高壓電瓷、建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷...誰才是耐堿澆注料最好的選擇？

水泥回轉(zhuǎn)窯預熱器系統(tǒng)內(nèi)、預分解爐、上升煙道、三次風管等部位由于承受著較高的工作溫度，較快的窯速，復雜的機械結(jié)構(gòu)，以及堿揮發(fā)性組分的富集，從而導致嚴重的堿侵蝕，容易造成耐火材料使用壽命縮短。耐堿澆注料主要用于窯爐內(nèi)襯有堿侵蝕的部位，與堿蒸氣接觸時，在高溫條件下表面能形成一層致密的釉面層，可阻止侵蝕繼續(xù)加深，從而提高窯爐內(nèi)襯的使用壽命?？梢杂糜谥苽淠蛪A澆注料的原料有焦寶石、鋁礬土、碳化硅等，這些原料在性能方面滿足了耐堿澆注料的使用要求，但在成本上比較高，市場應用受到限制，目前耐堿澆注料的主要原料還是以工業(yè)回收陶瓷為主。工業(yè)回收陶瓷經(jīng)過了1200?1300℃的高溫燒成處理，具有一定的強度，比較致密而且穩(wěn)定，體積密度適中，硬度高，能夠使用到1100℃左右。在成分方面工業(yè)回收陶瓷中Al2O3的含量(w)—般在20%?30%之間，SiO2的含量(w)一般在60%?70%之間，含鐵等雜質(zhì)少，而且本身就含有一定的釉料成分，高硅低鋁耐堿性好，比較適合用于鋁硅質(zhì)耐火材料的中低溫系列耐堿耐磨產(chǎn)品。在本研究中，選用了工業(yè)回收陶瓷中的建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、高壓電瓷3種作為制備耐堿澆注料的主要原料，對性能進行了對比。

1、試驗

1.1原料

試驗分別以建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、高壓電瓷為骨料，采用五級顆粒級配，即8?5、5?3、3?1、及<0.074mm細粉，并加入同樣含量的二氧化硅微粉、氧化鋁粉、鋁酸鈣水泥、減水劑等材料，所采用主要原料的理化性能指標見表1。

表1主要原料的理化性能

1.2試驗方法和性能檢測

表2試驗配方

試驗配方如表2所示，為更好的對比不同原料，3種原材料都采用相同的顆粒配比，按照配比準確稱量所需原料，倒入攪拌機中混合均勻后，加適量水攪拌3min，然后分別倒入40mmx40mmx160mm的三聯(lián)模中和外形為70mmx70mmx70mm中心上方設有一個φ25mmx35mm孔洞的坩堝狀模具中，振動成型。試樣室溫養(yǎng)護72h后，在110℃干燥24h，干燥后部分試樣分別經(jīng)過600℃保溫3h和1100℃保溫3h燒成。耐堿性試驗按照JC/T808—2013中規(guī)定的方法進行。

2、結(jié)果與討論

2.1常溫性能分析

表3表示采用不同原料制備的澆注料在110℃保溫24h干燥、600℃保溫3h和1100℃保溫3h后試樣體積密度、常溫耐壓強度、常溫抗折強度和加熱永久線變化率的檢測結(jié)果。

表3試樣性能檢測結(jié)果

從表3可以看出，試樣干燥后采用高壓電瓷制備的澆注料體積密度最大，而采用建筑陶瓷和衛(wèi)生陶瓷制備的澆注料體積密度差別不大。結(jié)合表1與表3數(shù)據(jù)，分析3種原料的體積密度關(guān)系可知，高壓電瓷骨料的體積密度2.56g·cm3，而建筑陶瓷和衛(wèi)生陶瓷的骨料體積密度分別為2.31和2.32g·cm3，因此，所采用原料骨料的體積密度與干燥后澆注料試樣體積密度直接相關(guān)，呈現(xiàn)相同的變化趨勢。3種原料顆粒體積密度受成分、陶瓷成型方式、燒結(jié)溫度等因素的影響，高壓電瓷骨料中的體積密度最大，其中，所含的Al2O3成分含量也明顯比建筑陶瓷和衛(wèi)生陶瓷高。在澆注料達到同樣流動性的條件下，采用高壓電瓷、建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷制備的澆注料的加水量(w)分別為5.71%、5.95%、6.02%。這與原料顆粒的顯氣孔率變化趨勢一致，說明在制樣過程中有相當量的水分被骨料顆粒吸收。此外不同原料制備時的成型方式不同，可能采用注漿、等靜壓、機壓等方式，這也引起原料破碎后的顆粒形狀不同，因此，最佳的顆粒級配需要根據(jù)每種原料的特征進行調(diào)整。

從表3中經(jīng)不同溫度處理后試樣室溫強度的變化趨勢可以看出，在耐壓強度方面3種澆注料都呈現(xiàn)相同的變化趨勢，600℃處理后的試樣常溫耐壓強度最高，110℃處理后的最低;經(jīng)110℃干燥后澆注料的強度主要源于鋁酸鈣水泥中礦物相水化物對系統(tǒng)物相的粘結(jié)作用。澆注料中加入氧化鋁粉、二氧化硅微粉未對鋁酸鈣水泥中礦物相的水化作用及澆注料強度造成明顯影響。600℃處理后的試樣通常情況下在常溫下形成的部分水化結(jié)合物由于結(jié)構(gòu)水的脫去而被破壞，而新的陶瓷結(jié)合由于溫度偏低尚未形成，會引起耐壓強度的降低，但實際情況是耐壓強度最高。分析認為二氧化硅微粉、氧化鋁粉在基質(zhì)中形成了凝膠結(jié)合系統(tǒng)，凝膠結(jié)合系統(tǒng)對強度增加的影響超過了部分水化相對強度降低的影響，因此，會引起600℃的強度比110℃的強度偏高。種澆注料試樣經(jīng)1100℃處理后，耐壓強度比600℃均有所降低，在1100℃溫度條件下澆注料內(nèi)已經(jīng)形成了陶瓷結(jié)合，而且3種陶瓷原料表面都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)過程中形成液相，液相的形成一方面有助于促進結(jié)構(gòu)的致密化;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，這在加強澆注料的骨料和基質(zhì)整體化效果的同時，造成澆注料常溫韌性降低，脆性增加，特別是對于澆注料這種內(nèi)部不均一結(jié)構(gòu)，強度對各種缺陷、裂紋等因素變得十分敏感，因而造成1100℃處理后的強度反而有所降低。3種澆注料在不同溫度條件的常溫抗折強度與常溫耐壓強度變化趨勢相同。不同原材料制備的澆注料之間的強度差別與制備過程中的加水量也有一定關(guān)系。

在加熱永久線變化率方面，3種澆注料經(jīng)600℃處理后的試樣線變化率接近，而經(jīng)1100℃處理后的試樣線變化率有所差別。由于3種澆注料中都形成了部分液相，而且建筑陶瓷中的堿金屬氧化物含量最高，因此加熱永久線變化率最大。高壓電瓷中的氧化鋁含量最高，1100℃處理后生成的液相含量低，因此加熱永久線變化率最低。此外，3種澆注料中都會發(fā)生莫來石化過程，此過程所產(chǎn)生的體積膨脹可以部分抵消澆注料燒結(jié)過程中的體積收縮，起到降低加熱永久線變化率的作用。

2.2耐堿性能分析

將3種澆注料按照JC/T808—2013中規(guī)定的方法進行耐堿性試驗，耐堿試驗后試樣的斷面照片如圖1一圖3所示。從中可以看出，碳酸鉀對3種澆注料試樣的侵蝕均非常輕微，幾乎觀察不到滲透，僅僅是碳酸鉀在熔化后附著在界面部位，未產(chǎn)生明顯顏色變化。按照硅鋁質(zhì)耐火澆注料耐堿性試驗方法中的評定標準，3種澆注料性能全部達到一級。對比3種澆注料的耐堿性，采用建筑陶瓷制備的澆注料耐堿性最好，采用衛(wèi)生陶瓷制備的澆注料耐堿性最差，分析認為主要是因為建筑陶瓷中的釉料成分熔點較低，產(chǎn)生熔融的速度快，在試樣表面有利于形成致密的保護膜，能夠使堿蒸氣無法侵入到試樣內(nèi)部，從而大大提高了耐堿性;采用衛(wèi)生陶瓷制備的澆注料由于本身含有的釉料成分熔化溫度較高，在堿蒸氣滲入之前未能形成有效的保護膜，而且衛(wèi)生陶瓷骨料相對于其他兩種骨料氣孔率較高，其中的高硅低鋁成分與堿蒸氣反應生成部分鉀長石等物質(zhì)造成耐堿性下降;采用高壓電瓷料制備的澆注料體積密度大，氣孔率低，而且釉料成分熔化后也能夠形成保護膜，兩種作用在一定程度上都能夠抵抗堿蒸氣滲入材料內(nèi)部，因此有助于提高澆注料的耐堿性。

3種澆注料在耐堿侵蝕試驗過程中碳酸鉀分解形成的K2O會與基質(zhì)中部分Al2O3和SiO2形成高溫液相，而且，此過程發(fā)生在釉料熔化形成保護膜之前，當試驗結(jié)束時，試樣隨爐冷卻至室溫，高溫液相會主要聚集在澆注料顆粒間的邊界位置析晶，在一定程度上會造成澆注料結(jié)構(gòu)疏松，冷卻后耐堿侵蝕試樣一旦受到外力作用，容易在顆粒間邊界位置發(fā)生斷裂。綜合來講，在應用過程中澆注料的損壞主要是由于堿性揮發(fā)成分過量富集，并與材料中的Al2O3、SiO2等組分發(fā)生反應，生成長石類化合物(鉀長石、鈉長石、霞石等)變質(zhì)層，從而產(chǎn)生體積膨脹而導致材料出現(xiàn)“堿裂”。而且變質(zhì)層的成分、結(jié)構(gòu)與原材料不同，兩者的熱膨脹系數(shù)存在明顯差異，導致產(chǎn)生不可逆的體積變化，在變質(zhì)層處產(chǎn)生脹縮剪應力，當溫度波動時隨熱應力的作用，裂紋擴展并貫通，最終會產(chǎn)生開裂、剝落，引起材料的損毀。

采用高壓電瓷、衛(wèi)生陶瓷、建筑陶瓷制備的澆注料在經(jīng)過燒結(jié)后表面出現(xiàn)釉面層，釉面層作為附著于陶瓷等基體表面的一種連續(xù)的玻璃層或玻璃體與晶體的混合層，具有較高的致密性，能夠有效阻止侵蝕介質(zhì)進入基體內(nèi)部，在提升澆注料抗?jié)B透與侵蝕性方面具有重要作用。釉面層周圍為玻璃相基質(zhì)，在較低溫度下澆注料表面可以出現(xiàn)液相，這些黏滯液相可堵塞表面縫隙，并起到阻止堿蒸氣滲透到耐火材料內(nèi)部的作用。而且這種釉面和液相形成的過程產(chǎn)生在堿蒸氣形成之前能夠?qū)沧⒘掀鸬礁玫谋Ｗo作用。

3、結(jié)論

(1)對比采用3種不同原材料制備耐堿澆注料常溫性能，采用高壓電瓷料制備的耐堿澆注料在體積密度、常溫強度、加熱永久線變化率等性能方面優(yōu)于采用建筑陶瓷和衛(wèi)生陶瓷制備的耐堿澆注料，采用高壓電瓷料制備的耐堿澆注料體積密度達到2.4g·cm3，在同樣顆粒級配的條件下，這與原料的成分、體積密度以及原料制備時的成型方式相關(guān)。

(2)采用3種原材料制備的耐堿澆注料經(jīng)110℃保溫24h處理后的試樣強度主要靠水泥水化相提供，600℃保溫3h處理后的試樣強度主要靠微粉形成的凝膠結(jié)合系統(tǒng)提供，1100℃保溫3h處理后的試樣強度主要靠燒結(jié)形成的陶瓷結(jié)合提供。不同原材料制備的澆注料之間的強度差別與制備過程中的加水量也有一定關(guān)系。

(3)原材料中的釉料成分能夠提高澆注料的耐堿性，采用3種原材料制備的耐堿澆注料的耐堿性能均能夠達到一級。經(jīng)過耐堿性對比，在試驗條件下采用建筑陶瓷制備的澆注料耐堿性最好，采用高壓電瓷料制備的耐堿澆注料耐堿性其次，采用衛(wèi)生陶瓷制備的澆注料耐堿性最差，耐堿性除了與釉面層的保護有關(guān)，而且與材料的致密度也有關(guān)系。

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