低导热镁铝尖晶石复合砖的研制

  前言

  近年来，随着人们对生活环境的标准不断提高，国家环境保护和节能减排的政策随之相继推出。一氧化碳、二氧化碳等有害气体排放量已成为数字化，窑炉使用企业对窑衬的低导热系数的材料呼声不断提高，镁铝尖晶石砖作为水泥回转窑过渡带、石灰窑主要窑衬材料，它具有抗热震性好，抗化学侵蚀能力强，性价比高等优点[1-3]。但导热系数高保温性能差，镁铝尖晶石砖导热系数为3.2（W/mk）,直接导致回转窑筒体温度过高，能源消耗过大成为镁铝尖晶石砖今后发展瓶颈，所以低导热镁铝尖晶石复合砖的研制势在必行。本研究采用工作层和复合层的结构来降低窑衬的导热系数。复合层采用镁橄榄石和高纯镁砂为主原料，镁橄榄石（Mg₂SiO₄）是岛状结构的硅酸盐矿物，具有强度高，熔点高（1890℃），化学和矿物稳定性好，气孔率高、体密低、热导率低（为纯氧化镁的1/3-1/4）[4]，且呈弱碱性，与大多数碱性耐火材料具有良好的相容性。本研究主要了解如何用复合材料降低回转窑窑衬的导热系数和两种不同的碱性材料如何匹配的性能。

  1试验

  1.1试验原料

  1.2试样制备

  试样由两种不同材质组成，结构图如图1所示，又分为工作层和复合层。

  两种材质分别按照表2、3配方进行，首先是按配方中原料称重，然后颗粒原料在50Kg混碾机中预混5分钟，加入纸浆废液和氯化镁溶液（纸浆废液与氯化镁溶液比例为2:1），最后加入细粉再混碾5分钟。

  将混好泥料在630吨压力机上两种材质一次成型，保证每公斤一锤的原则，半成品试样在干燥箱中110℃干燥24h,干燥后试样放入隧道窑中分别为1610℃-1620℃烧结。

  1.3  性能检测

  显气孔率、体积密度按GB/T2997-2000标准检测，常温耐压强度按GB/T5072-2008标准检测，荷重软化温度按YB/T370-1995标准检测，常温抗折强度按GB/T3001-2007标准检测，高温抗折强度按GB/T3002-2004标准检测，以150×25×25mm试样为例，工作层长度75mm,复合层长度75mm,受压点在试样1/2的结合处。试样冷端表面温度模拟试验对比，首先试样放在重烧炉炉门处，与炉门平行试样周围用高温棉镶实，使炉温升至1100℃并保温3个小时，然后用红外测温仪测出试样冷端表面温度，每个试样共测3个点，最终求出平均值进行对比。

  1结果与讨论

  2.1试样的工作层性能

  由表4可以看出，低导热镁铝尖晶石复合砖采用了高纯电熔镁砂和高档电熔镁铝尖晶石。显气孔率较低体积密度较高，热震稳定性较好。其他指标都比较接近。

  2.2试样的复合层显气孔率和体积密度

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  图2中四个试样中2#、3#、5#、6#试样高纯镁砂加入量分别为30%、20%、40%、10%，5#镁砂加入量最高，高温下镁橄榄石产生多余SiO2与高纯镁砂中MgO生成镁橄榄石相伴随着体积膨胀，是造成5#试样显气孔率最高体密最低主要原因。6#试样高纯镁砂加入量最少，生成镁橄榄石相较少伴随体积膨胀较小，所以6#试样显气孔率较低。由图2可以看出随着高纯镁砂加入量增加，显气孔率随之升高，体密随之下降。传统镁铝尖晶石体密3.0g/cm3,低导热镁铝尖晶石复合砖工作层体密3.0g/cm3,复合层2.55 g/cm3，以198×220×69/74尺寸的砖为例，复合层高度为80mm来计算，传统镁铝尖晶石砖单重为9.34Kg,低导热镁铝尖晶石复合砖单重为8.82Kg,整体单重下降5%。

  2.3  试样的复合层常温耐压强度

  四个试样中2#、3#、5#、6#试样高纯镁砂加入量分别为30%、20%、40%、10%，只有适量的加入高纯镁砂在1610℃高温下生成镁橄榄石相促进试样致密化，才能提高常温耐压强度。由图3可以看出2#试样烧结较致密所以强度最高，5#试样由于显气孔率高，组织结构疏松，常温耐压强度最低。

  1.4试样的抗折强度

  由于2#、3#、5#试样的工作层与复合层结合处均出现了微裂纹，出现裂纹说明工作层与复合层两种材质膨胀系数不匹配。6#试样工作层与复合层结合处没有裂纹，就说明6#试样的两种材质膨胀系数比较接近，也是造成6#试样常高温抗折最高的主要因素。

  1.4试样导热模拟试验对比

  由图5可以看出低导热镁铝尖晶石复合砖与传统镁铝尖晶石砖在炉温1100℃情况下保温3个小时试样冷端表面降低120℃，继续保温6、9个小时情况下，试样冷端表面温度没有变化。

  3、结论

  （1）低导热镁铝尖晶石复合砖复合层随着高纯镁砂加入不断增加试样显气孔率越高，体密越低，有利于导热系数降低。

  （2）随着高纯镁砂含量的增加，复合层与工作层结合处出现微裂纹，说明两种材质膨胀系数不匹配，也造成常高温抗折强度降低。在高纯镁砂加入量10%为最佳，复合层与工作层结合处没有出现裂纹，两种材质膨胀系数比较接近。常温抗折强度达到7.6MPa,1400℃抗折强度2.5MPa。

  （3）低导热镁铝尖晶石复合砖采用工作层和复合层的结构，降低了每块产品单重5%，从而减轻筒体承受载荷。低导热镁铝尖晶石复合砖与传统镁铝尖晶石砖做导热模拟试验对比，试样冷端表面温度降低约120℃。

  参考文献：

  [1]袁林、王杰增.新型干法水泥窑用耐火材料的现状与发展[J]耐火材料.2010.44（55）：383-386

  [2]姜发茂、孙丽枫、于景坤.镁铝尖晶石质耐火材料的开发与应用[J].工业加热.2005.34（2）：56-59

  [3]荆桂花、肖国庆、镁铝尖晶石基耐火材料的最新研究进展.[J].耐火材料.2004.38（5）：347-349

  [4]霍素珍.具有发展前景的耐火原料镁橄榄石[J].国外耐火材料.20144.29(1):76-79