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降低成本研發優質水泥窯口用耐火澆注料的實驗
來源: | 作者:254changhong | 發布時間: 2020-10-28 | 85 次瀏覽 | 分享到:
隨著水泥工業窯爐技術水平的不斷發展與提高,我國的水泥窯用耐火材料經歷了一個從無到有、品種從單一到配套、質量從高的一個發展歷程截至目前,無論是耐火材料的品種、數量、質量及其生產工藝和裝備水平,
隨著水泥工業窯爐技術水平的不斷發展與提高,我國的水泥窯用耐火材料經歷了一個從無到有、品種從單一到配套、質量從高的一個發展歷程截至目前,無論是耐火材料的品種、數量、質量及其生產工藝和裝備水平,還是耐火材料的使用和合理配置,都已經有了很地發展與進步。對于新型干法水泥窯來說,復雜的結構和節能等方面的要求也使得磚型和窯襯的設計變得相對復雜。在水泥窯的某些部位,是那些由于結構復雜或窯體變形而不適宜采用耐火磚的部位,采用耐火澆注料比采用定型磚更加適合。在新型干法水泥燒成系統中,窯口是十分關鍵和的部位。該部位使用條件復雜而苛刻,襯體材料損壞較快,而襯體的更換要在停窯冷卻后才能進行,因此,窯口襯體材料的好壞直接制約著熟料燒成系統的運轉率和水泥熟料的產量。有資料表明,80的停窯是由于局部耐火材料的蝕損造成的。目前,國內新型干法水泥窯口普遍采用耐火澆注料作為襯體材料,且大型干法水泥窯窯口使用的耐火澆注料的使用壽命一般為4~6個月。本研究旨在通過選用較的原料確定合理的骨料組成,從而研制出優質的水泥窯口用高鋁質耐火澆注料。這樣不可以更好地提高窯口用耐火澆注料的性能,同時也有利于企業降低生產成本和提高市場競爭力,更是對資源的一種合理、有效的利用。
1實驗配方
以全棕剛玉骨料為基礎,通過采用較的原料逐步適量取代骨料中的較高成本的原料,以考察骨料組成對澆注料性能的影響。配方見表1。
表1實驗配方
2實驗步驟
2.1試樣制備
1)在試樣制備中骨料與粉料的質量比為62∶38.按配方配制混合料(S和W系列,每個配方做3個模具,共9塊試樣,標記為1組、2組和3組),裝于塑料袋內,封閉袋口,手工干混約1min。
2)將袋內混好的料倒入攪拌器內,將稱量好的鋼纖維均勻撒入其中,繼續機械干混1min,然后在30s內均勻加入2/3的水,攪拌1min,停止攪拌后,用鏟子將攪拌器的物料攪拌均勻(因為攪拌器底部攪拌不均),繼續攪拌,均勻加入剩余的1/3的水,再攪拌2min,然后停止攪拌。
3)將攪拌好的澆注料裝入模具中(尺寸為160mm×40mm×40mm),于振幅為0.85mm,頻率為50Hz的振動臺上振動成型(振動時需將模具固定好),成型24h之后脫模,再自然養護24h,試樣在烘干(110℃×24h)和不同溫度(1100℃×3h,1400℃×3h)的熱處理后,按相關標準對試樣的性能進行測試。
2.2性能測試
2.2.1氣孔率與體積密度
氣孔率即顯氣孔率B,是指試樣中的開口氣孔總體積占試樣總體積的百分比.體積密度d是指試樣烘干后的質量與其總體積之比.按照國家標準GB/T2997—2000進行測定。實驗步驟為:①試樣要求:每組試樣不得少于三塊。②干燥試樣的稱量:將測量過抗折強度和抗壓強度的半塊試樣表面黏附的細碎顆粒刷凈,稱量每個試樣的質量,記錄為m1,精確到0.01g。③試樣浸漬:將試樣放于抽真空的-1488-萬方數據2017年9月張夢真,等:骨料組成對水泥窯口耐火澆注料的影響裝置中,抽真空至剩余壓力小于2.5kPa,保持恒壓12min,然后2min內緩慢注入浸漬液,直至試樣完全淹沒.在真空中保持10min,使試樣充分飽和.④飽和試樣表觀質量測定:將飽和試樣迅速移至帶溢流管的容器中,掉在天平的掛鉤上,待浸漬液完全淹沒試樣并于液面平靜后,稱量飽和試樣在液體中的懸浮質量,記作m2,精確到0.01g。⑤飽和試樣在空氣中的質量測定:從浸漬液中取出試樣,用飽和了液體的毛巾小心擦去試樣表面多余的液滴(不得把氣孔中的液體吸出).立即稱量飽和試樣在空氣中的質量,記作m3,精確至0.01g。按照下列公式進行計算:
氣孔率B=(m3-m1)/(m3-m2);(1)
體積密度d=m1/(m3-m2).(2)
2.2.2燒成線變化
燒成線變化是指試樣在規定的溫度下加熱時間后的長度不可逆變化量與加熱前其長度之比,以百分率表示.根據國家標準GB/T5988—2007進行測定.將成型好、自然養護1d的試樣(160mm×40mm×40mm)于干燥箱中烘干(110℃×24h),干燥完成之后,用游標卡尺測量2組和3組每塊樣品的長度L,并在測量的位置做好標記,之后,將2組樣品置于電阻爐中煅燒(1100℃×3h),無升溫曲線;將3組試樣置于電阻爐中煅燒(1400℃×3h),升溫曲線為0~400℃為1h,400~1000℃為1h,1000~1400℃為2h,1400℃保溫3h(樣品放置在爐膛的均溫帶,且每塊樣品之間至少間隔1cm,層與層之間墊有白剛玉),停爐后,試樣隨爐自然冷卻,待爐溫低于200℃時,將煅燒好的樣品取出,冷卻至室溫,在標記的同一位置測量樣品燒后長度L′,則樣品的燒成線變化為:
(3)
2.2.3抗折強度
抗折強度包括常溫抗折強度和高溫抗折強度.常溫抗折強度是在常溫下,試樣受到彎曲負荷的作用而斷裂時的限應力,以MPa表示。根據國家標準GB/T3001—2000進行測定。抗折強度是在三點彎曲裝置上,以規定的加荷速率對規定尺寸的試樣施加張應力,直至試樣斷裂.抗折夾具是由相互平行的兩個支撐輥和一個中心加荷輥組成,加荷輥位于支撐輥的,偏離中心不大于1mm,支撐輥間的距離L為100mm。實驗步驟為:①測量冷卻試樣中部的寬度h和高度b,并記錄(試樣經烘干和煅燒后,從冷卻到試驗的時間間隔不得超過3d)。②調整抗折夾具,使各部位位置準確。③以試樣成型側面做承壓面,將試樣置于抗折夾具的支撐輥上,調整加壓輥置于支撐輥并垂直于試樣長軸。④開啟開關,打開進油閥,對試樣均勻加荷,直至斷裂,同時關閉進油閥開啟閉油閥,記錄試樣斷裂時的荷載F。
常溫抗折強度按下列公式計算:
Rt=32(FL/bh2),(4)
式中:Rt為抗折強度,MPa;F為試樣斷裂時的荷載,N;L為支撐輥間的距離,mm;b為試樣的高度,mm;h為試樣的寬度,mm。
2.2.4抗壓強度
常溫抗壓強度是在室溫下,試樣受到壓力負荷的作用而破壞的限應力,以單位MPa表示.根據國家標準GB/T5072—2008進行測定.抗壓強度是在加壓裝置中,以規定的加荷速率對規定尺寸的試樣施加壓應力直至試樣破壞.常溫抗壓強度可以用直接成型試樣,也可以用抗折強度試驗后的兩個半截試樣。①測量試樣上、下承壓面的寬度.②將試樣按規定放置在加壓裝置中.③對試樣均勻加荷,直至試樣破壞,記載試樣破壞時的荷載F.則常溫抗壓強度為:
Gs=F/ab,(5)
式中:Gs為抗壓強度,MPa;F為試樣斷裂的荷載,N;a為加壓板的寬度,mm;b為試樣的寬度,mm。
2.2.5抗熱震性
耐火澆注料對溫度急劇變化所產生破損的抵抗性能。根據國家標準YB/T2206.1—1998進行測定.在本試驗中,采用空氣急冷法:在規定的試驗溫度和壓縮空氣流急冷介質作用下,形狀和尺寸的試樣,在經受急熱急冷的溫度突變后,通過施加彎曲應力而斷裂或噴吹爆裂時,所經歷的急熱急冷循環次數來確定耐火澆注料的抗熱震性.實驗步驟為:①先將試樣置于烘箱內于110℃下干燥至恒重,并升溫至200℃保溫2h。②將電爐升溫加熱到950℃并保溫15min,迅速將試樣從烘箱移入爐膛內并立即關閉爐門。在整個過程中,應確保爐溫降低小于50℃。另外,注意試樣間的間距應大于10mm。③使爐溫5min內回升至950℃,并使試樣在950℃下保溫25min。④保溫25min后,打開爐門,迅速取出試樣置于風扇下,并立即啟動風扇急冷30min。⑤待試樣完全冷卻后,在重復上述步驟.⑥風冷熱震三次后,待試樣冷卻至室溫后,再測定其殘余抗折強度.用該殘余強度與未熱震試樣的強度之比(百分數)即強度保持率表示試樣的抗熱震性.
3試驗數據
在S系列中,S1以棕剛玉為骨料,S2以50%的特級礬土代替骨料中的棕剛玉,S3以特級礬土為骨料,S4以50%的一級礬土代替骨料中的特級礬土,S5以一級礬土為骨料;而在W系列中,W1與S3相同,在W2、W3、W4中,以SiC分別不同程度地代替骨料中的部分特級礬土。對這些骨料組成變化的試樣進行性能測試,其結果如表2.
表2性能測試結果
4數據分析
從圖1、圖2中可以看出,在S系列中,試樣經過三種溫度的熱處理后,從S1到S5,試樣的氣孔率大體上呈增加、體積密度呈降低的趨勢,試樣烘干后的氣孔率大體上呈增加的趨勢,主要是因為試樣在成型時,
圖1骨料組成對耐火澆注料氣孔率的影響
圖2骨料組成對耐火澆注料體積密度的影響
圖3骨料組成對耐火澆注料燒成線變化的影響
在試樣具有相似流動性和振動充分的情況下,從S1到S5,加水量逐漸增加,從而使得烘干后試樣的氣孔率依次增大。
試樣經高溫處理后的氣孔率明顯高于經110℃干燥處理的氣孔率,但其中經1100℃煅燒的試樣的氣孔率高于經1400℃煅燒的試樣。主要是因為經1100℃煅燒時,試樣中水泥的水化產物發生脫水反應,同時,試樣又未發生燒結反應,使得其氣孔率較高,結構不密實.而1400℃煅燒時,試樣中水化產物發生脫水,同時,又由于有莫來石生成反應存在,反應中的體積膨脹都導致氣孔率增大。配方S3的骨料為特級礬土,經1400℃煅燒3h后的氣孔率過大,可能是測試氣孔率的過程中,操作不當所導致的;在配方S1中,骨料全為棕剛玉,配方S2、S3、S4、S5的骨料依次為:棕剛玉/特級礬土、特級礬土、特級礬土/一級礬土、一級礬土,同時,棕剛玉密度大于礬土,特級礬土的密度大于一級礬土,從而使得S1至S5,試樣的密度逐漸降低。在W系列中,從W1到W4,隨著骨料中SiC加入量的增多,整體上試樣的氣孔率逐漸增大,體積密度逐漸降低。W1與S3為同一組試樣。體積密度逐漸降低主要是由于SiC代替了原配方中的部分特級礬土,特級礬土的密度大于SiC,導致試樣密度的下降;同時,對于經過高溫煅燒處理的試樣,由于在1000℃左右,SiC開始分解,在加熱氧化過程中會生成CO2,反應方程式:
SiC+2O2=SiO2+CO2.
導致試樣中氣孔的增多,即氣孔率增大,體積密度下降。但配方W2出現反常,1100℃煅燒3h處理后,其氣孔率和體積密度較大,可能是由于混料時混合不均勻所致。
從圖3中可以明顯看出,試樣經過1100℃煅燒3h的熱處理后,其燒成線變化表現為燒成收縮:在S系列中,燒成收縮先增后降,在配方S3時達到燒成收縮。從S3到S5逐漸降低,主要是因為在骨料中一級礬土逐漸代替特級礬土,雖然一級礬土中雜質含量較多,使得液相量增加,但是其莫來石化反應程度高于特級礬土,使得其體積膨脹效應較大,從而整體上表現為收縮減小。在W系列中,從W1到W4,隨著SiC含量的增加,試樣的燒成收縮表現為持續降低,主要是由于碳化硅發生氧化反應,生成氧化硅,氧化硅與基質中的活性氧化鋁發生二次莫來石化反應,反應程度依次增加,其體積膨脹效應也依次,更多地抵消了制品的收縮,從而整體上燒成收縮逐漸降低。試樣經過1400℃煅燒3h的熱處理后,其燒成線變化一部分為線膨脹,一部分為線收縮,但總體上表現為線膨脹且膨脹較小,這是由于晶體的發育生長所致;S3表現為線收縮,主要是由于采用特級礬土做耐火骨料,純度較高,SiO2等雜質總含量越少,莫來石化程度較低,體積膨脹效應較小,而且在該溫度下試樣燒結較好。
從圖4可以看出,在S系列中,試樣的烘干抗折強度總體上先升后降,在配方S4時,其抗折強度達到。對試樣的燒后抗折強度而言,總體上較烘干抗折強度低,從S1到S5,抗折強度總體上表現為降低:經過1100℃煅燒3h的熱處理后,燒后抗折強度逐漸降低,是因為在1100℃煅燒過程中,試樣中既無水合結合作用,也無陶瓷結合作用,顆粒間黏結強度較小,而且密實度越來越低,所以抗折強度逐漸降低。經過1400℃煅燒3h的熱處理后,燒后抗折強度也
圖4骨料組成對耐火澆注料抗折強度的影響
是逐漸降低的,且降低幅度較大,主要是因為從S1到S5,試樣的莫來石化程度逐漸增加,體積膨脹效應較大,氣孔率逐漸增大,而且莫來石化反應阻礙燒結,而且玻璃相增加,其強度低于晶相,導致試樣強度降低。在S4處出現反常可能是由于測抗折強度時加壓速度過快所致。S1強度,是因為骨料全為棕剛玉,氧化鋁含量高,等雜質含量少,生成低熔礦物少,從而使得強度較高;S3骨料全為特級礬土,其雜質含量較棕剛玉多,其中,二氧化鉀可大幅度降低開始出現液相的溫度,增加液相量,所以高溫性能大大降低,另外,在高溫下,氧化鐵在二氧化鈦存在的條件下,可與氧化鋁形成鐵的鈦酸鋁,從而降低燒結溫度,降低了制品的高溫力學性能,另一方面是由于加水量逐漸增加,也使得性能有所下降;配方S4強度高于S3,可能是因為S3的氣孔率略高于S4,結構不密實;配方S5骨料全為一級礬土,雜質含量較S4多,而且加水量多于S4,綜合其他使得強度低于S4.在W系列中,從W1到W4,隨著試樣骨料中SiC含量的增加,試樣的烘干抗折強度先增后降,在W2處達到,總體表現為逐漸降低,主要是由于SiC的瘠水性,在110℃×24h烘后的條件下,SiC并不會發生水化反應,對澆注料的強度也不會產生貢獻,所以過多的SiC加入對耐火澆注料的中、低溫強度是不利的.試樣的燒后抗折強度較烘干抗折強度低,且隨著SiC含量的增加逐漸降低:經過1100℃煅燒3h的熱處理后,試樣的抗折強度降低幅度較小;經過1400℃煅燒3h的熱處理后,試樣的抗折強度逐漸降低且幅度較大。主要是因為從W2到W4,試樣中的莫來石化反應程度增加,增大了顆粒間的間隙,試樣的氣孔率逐漸增大,結構不密實,對燒結的阻礙作用增強,使得試樣燒結逐漸變差,強度降低。
由圖5可以看出,在S系列中,試樣的烘干耐壓強度處于波動狀態,主要與試樣成型時的流動性好壞有關,當流動性一致時,加水量越多,其氣孔率越大,從而耐壓強度越小,與抗折強度相一致。試樣的燒后耐壓強度,經1100℃煅燒3h熱處理后,其燒后耐壓強度總體上先升后降,在配方S3處達到。理論上強度是逐漸變低的,配方S1、S2強度較低,可能是因為在成型時混料不均所致,同時,在測量耐壓強度過程可能存在不當操作.經1400℃煅燒3h熱處理后,其燒后耐壓強度逐漸降低,是因為耐壓強度與抗折強度成正比,抗折強度逐漸降低,從而耐壓強度也逐漸降低。在W系列中,從W1到W4,隨著SiC含量的增加,試樣的烘干耐壓強度先升后降,在配方W2處達到。對于燒后耐壓強度,經過1100℃煅燒3h熱處理后的試樣,其耐壓強度逐漸降低。經過1400℃煅燒3h熱處理的試樣,其燒后耐壓強度總體上呈下降趨勢,在W2處出現反常,可能是由于在測耐壓強度的操作過程中,加壓速度過快所致。燒后耐壓強度的變化原因與抗折強度相似。
從圖6可以看出,加入碳化硅能顯著改善澆注料的抗熱震性能,并且,從W1到W4,隨著骨料組成中碳化硅加入量的增加,抗折強度保持率大體上呈現持續增加的趨勢。主要是因為材料受熱沖擊產生的熱應力與材料的導熱系數有關,碳化硅導熱系數較高,則當受熱時,傳熱速度較快,使得制品內外溫差較小,利于制品內溫度均勻化,對試樣的損壞較小,從而改善了材料的抗熱震性;碳化硅加入量越多,則抗熱震性越好。提高試樣的抗熱震性從原料設計上主要考慮微裂紋增韌、熱膨脹系數、導熱系數這三方面的性能。莫來石主要是熱膨脹系數小,有微裂紋增韌作用;碳化硅主要是導熱系數高.

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