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铁铝尖晶石加入量多少时浇注料挂窑皮的性能达到最佳

目前,镁铬砖在水泥回转窑烧成带上得到广泛的使用,但生产过程中Cr??对人和环境存在着危害,因此水泥回转窑烧成带用耐火材料的无铬化将是未来的发展趋势。水泥窑越来越复杂的窑况,要求耐火材料有更高的使用性能。如今,在水泥回转窑烧成带使用镁白云石砖和镁铝尖晶石砖代替镁铬砖。镁白云石砖对水泥熟料有着很好的化学相容性和极佳的挂窑皮性,但其抗热震性能和抗水化性能差;镁铝尖晶石砖的抗热震性和抗侵蚀性能良好,但MgO·Al?O?易与水泥熟料中C?S或C?A反应形成低熔点矿物C1?A?,导致窑皮流失。
研究发现,方镁石-铁铝尖晶石耐火材料由于其优异的柔韧性和挂窑皮性能,已经成为代替镁铬砖的材料。铁铝尖晶石的断裂能是镁铝尖晶石的6倍,且能够与水泥熟料生成C?F和C?AF,具有优异的挂窑皮性能。在本工作中,主要研究了镁铁铝尖晶石浇注料的挂窑皮性能。
试 验
1.1原料
试验所用的原料为:高纯镁砂,粒度为5~3、3~1、≤1和≤0.074mm,其化学组成(w)为:MgO95.44%,CaO1.50%,SiO?1.56%,Fe?O?0.93%,Al?O?0.31%;电熔铁铝尖晶石,粒度为3~1mm,化学组成(w)为:Al?O?50.59%,Fe?O?44.91%,SiO?1.22%,MgO0.96%,CaO0.38%;w(SiO?)=94.87%的硅灰;结合剂六偏磷酸钠。
1.2试验过程
试样配比见表1。按表1称取原料放入搅拌锅中搅拌5min,然后倒入40mm×40mm×160mm的模具内振动成型。放入干燥箱220℃烘烤2h脱模后,对试样进行1550℃保温3h烧成。
按相关标准检测烧后试样的常温抗折强度(GB/T3001-2007)、常温耐压强度(GB/T5072-2008)、体积密度和显气孔率(GB/T2997—2000)。按以下方法测试挂窑皮性:把烧后试样切为40mm×40mm×80mm的2个样块,在其40mm×40mm表面涂上厚度约为2mm的水泥熟料浆体。然后把2块试样压在一起,自然养护1d使其产生一定的强度后,再经过1500℃保温3h热处理,随炉冷却后,通过SEM和EDS等判断试样的挂窑皮性能。
结果与讨论
2.1 对常温物理性能的影响
图1示出了不同电熔铁铝尖晶石加入量的试样在1550℃热处理后的体积密度和显气孔率。可以看出,试样的体积密度先减小后增大,显气孔率呈现先增大后减小的趋势,二者最后趋于稳定。由于镁砂中发生Fe??的扩散,产生二次尖晶石化,造成体积密度减小,显气孔率增大。但随着电熔铁铝尖晶石添加量的增大,有部分Fe??离子固溶到晶间位置形成液相,填充了气孔,使体积密度增大。
电熔铁铝尖晶石加入量对试样热处理后的常温耐压强度和常温抗折强度的影响。可以看出,随着电熔铁铝尖晶石加入量的增加,试样的常温耐压强度先增大后减小,在加入量为10%(w)时,试样的耐压强度最大。主要是因为加入电熔铁铝尖晶石会产生微裂纹,适量的微裂纹会对试样起到增韧的作用。而微裂纹对抗折是有害的,使试样的抗折强度降低。
2.2对挂窑皮性能的影响
出了加入不同量电熔铁铝尖晶石的试样经1500℃挂窑皮试验后的SEM照片。可以看出,水泥熟料已经侵入原砖结构中。当熟料中熔体量少时,熔体量不足以润湿耐火材料,导致挂窑皮性差;反之,耐火材料易挂窑皮并且致密。电熔铁铝尖晶石添加量为10%(w)的试样S10被水泥熟料侵蚀的深度最大,说明水泥熟料在试样上黏附性较强,该试样的挂窑皮比较多。
挂窑皮试验后试样S10的显微结构。由EDS能谱可知,图中白色不规则形状的物质是由于氧化铁在高温下形成的液相与水泥熟料中的氧化铝、氧化钙发生反应,生成黏度高的铁铝酸四钙渗入到方镁石晶间,提高了试样的结合强度,使窑皮在耐火材料上黏结牢固。
图4(b)为FeAl?O?与MgO之间反应带的SEM图片,图中白色针状物质为FeAl?O?。由于Fe??扩散到氧化镁的基质中,少数Mg??溶入电熔铁铝尖晶石晶粒中,与氧化铝发生反应生成镁铝尖晶石。图中标注位置为电熔铁铝尖晶石与镁砂之间反应形成的致密反应带,反应过程中的体积膨胀堵塞气孔,提高了反应烧结带的致密度,进而有效抑制水泥熟料的二次渗透,一定厚度的反应烧结带可以提高水泥熟料与耐火材料间的结合强度,同时提高材料在高温热冲击下的抗剥落性,能够提高浇注料的强度。
结 论
经过高温热处理后,电熔铁铝尖晶石中的Fe??和方镁石中Mg??发生离子交换反应,形成环状的裂纹,这种环状裂纹对镁铝铁浇注料结构的柔韧性有良好的促进作用;同时Fe??向镁砂中扩散,提高了试样的挂窑皮性能。电熔铁铝尖晶石加入量为10%(w)时,镁铝铁浇注料的体积密度和常温耐压强度最大,挂窑皮性能也最优。


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