侵蝕能力較差[7]。但是由于碳化硅與堿反應(yīng)后，生成一層粘性極高、又無裂紋的保護(hù)層，所以碳化硅具有較強(qiáng)的抗堿性能，所以氧化鋁和碳化硅的搭配使用使得高鋁耐堿性耐火材料成為可能。

（3）熱穩(wěn)定性好

利用做節(jié)能復(fù)合弧面磚工藝制作標(biāo)磚，15次循環(huán)熱震（水冷）后圖片如圖7所示，從圖中可以看出，標(biāo)磚表面無大的裂紋，無剝落現(xiàn)象，這說明該喉部節(jié)能復(fù)合弧面磚具有非常好的抗熱震性能。分析原因可能是配方中大量碳化硅以最優(yōu)的顆粒級配組合，加上碳化硅在高溫下體積十分穩(wěn)定，同時加入一定比例的紅柱石，用來吸收制品在高溫下的膨脹量，使得該制品抗熱震性能大幅提高。

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