王立旺，朱其良，李新明，向若飛（浙江錦誠(chéng)新材料股份有限公司，浙江長(zhǎng)興313100）

0 前言

水泥窯的預(yù)熱器系統(tǒng)、預(yù)分解爐、上升煙道和三次風(fēng)管等部位溫度在800～1200℃之間，這些部位由于窯氣中堿的富集，所用材料在遭受堿侵蝕時(shí)，容易在磚內(nèi)形成白榴石(KAlSiO4)、鉀霞石(KAlSi2O6)等膨脹礦物[1]，使材料結(jié)構(gòu)疏松、開(kāi)裂，嚴(yán)重影響了窯的操作。針對(duì)不適用定形磚的部位通常使用性能優(yōu)異的耐堿澆注料作為窯爐內(nèi)襯。耐堿澆注料是以硅鋁質(zhì)材料為原料，以鋁酸鹽水泥作結(jié)合劑，摻入適當(dāng)外加劑配制成的具有耐堿性的水硬性澆注料。耐堿澆注料與堿蒸氣接觸時(shí)，在高溫條件下表面能形成一層致密的釉面層[2]，可阻止侵蝕繼續(xù)加深，從而提高窯爐內(nèi)襯的使用壽命。水泥和硅微粉是耐火澆注料的主要原材料，其加入量對(duì)材料的常溫及高溫性能有較大的影響[3]。在本研究中以建筑陶瓷為主要原料，系統(tǒng)地研究了水泥和硅微粉的加入量對(duì)耐堿澆注料性能的影響，并對(duì)試樣顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)中的建筑陶瓷采用五級(jí)顆粒級(jí)配，即8～5 mm、5～3mm、3～1mm、1～0mm及粒度不大于200目的細(xì)粉，其他原材料包括硅微粉、氧化鋁粉、鋁酸鈣水泥、減水劑等，主要原料的化學(xué)組成見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)方法和性能檢測(cè)

表1 主要原料的化學(xué)成分 %

保持骨料和基質(zhì)的質(zhì)量比為64∶36不變，改變基質(zhì)的配比，按照配比準(zhǔn)確稱(chēng)量所需原料，倒入攪拌機(jī)中混合均勻后，加適量水?dāng)嚢?0min，然后倒入400mm×400mm×1600mm的三聯(lián)模中振動(dòng)成型。試樣室溫養(yǎng)護(hù)72h后，在110℃條件下干燥24h，干燥后部分試樣分別經(jīng)過(guò)1100℃保溫3h燒成。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋁酸鈣水泥加入量對(duì)澆注料性能的影響

鋁酸鈣水泥加入量對(duì)110℃，24h及1100℃，3h熱處理后的試樣常溫性能的影響見(jiàn)圖1～3所示。從圖中可以看出110℃，24h處理后試樣的常溫強(qiáng)度隨著水泥加入量的增加而增加，而1100℃，3h熱處理后試樣的常溫強(qiáng)度隨著水泥加入量的增加，出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。1100℃，3h熱處理后試樣的加熱永久線變化隨著水泥加入量的增加而收縮率增加。在配方設(shè)計(jì)中，鋁酸鈣水泥加入量的增加通過(guò)降低建筑陶瓷200目細(xì)粉的方式來(lái)進(jìn)行，在硅微粉加入量一定的情況下，試樣的強(qiáng)度變化主要來(lái)自于水泥加入量的變化，水泥加入量的增加生成了更多的水化產(chǎn)物，并起到結(jié)合作用，同時(shí)也填充了試樣中的氣孔，引起試樣的致密度和強(qiáng)度增加。

經(jīng)過(guò)1100℃，3h熱處理后，鋁酸鈣水泥在常溫下形成的部分水化產(chǎn)物由于結(jié)構(gòu)水的脫除而被破壞，失去結(jié)合作用。水泥加入量不超過(guò)8%的情況下，試樣常溫強(qiáng)度的增加主要是由于水泥粒度比建筑陶瓷細(xì)粉小，反應(yīng)活性大，強(qiáng)度大部分靠燒結(jié)產(chǎn)生。在試驗(yàn)條件下，當(dāng)水泥加入量超過(guò)8%時(shí)，水泥中的CaO會(huì)與基質(zhì)中的A12O3和SiO2反應(yīng)生成低共熔物，高溫時(shí)形成了較多的液相以及水泥膠體失水收縮并產(chǎn)生裂紋從而導(dǎo)致強(qiáng)度有所降低[4]。因此低共熔物的生成是1100℃，3h熱處理后試樣的加熱永久線變化隨水泥加入量的增加而增加的主要原因。此外建筑陶瓷原料表面含有一定的釉料成分，這些釉料成分熔融溫度較低，更容易在燒結(jié)過(guò)程中形成液相，液相的形成一方面有助于促進(jìn)結(jié)構(gòu)的致密化，起到密封和提高耐堿性作用，另一方面液相形成主要在骨料顆粒表面和基質(zhì)中，增大了基質(zhì)與骨料間的結(jié)合性能，這在加強(qiáng)澆注料的骨料和基質(zhì)整體化效果的同時(shí)，造成澆注料常溫韌性降低，脆性增加，特別是對(duì)于澆注料這種內(nèi)部不均一結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度對(duì)各種缺陷、裂紋等因素變得十分敏感，這也會(huì)對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生影響。綜合考慮鋁酸鈣水泥的加入量在7%～8%左右。

圖1 水泥加入量對(duì)試樣常溫抗折強(qiáng)度的影響

圖2 水泥加入量對(duì)試樣抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 水泥加入量對(duì)試樣加熱永久線變化的影響

2.2 硅微粉加入量對(duì)澆注料性能的影響

在鋁酸鈣水泥加入量為7.5%的條件下，硅微粉加入量對(duì)110℃，24 h及1100℃，3h熱處理后試樣常溫性能的影響見(jiàn)圖4～6。從圖中可看出，隨著硅微粉加入量的增加，不同溫度熱處理后試樣的抗折和抗壓強(qiáng)度均有所提高，但趨勢(shì)不明顯，且試樣的線收縮率也隨之增大。硅微粉是在冶煉硅鐵合金和工業(yè)硅時(shí)產(chǎn)生的SiO2和Si氣體與空氣中的氧氣迅速產(chǎn)生氣相反應(yīng)并冷凝而形成的一種超細(xì)粉體材料，表面活性高，水化后能夠起到類(lèi)似硅溶膠的結(jié)合作用，從而提供一定的強(qiáng)度，使試樣在不同溫度熱處理后的強(qiáng)度均提高。硅微粉能較好地填充骨料與基質(zhì)之間的空隙，使試樣的混合用水量降低，提高耐堿澆注料的致密度。硅微粉具有充填和促進(jìn)燒結(jié)作用，與適當(dāng)?shù)姆稚┕餐褂脮r(shí)，只需少量的水，就可使?jié)沧⒘嫌休^好的流變性，并提高耐堿澆注料的高溫強(qiáng)度[5]。試驗(yàn)方案中硅微粉加入量的增加通過(guò)采用降低建筑陶瓷200目細(xì)粉的方式來(lái)進(jìn)行，硅微粉在高溫下的反應(yīng)活性比建筑陶瓷細(xì)粉大很多，因此硅微粉加入量增大會(huì)造成試樣的燒后收縮率增加。硅微粉加入量太少，不足以提高耐堿澆注料的強(qiáng)度，硅微粉加入量太高，易產(chǎn)生裂紋，影響澆注料的高溫體積穩(wěn)定性。綜合分析硅微粉加入量以5%～6%為宜。

圖4 硅微粉加入量對(duì)試樣常溫抗折強(qiáng)度的影響

圖5 硅微粉加入量對(duì)試樣常溫抗壓強(qiáng)度的影響

圖6 硅微粉加入量對(duì)試樣加熱永久線變化的影響

2.3 顯微結(jié)構(gòu)分析

采用鋁酸鈣水泥加入量為7.5%和硅微粉加入量為5%所制備的試樣經(jīng)1100℃，3h熱處理后，斷面顯微結(jié)構(gòu)如圖7所示。從圖中可以看出，試樣中還存在一定的微氣孔分布，骨料與基質(zhì)之間的結(jié)合牢固，此種結(jié)構(gòu)主要產(chǎn)生貫穿顆粒的穿晶斷裂，對(duì)提高強(qiáng)度十分有利。骨料顆粒形狀主要為片狀，這與所用原材料建筑陶瓷的來(lái)源、成型方式以及破碎加工過(guò)程有關(guān)，片狀不利于澆注料流動(dòng)性的提高?；|(zhì)部分引入的硅微粉與氧化鋁粉反應(yīng)生成柱狀或針狀莫來(lái)石，晶粒之間的結(jié)合強(qiáng)度較高，并穿插或填充在骨架結(jié)構(gòu)的空隙中，莫來(lái)石發(fā)育過(guò)程中形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠起到顯著的強(qiáng)化和韌化作用。基質(zhì)部分還存在一定的玻璃相，玻璃相對(duì)于提高澆注料的致密度和耐堿性比較有利，其一方面來(lái)自建筑陶瓷中的釉料成分，另一方面來(lái)自基質(zhì)中低共熔物的生成。

圖7 1100℃，3h熱處理后試樣斷面顯微結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

（1）試樣經(jīng)110℃，24h和1100℃，3h處理后的常溫強(qiáng)度變化與鋁酸鈣水泥的加入量有關(guān)，水泥加入量增加會(huì)引起試樣中高溫下的低共熔物增多，同時(shí)造成加入永久線變化率的增大。在試驗(yàn)條件下鋁酸鈣水泥的加入量在7%～8%左右。

（2）硅微粉的加入能夠起到降低加水量，提高澆注料的致密性和強(qiáng)度的作用。在試驗(yàn)條件下硅微粉的加入量以5%～6%為宜。

（3）試樣經(jīng)1100℃，3h處理后斷面呈現(xiàn)穿晶斷裂，基質(zhì)中存在莫來(lái)石和低共熔物生成的雙重反應(yīng)。