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降低成本研发优质水泥窑口用耐火浇注料的实验
来源: | 作者:254changhong | 发布时间: 2020-10-28 | 237 次浏览 | 分享到:
随着水泥工业窑炉技术水平的不断发展与提高,我国的水泥窑用耐火材料经历了一个从无到有、品种从单一到配套、质量从高的一个发展历程截至目前,无论是耐火材料的品种、数量、质量及其生产工艺和装备水平,
随着水泥工业窑炉技术水平的不断发展与提高,我国的水泥窑用耐火材料经历了一个从无到有、品种从单一到配套、质量从高的一个发展历程截至目前,无论是耐火材料的品种、数量、质量及其生产工艺和装备水平,还是耐火材料的使用和合理配置,都已经有了很地发展与进步。对于新型干法水泥窑来说,复杂的结构和节能等方面的要求也使得砖型和窑衬的设计变得相对复杂。在水泥窑的某些部位,是那些由于结构复杂或窑体变形而不适宜采用耐火砖的部位,采用耐火浇注料比采用定型砖更加适合。在新型干法水泥烧成系统中,窑口是十分关键和的部位。该部位使用条件复杂而苛刻,衬体材料损坏较快,而衬体的更换要在停窑冷却后才能进行,因此,窑口衬体材料的好坏直接制约着熟料烧成系统的运转率和水泥熟料的产量。有资料表明,80的停窑是由于局部耐火材料的蚀损造成的。目前,国内新型干法水泥窑口普遍采用耐火浇注料作为衬体材料,且大型干法水泥窑窑口使用的耐火浇注料的使用寿命一般为4~6个月。本研究旨在通过选用较的原料确定合理的骨料组成,从而研制出优质的水泥窑口用高铝质耐火浇注料。这样不可以更好地提高窑口用耐火浇注料的性能,同时也有利于企业降低生产成本和提高市场竞争力,更是对资源的一种合理、有效的利用。
1实验配方
以全棕刚玉骨料为基础,通过采用较的原料逐步适量取代骨料中的较高成本的原料,以考察骨料组成对浇注料性能的影响。配方见表1。
表1实验配方
2实验步骤
2.1试样制备
1)在试样制备中骨料与粉料的质量比为62∶38.按配方配制混合料(S和W系列,每个配方做3个模具,共9块试样,标记为1组、2组和3组),装于塑料袋内,封闭袋口,手工干混约1min。
2)将袋内混好的料倒入搅拌器内,将称量好的钢纤维均匀撒入其中,继续机械干混1min,然后在30s内均匀加入2/3的水,搅拌1min,停止搅拌后,用铲子将搅拌器的物料搅拌均匀(因为搅拌器底部搅拌不均),继续搅拌,均匀加入剩余的1/3的水,再搅拌2min,然后停止搅拌。
3)将搅拌好的浇注料装入模具中(尺寸为160mm×40mm×40mm),于振幅为0.85mm,频率为50Hz的振动台上振动成型(振动时需将模具固定好),成型24h之后脱模,再自然养护24h,试样在烘干(110℃×24h)和不同温度(1100℃×3h,1400℃×3h)的热处理后,按相关标准对试样的性能进行测试。
2.2性能测试
2.2.1气孔率与体积密度
气孔率即显气孔率B,是指试样中的开口气孔总体积占试样总体积的百分比.体积密度d是指试样烘干后的质量与其总体积之比.按照国家标准GB/T2997—2000进行测定。实验步骤为:①试样要求:每组试样不得少于三块。②干燥试样的称量:将测量过抗折强度和抗压强度的半块试样表面黏附的细碎颗粒刷净,称量每个试样的质量,记录为m1,精确到0.01g。③试样浸渍:将试样放于抽真空的-1488-万方数据2017年9月张梦真,等:骨料组成对水泥窑口耐火浇注料的影响装置中,抽真空至剩余压力小于2.5kPa,保持恒压12min,然后2min内缓慢注入浸渍液,直至试样完全淹没.在真空中保持10min,使试样充分饱和.④饱和试样表观质量测定:将饱和试样迅速移至带溢流管的容器中,掉在天平的挂钩上,待浸渍液完全淹没试样并于液面平静后,称量饱和试样在液体中的悬浮质量,记作m2,精确到0.01g。⑤饱和试样在空气中的质量测定:从浸渍液中取出试样,用饱和了液体的毛巾小心擦去试样表面多余的液滴(不得把气孔中的液体吸出).立即称量饱和试样在空气中的质量,记作m3,精确至0.01g。按照下列公式进行计算:
气孔率B=(m3-m1)/(m3-m2);(1)
体积密度d=m1/(m3-m2).(2)
2.2.2烧成线变化
烧成线变化是指试样在规定的温度下加热时间后的长度不可逆变化量与加热前其长度之比,以百分率表示.根据国家标准GB/T5988—2007进行测定.将成型好、自然养护1d的试样(160mm×40mm×40mm)于干燥箱中烘干(110℃×24h),干燥完成之后,用游标卡尺测量2组和3组每块样品的长度L,并在测量的位置做好标记,之后,将2组样品置于电阻炉中煅烧(1100℃×3h),无升温曲线;将3组试样置于电阻炉中煅烧(1400℃×3h),升温曲线为0~400℃为1h,400~1000℃为1h,1000~1400℃为2h,1400℃保温3h(样品放置在炉膛的均温带,且每块样品之间至少间隔1cm,层与层之间垫有白刚玉),停炉后,试样随炉自然冷却,待炉温低于200℃时,将煅烧好的样品取出,冷却至室温,在标记的同一位置测量样品烧后长度L′,则样品的烧成线变化为:
(3)
2.2.3抗折强度
抗折强度包括常温抗折强度和高温抗折强度.常温抗折强度是在常温下,试样受到弯曲负荷的作用而断裂时的限应力,以MPa表示。根据国家标准GB/T3001—2000进行测定。抗折强度是在三点弯曲装置上,以规定的加荷速率对规定尺寸的试样施加张应力,直至试样断裂.抗折夹具是由相互平行的两个支撑辊和一个中心加荷辊组成,加荷辊位于支撑辊的,偏离中心不大于1mm,支撑辊间的距离L为100mm。实验步骤为:①测量冷却试样中部的宽度h和高度b,并记录(试样经烘干和煅烧后,从冷却到试验的时间间隔不得超过3d)。②调整抗折夹具,使各部位位置准确。③以试样成型侧面做承压面,将试样置于抗折夹具的支撑辊上,调整加压辊置于支撑辊并垂直于试样长轴。④开启开关,打开进油阀,对试样均匀加荷,直至断裂,同时关闭进油阀开启闭油阀,记录试样断裂时的荷载F。
常温抗折强度按下列公式计算:
Rt=32(FL/bh2),(4)
式中:Rt为抗折强度,MPa;F为试样断裂时的荷载,N;L为支撑辊间的距离,mm;b为试样的高度,mm;h为试样的宽度,mm。
2.2.4抗压强度
常温抗压强度是在室温下,试样受到压力负荷的作用而破坏的限应力,以单位MPa表示.根据国家标准GB/T5072—2008进行测定.抗压强度是在加压装置中,以规定的加荷速率对规定尺寸的试样施加压应力直至试样破坏.常温抗压强度可以用直接成型试样,也可以用抗折强度试验后的两个半截试样。①测量试样上、下承压面的宽度.②将试样按规定放置在加压装置中.③对试样均匀加荷,直至试样破坏,记载试样破坏时的荷载F.则常温抗压强度为:
Gs=F/ab,(5)
式中:Gs为抗压强度,MPa;F为试样断裂的荷载,N;a为加压板的宽度,mm;b为试样的宽度,mm。
2.2.5抗热震性
耐火浇注料对温度急剧变化所产生破损的抵抗性能。根据国家标准YB/T2206.1—1998进行测定.在本试验中,采用空气急冷法:在规定的试验温度和压缩空气流急冷介质作用下,形状和尺寸的试样,在经受急热急冷的温度突变后,通过施加弯曲应力而断裂或喷吹爆裂时,所经历的急热急冷循环次数来确定耐火浇注料的抗热震性.实验步骤为:①先将试样置于烘箱内于110℃下干燥至恒重,并升温至200℃保温2h。②将电炉升温加热到950℃并保温15min,迅速将试样从烘箱移入炉膛内并立即关闭炉门。在整个过程中,应确保炉温降低小于50℃。另外,注意试样间的间距应大于10mm。③使炉温5min内回升至950℃,并使试样在950℃下保温25min。④保温25min后,打开炉门,迅速取出试样置于风扇下,并立即启动风扇急冷30min。⑤待试样完全冷却后,在重复上述步骤.⑥风冷热震三次后,待试样冷却至室温后,再测定其残余抗折强度.用该残余强度与未热震试样的强度之比(百分数)即强度保持率表示试样的抗热震性.
3试验数据
在S系列中,S1以棕刚玉为骨料,S2以50%的特级矾土代替骨料中的棕刚玉,S3以特级矾土为骨料,S4以50%的一级矾土代替骨料中的特级矾土,S5以一级矾土为骨料;而在W系列中,W1与S3相同,在W2、W3、W4中,以SiC分别不同程度地代替骨料中的部分特级矾土。对这些骨料组成变化的试样进行性能测试,其结果如表2.
表2性能测试结果
4数据分析
从图1、图2中可以看出,在S系列中,试样经过三种温度的热处理后,从S1到S5,试样的气孔率大体上呈增加、体积密度呈降低的趋势,试样烘干后的气孔率大体上呈增加的趋势,主要是因为试样在成型时,
图1骨料组成对耐火浇注料气孔率的影响
图2骨料组成对耐火浇注料体积密度的影响
图3骨料组成对耐火浇注料烧成线变化的影响
在试样具有相似流动性和振动充分的情况下,从S1到S5,加水量逐渐增加,从而使得烘干后试样的气孔率依次增大。
试样经高温处理后的气孔率明显高于经110℃干燥处理的气孔率,但其中经1100℃煅烧的试样的气孔率高于经1400℃煅烧的试样。主要是因为经1100℃煅烧时,试样中水泥的水化产物发生脱水反应,同时,试样又未发生烧结反应,使得其气孔率较高,结构不密实.而1400℃煅烧时,试样中水化产物发生脱水,同时,又由于有莫来石生成反应存在,反应中的体积膨胀都导致气孔率增大。配方S3的骨料为特级矾土,经1400℃煅烧3h后的气孔率过大,可能是测试气孔率的过程中,操作不当所导致的;在配方S1中,骨料全为棕刚玉,配方S2、S3、S4、S5的骨料依次为:棕刚玉/特级矾土、特级矾土、特级矾土/一级矾土、一级矾土,同时,棕刚玉密度大于矾土,特级矾土的密度大于一级矾土,从而使得S1至S5,试样的密度逐渐降低。在W系列中,从W1到W4,随着骨料中SiC加入量的增多,整体上试样的气孔率逐渐增大,体积密度逐渐降低。W1与S3为同一组试样。体积密度逐渐降低主要是由于SiC代替了原配方中的部分特级矾土,特级矾土的密度大于SiC,导致试样密度的下降;同时,对于经过高温煅烧处理的试样,由于在1000℃左右,SiC开始分解,在加热氧化过程中会生成CO2,反应方程式:
SiC+2O2=SiO2+CO2.
导致试样中气孔的增多,即气孔率增大,体积密度下降。但配方W2出现反常,1100℃煅烧3h处理后,其气孔率和体积密度较大,可能是由于混料时混合不均匀所致。
从图3中可以明显看出,试样经过1100℃煅烧3h的热处理后,其烧成线变化表现为烧成收缩:在S系列中,烧成收缩先增后降,在配方S3时达到烧成收缩。从S3到S5逐渐降低,主要是因为在骨料中一级矾土逐渐代替特级矾土,虽然一级矾土中杂质含量较多,使得液相量增加,但是其莫来石化反应程度高于特级矾土,使得其体积膨胀效应较大,从而整体上表现为收缩减小。在W系列中,从W1到W4,随着SiC含量的增加,试样的烧成收缩表现为持续降低,主要是由于碳化硅发生氧化反应,生成氧化硅,氧化硅与基质中的活性氧化铝发生二次莫来石化反应,反应程度依次增加,其体积膨胀效应也依次,更多地抵消了制品的收缩,从而整体上烧成收缩逐渐降低。试样经过1400℃煅烧3h的热处理后,其烧成线变化一部分为线膨胀,一部分为线收缩,但总体上表现为线膨胀且膨胀较小,这是由于晶体的发育生长所致;S3表现为线收缩,主要是由于采用特级矾土做耐火骨料,纯度较高,SiO2等杂质总含量越少,莫来石化程度较低,体积膨胀效应较小,而且在该温度下试样烧结较好。
从图4可以看出,在S系列中,试样的烘干抗折强度总体上先升后降,在配方S4时,其抗折强度达到。对试样的烧后抗折强度而言,总体上较烘干抗折强度低,从S1到S5,抗折强度总体上表现为降低:经过1100℃煅烧3h的热处理后,烧后抗折强度逐渐降低,是因为在1100℃煅烧过程中,试样中既无水合结合作用,也无陶瓷结合作用,颗粒间黏结强度较小,而且密实度越来越低,所以抗折强度逐渐降低。经过1400℃煅烧3h的热处理后,烧后抗折强度也
图4骨料组成对耐火浇注料抗折强度的影响
是逐渐降低的,且降低幅度较大,主要是因为从S1到S5,试样的莫来石化程度逐渐增加,体积膨胀效应较大,气孔率逐渐增大,而且莫来石化反应阻碍烧结,而且玻璃相增加,其强度低于晶相,导致试样强度降低。在S4处出现反常可能是由于测抗折强度时加压速度过快所致。S1强度,是因为骨料全为棕刚玉,氧化铝含量高,等杂质含量少,生成低熔矿物少,从而使得强度较高;S3骨料全为特级矾土,其杂质含量较棕刚玉多,其中,二氧化钾可大幅度降低开始出现液相的温度,增加液相量,所以高温性能大大降低,另外,在高温下,氧化铁在二氧化钛存在的条件下,可与氧化铝形成铁的钛酸铝,从而降低烧结温度,降低了制品的高温力学性能,另一方面是由于加水量逐渐增加,也使得性能有所下降;配方S4强度高于S3,可能是因为S3的气孔率略高于S4,结构不密实;配方S5骨料全为一级矾土,杂质含量较S4多,而且加水量多于S4,综合其他使得强度低于S4.在W系列中,从W1到W4,随着试样骨料中SiC含量的增加,试样的烘干抗折强度先增后降,在W2处达到,总体表现为逐渐降低,主要是由于SiC的瘠水性,在110℃×24h烘后的条件下,SiC并不会发生水化反应,对浇注料的强度也不会产生贡献,所以过多的SiC加入对耐火浇注料的中、低温强度是不利的.试样的烧后抗折强度较烘干抗折强度低,且随着SiC含量的增加逐渐降低:经过1100℃煅烧3h的热处理后,试样的抗折强度降低幅度较小;经过1400℃煅烧3h的热处理后,试样的抗折强度逐渐降低且幅度较大。主要是因为从W2到W4,试样中的莫来石化反应程度增加,增大了颗粒间的间隙,试样的气孔率逐渐增大,结构不密实,对烧结的阻碍作用增强,使得试样烧结逐渐变差,强度降低。
由图5可以看出,在S系列中,试样的烘干耐压强度处于波动状态,主要与试样成型时的流动性好坏有关,当流动性一致时,加水量越多,其气孔率越大,从而耐压强度越小,与抗折强度相一致。试样的烧后耐压强度,经1100℃煅烧3h热处理后,其烧后耐压强度总体上先升后降,在配方S3处达到。理论上强度是逐渐变低的,配方S1、S2强度较低,可能是因为在成型时混料不均所致,同时,在测量耐压强度过程可能存在不当操作.经1400℃煅烧3h热处理后,其烧后耐压强度逐渐降低,是因为耐压强度与抗折强度成正比,抗折强度逐渐降低,从而耐压强度也逐渐降低。在W系列中,从W1到W4,随着SiC含量的增加,试样的烘干耐压强度先升后降,在配方W2处达到。对于烧后耐压强度,经过1100℃煅烧3h热处理后的试样,其耐压强度逐渐降低。经过1400℃煅烧3h热处理的试样,其烧后耐压强度总体上呈下降趋势,在W2处出现反常,可能是由于在测耐压强度的操作过程中,加压速度过快所致。烧后耐压强度的变化原因与抗折强度相似。
从图6可以看出,加入碳化硅能显著改善浇注料的抗热震性能,并且,从W1到W4,随着骨料组成中碳化硅加入量的增加,抗折强度保持率大体上呈现持续增加的趋势。主要是因为材料受热冲击产生的热应力与材料的导热系数有关,碳化硅导热系数较高,则当受热时,传热速度较快,使得制品内外温差较小,利于制品内温度均匀化,对试样的损坏较小,从而改善了材料的抗热震性;碳化硅加入量越多,则抗热震性越好。提高试样的抗热震性从原料设计上主要考虑微裂纹增韧、热膨胀系数、导热系数这三方面的性能。莫来石主要是热膨胀系数小,有微裂纹增韧作用;碳化硅主要是导热系数高.