莫来石均质料制备新型硅莫砖的研究与应用

  摘要：采用莫来石均质料代替Al₂O₃含量为85%或者88%的高铝矾土熟料制备新型硅莫砖，研究了新型硅莫砖的理化性能和耐磨损性能，并与高铝矾土熟料制备的普通硅莫砖进行对比。研究结果表明：其显气孔率和体积密度低，耐压强度和荷重软化温度明显提高，耐磨性能得到改善。说明莫来石均质料能够应用在硅莫砖上，并提高了产品的性能。

  关键词：莫来石均质料，高铝矾土熟料，硅莫砖，耐磨性能，导热系数，水泥窑

  引言

  目前我国矾土资源利用率很低，大量的中低品位的矿石被废弃，资源浪费现象非常严重^[1-2]。立足我国高铝矾土资源特点，采取措施降低Ⅱ等高铝矾土杂质含量（主要TiO₂和Fe₂O₃），并通过多级均化、真空挤泥、高温可控刚玉/莫来石化烧结等联合工艺获得优质莫来石均质料。莫来石均质料二次莫来石化程度高，晶相发育良好，并且吸水率低，结构致密。适宜开发具有低气孔、低蠕变、高耐磨等优良性能新型定型制品^[3-4]。

  随着水泥生产技术的进步，水泥回转窑逐渐向大型化发展。水泥回转窑过渡带对耐火材料热震稳定性、耐磨性、抗机械应力、抗化学侵蚀的要求越来越高。现阶段硅莫砖的生产主要采用回转窑或者倒焰窑生产，铝含量为85%以上的铝矾土与红柱石，碳化硅等配合制备而成^[5-6]。本文研究莫来石均质料替代铝矾土在硅莫砖中的应用。利用莫来石均质料代替Al₂O₃含量为85%或者88%的高铝矾土与红柱石，碳化硅等混合后，经高压成型、高温烧成制备了新型硅莫砖。使用莫来石均质料能够提高产品的荷重软化温度及耐磨性能，同时降低了产品的体积密度，使产品单重减小，从而降低了回转窑内衬负荷达到节能降耗目的，并延长其内衬的使用寿命。

  1. 试验

  1.1试验原料

  新型硅莫砖以莫来石均质料为骨料，特级矾土，碳化硅，红柱石和金属硅为基质配合而成。表1为莫来石均质料的理化性能指标。从表1可以看出，莫来石均质料相对85矾土熟料具有杂质含量低，体密低的特点。

表1 莫来石均质料的理化性能

图1莫来石均质料的XRD衍射谱

图2  莫来石均质料的微观结构照片

  从图1莫来石均质料的XRD图谱可以看出，主晶相为莫来石相，还有一部分刚玉相。从图2莫来石均质料微观结构照片中可以看出，高温烧结莫来石均质料莫来石晶相发育良好，晶粒生长均匀，并且形成较为完善的莫来石网络结构，结构紧密。

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  1.2新型硅莫砖的理化性能

  1.2.1 结果与分析

  1）常规理化性能检测

  按照相应国家标准进行试样常规性能检测，具体如下：按GB/T2997-2000检测试样体积密度和显气孔率，按GB/T5072-2008 检测试样常温耐压强度，按YB/370-1995检测试样的荷重软化温度，按YB/T376.1-1995检测试样的热震稳定性（1100℃，水冷）。

  表2列出了新型硅莫砖烧后试样的理化性能，表3列出了新型硅莫砖与普通硅莫砖理化性能的比较。

表2 新型硅莫砖烧后试样的理化指标

  采用莫来石均质料代替Al₂O₃含量85%或者88%高铝矾土熟料制备新型硅莫砖，与普通硅莫砖性能对比可以发现：新型硅莫砖的Al₂O₃含量降低10%左右，SiC含量相当。但是试样的显气孔率和体积密度降低，新型硅莫砖的耐压强度和荷重软化温度明显提高。

表3新型硅莫砖与普通硅莫砖的性能指标对比

  A 耐磨性

  耐磨性能对于硅莫砖来说是一个非常重要的指标，在高温使用过程中，硅莫砖因为SiC的氧化在其表面形成了一层致密的玻璃质釉层，避免了硅莫砖与磨损颗粒的直接接触，从而起到保护硅莫砖的作用。表面致密釉层在高温使用过程中会被不断的磨损，但其新的致密釉层又会不断形成，使得材料具有良好的耐磨性能^[7]。从新型硅莫砖与普通硅莫砖耐磨系数对比试验可以看出（如表4所示），新型硅莫砖的耐磨性能要优于普通硅莫砖，特别是内部耐磨性能。图3为新型硅莫砖和普通硅莫砖耐磨试验后外观形貌照片。从图中可以看出，普通硅莫砖骨料和基质被冲刷现象比较严重，而新型硅莫砖磨损较少，这主要是因为新型莫来石均质料结构致密，体积稳定，使得硅莫砖的强度高，气孔率低，从而提高了其耐磨性能。

表4常温耐磨实验数据

图3  不同耐火砖耐磨试验后形貌图

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  B 导热性

  目前，已有多种导热系数测试方法，如平板法、热流法、热线法、激光法等等。然而，没有任何一种方法能够适合于所有的应用领域和材料。要得到准确的测量值，必须基于材料的导热系数范围与样品特征，选择正确的测试方法。本实验，在同等的检测方法（激光法）下，对镁铝尖晶石砖和新型硅莫砖进行导热系数的检测，如表5。

表5 导热系数的检测结果(武汉科技大学)

  通过检测数据对比，验证了镁铝尖晶石砖的导热系数大于新型硅莫砖，而在实际应用中，跟踪产品实际使用效果来比较新型硅莫砖和镁铝尖晶石砖筒体温度，同样验证了导热性能上的差异。

  C 荷重软化温度

  表6 给出了不同配方的试样烧成后荷重软化温度。一般情况下，荷重软化温度主要与试样的骨料有关，显然用70莫来石均质料替代85矾土熟料后提高了材料的荷重软化温度。

表6  试样的荷重软化温度

  2 新型硅莫砖的应用

  实例一：下表为某水泥厂回转窑耐火砖砌筑情况：优化前后配置如表7。

表7某水泥公司5000t/d水泥窑的优化前后配置

  在上过渡带前段 28m~35m处，优化前使用镁铝尖晶石砖的筒体温度平均在380℃左右，而优化后使用新型硅莫砖的筒体温度平均在320℃，相差近60℃，可以明显体现出新型硅莫砖能很好的使用在上过渡带前段，替代镁铝尖晶石砖，而且其导热系数比镁铝尖晶石低的特点得到了良好的体现，筒体温度低约60℃，起到了节能的效果。

  实例二：下表是某水泥厂回转窑高温带耐火砖的具体配置情况。为了充分说明新型硅莫砖的导热性低，在上过渡带前段使用了3m（16m~19m）新型硅莫砖，后面11m（19m~30m）砌筑镁铝尖晶石砖以做对比（表8）。

表8  某水泥厂日产2500吨水泥熟料干法水泥窑内衬耐火砖配置

  项目组依据本次试验跟踪观察记录3个月的窑筒体外壁实际温度记录，绘制出图4~图6。

图6-7  5月份窑筒体外壁温度

图6-8  6月份窑筒体外壁温度

图6-9  7月份窑筒体外壁温度

  结合表8耐火砖配置及图4~图6的筒外壁温度可以明显发现，从16m处温度急剧下降，17m左右筒扫温度最低，19m后温度开始上升，到23m~25m达到320℃左右。这与新型硅莫砖所处位置相吻合。以此判断，新型硅莫砖导热系数明显低于镁铝尖晶石砖，可以为水泥厂节约煤耗。

  结论

  1）采用莫来石均质料制备的新型硅莫砖，试样的显气孔率和体积密度低，耐压强度和荷重软化温度高。

  2）与普通硅莫砖相比，新型硅莫砖的耐磨损性能得到改善，并且能够满足水泥窑过渡带的使用。

  3）与普通硅莫砖及镁铝尖晶石砖相比，新型硅莫砖的导热性能性能得到改善，可使水泥窑更加节能。

参考文献：

[1]钟香崇. 我国高铝矾土创新发展的战略思考[J]. 耐火材料，2009，43（4）：241-243.
[2] 魏同，吴运广. 我国高铝矾土的均化与提纯实践[J]. 耐火与石灰，2009，34（2）：4-10.
[3] 王林俊. 我国矾土基均质料的发展现状及其在不定形耐火材料中的应用[J]. 耐火材料，2012，46（3）：220-223.

[4] Yoshimura HN, Abreu AP, Molisani AL, et al. Evaluation of aluminum dross waste as raw material for refractories[J]. Ceramics International, 2008, 34(3): 581-591.

[5] 徐平坤. 硅莫砖的技术性能及其在水泥回转窑的应用[J]. 新世纪水泥导报，2010，6：51-54.

[6] 何文明. 硅莫砖在回转过渡带的使用效果[J], 新世纪水泥导报，2007，6:47-49

[7] 洪彦若，孙加林. 非氧化物复合耐火材料[D]。 北京：冶金工业出版社，2003