水泥窑用低水泥浇注料性能的研究

2011-02-06戴文勇

陶瓷学报 2011年3期

张巍戴文勇

（大连派力固工业有限公司，辽宁大连116600）

0 前言

传统耐火浇注料，铝酸钙水泥用量为15～20%[1-3]，低水泥浇注料，高性能铝酸钙水泥用量仅为2～6%[4-9]，按5%计，每吨高性能铝酸钙水泥配制的浇注料，可替代耐火砖20吨，节省标准煤4吨，减少CO2排放11.74吨。目前，发达国家的不定形耐火材料数量占耐火材料总量已超过70%，但我国仅达到40%。为了保护地球的生态环境，发展低碳经济已是我国经济发展的基本国策，在耐火材料领域，铝酸钙水泥和不定形耐火材料对发展低碳经济还存在很大的贡献空间。

本实验研究的对象是水泥窑用的一种低水泥浇注料，通过研究不同热处理温度对低水泥浇注料的体积密度、线变化率、常温抗折强度、常温耐压强度、常温耐磨性、热膨胀系数和抗热震性等性能的影响，找出这种低水泥浇注料随热处理温度不同的变化规律，以期拓展满足不同温度应用环境下低水泥浇注料的研究。

表1 原料的主要化学组成（w）Tab.1 Chemical compositions of raw materials(%)

1 实验

1.1 实验原料及方案

本实验的主要原料为矾土、硅微粉和铝酸钙水泥。所用原料的主要化学组成见表1。

按照表2配方组成进行配料，具体是将骨料及粉料加入搅拌罐中，搅拌均匀后再加入水搅拌3min，然后振动浇注成160mm×40mm×40mm的试样。试样经110℃烘干后分别于300℃、500℃、700℃、900℃、1100℃、1300℃和1500℃保温3h煅烧，分别测试经过不同温度热处理后试样的体积密度、线变化率、常温抗折强度和常温耐压强度。制备114mm×114mm ×25mm的试样，用于测试材料的耐磨性。制备Φ20mm×100mm的试样，用于测试材料的热膨胀系数。制备160mm×40mm×40mm的试样，经110℃烘干再经1300℃保温3h煅烧，用于测试材料的抗热震性。

表2 配方组成(w)Tab.2 Composition of the castable refractory(%)

图1 不同温度热处理后试样的体积密度Fig.1 BDs of specimens heat treated at different temperatures

1.2 性能测试

(1)体积密度试验。采用YB/T5200-1993致密耐火浇注料显气孔率和体积密度试验方法，检测烧成后试样的体积密度。用游标卡尺测定试样的收缩量，并通过计算求得它的体积密度。

(2)线变化率试验。采用YB/T5203-1993致密耐火浇注料线变化率试验方法，检测烧成后试样的线变化率。

(3)常温抗折强度和常温耐压强度试验。采用YB/T5201-1993致密耐火浇注料常温抗折强度和耐压强度试验方法，检测烧成后试样的常温抗折强度和常温耐压强度。

(4)常温耐磨性试验。采用GB/T18301-2001耐火材料常温耐磨性试验方法检测试样的常温耐磨性能。

(5)热膨胀系数试验。采用GB/T7320.1-2000耐火材料热膨胀试验方法-顶杆法检测试样的热膨胀系数。

图2 不同温度热处理后试样的线变化率Fig.2 PLCs of specimens heat treated at different temperatures

(6)抗热震性试验。实验工艺：将电炉升温到1100±10℃保温30min后，然后将试样迅速放入电炉中，在1100℃保温15min，使试样从表面到心部受热均匀后，将试样取出，置于室温循环水中快冷。试样在水中冷却3min后立即取出，在空气中放置直至室温，测量试样经过三次热震循环后的残余强度并计算耐压强度保持率。

用日本产CT-1000型抗折实验机测试试样的常温抗折强度。用日本产MS-20-S1型耐压试验机测试试样的常温耐压强度。用NM-2型耐磨试验机测试试样的常温耐磨性。用RPZ-03型高温热膨胀仪测试试样的热膨胀系数。用RZ-2A型高温热震稳定性试验炉测试试样的抗热震性。

2 结果与讨论

2.1 热处理对材料体积密度的影响

图1示出了试样经过不同温度热处理后的体积密度。由图1可以看出，试样经过110℃烘干后，再经过 300℃、500℃、700℃、900℃、1100℃、1300℃和1500℃热处理，试样的体积密度随着烧结温度的提高呈现先减小后不变再增大的变化规律。这是因为低水泥浇注料经过110℃烘干后，试样中还含有残留的结晶水，随着热处理温度的提高，结晶水逐渐被排出，试样的重量相应减小，但试样的体积变化不大，因此试样的体积密度下降。在温度区间700～1100℃内，试样内含有的结晶水已几乎被排出，试样的重量变化不明显，故体积密度未发生变化。随着热处理温度的继续提高，试样因发生烧结导致体积密度又再次增大。

图3 不同温度热处理后试样的常温抗折强度Fig.3 MORs of specimens heat treated at different temperatures

表3 试样经过不同温度热处理后的磨损量(cm3)Tab.3 Abrasion losses of specimens heat treated at different temperatures

2.2 热处理对材料线变化率的影响

图2示出了试样经过不同温度热处理后的线变化率。由图2可以看出，试样经过110℃烘干后，再经过 300℃、500℃、700℃、900℃、1100℃、1300℃和1500℃热处理，线变化率随着热处理温度的提高呈现收缩先增大后减小再增大的变化规律。这是由于一方面试样中的结晶水逐渐被排出，另一方面随着热处理温度的提高，试样逐渐被烧成，在烧结驱动力的作用下颗粒间的距离被拉近，导致试样逐渐发生烧结收缩。试样经过900～1300℃热处理后，收缩略有减小。试样经1300～1500℃热处理后，试样发生明显的收缩，这是由于在高温下生成低熔点物质CaO·TiO2，试样内部由于液相的存在明显促进了烧结，故试样产生明显的烧结收缩。

2.3 热处理对材料常温抗折强度和常温耐压强度的影响

图4 不同温度热处理后试样的常温耐压强度Fig.4 CCSs of specimens heat treated at different temperatures

图3、图4分别示出了试样经过不同温度热处理后的常温抗折强度和常温耐压强度。由图3中可以看出，试样经过110℃烘干后，再经过300℃、500℃、700℃、900℃、1100℃、1300℃和1500℃热处理，材料的常温抗折强度随着热处理温度的提高呈现先增大后减小再增大的变化规律。由图4同样可以看出，材料的常温耐压强度随着热处理温度的提高也呈现先增大后减小再增大的变化规律。经过低温热处理后，随着试样内部结晶水的排出，试样的常温抗折强度和常温耐压强度逐渐增大。试样经过中温1100℃热处理后，由于连结剂铝酸钙水泥的失效并且在此温度下陶瓷相尚未形成，因此试样的中温强度急剧下降。在1100～1500℃温度区间，试样内部因烧结而逐渐产生陶瓷相，故试样的常温强度增加。

2.4 热处理对材料常温耐磨性能的影响

表3示出了试样经过1300℃和1500℃热处理后的磨损量。

由表3可以看出，试样经过1500℃热处理后的磨损量小于经过1300℃热处理后的磨损量。这是由于烧结温度的提高促进了材料的烧结，颗粒与基质之间形成较密实的过渡带，使其结构较致密，基质与骨料结合的较好，当磨损介质冲蚀试样的表面时，基质与骨料被磨损的程度较为均匀，因此磨损量较小。

2.5 热处理对材料热膨胀系数的影响

图5 试样热膨胀系数和热处理温度的关系曲线Fig.5 Variation of thermal expansion coefficients of specimens with different heat treatment temperatures

图5示出了试样的热膨胀系数随热处理温度不同而变化的关系曲线。由图5可以看出，在200℃～400℃温度区，试样的热膨胀系数随热处理温度的提高而减小；在400℃～800℃温度区，试样的热膨胀系数随热处理温度的提高而增大；在800℃～1050℃温度区，试样的热膨胀系数随热处理温度的提高而减小；在1050℃～1250℃温度区，试样的热膨胀系数随热处理温度的提高而增大；在1250℃～1400℃温度区，试样的热膨胀系数随热处理温度的提高而减小。试样的热膨胀系数随热处理温度的变化较为复杂，这同样是与试样中含有的结晶水，以及试样的烧结有关。

2.6 材料的抗热震性能

图6示出了试样经过三次热震前后的耐压强度。从图6中看出，热震前低水泥浇注料的耐压强度为115.6Mpa，热震后低水泥浇注料的耐压强度为100.9Mpa，低水泥浇注料的强度保持率为87.3%，说明这种低水泥浇注料具有相对较好的抗热震性能。这主要取决于低水泥浇注料经过1300℃热处理后，具有相对较低的体积密度和较大的气孔率，同时经过1300℃热处理后具有较低的热膨胀系数，这些都决定了材料会具有相对优良的抗热震性能。