高壓電瓷、建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷...誰(shuí)才是耐堿澆注料最好的選擇？

水泥回轉(zhuǎn)窯預(yù)熱器系統(tǒng)內(nèi)、預(yù)分解爐、上升煙道、三次風(fēng)管等部位由于承受著較高的工作溫度，較快的窯速，復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，以及堿揮發(fā)性組分的富集，從而導(dǎo)致嚴(yán)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(shí)，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。可以用于制備耐堿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(mǎn)足了耐堿澆注料的使用要求，但在成本上比較高，市場(chǎng)應(yīng)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(guò)了1200?1300℃的高溫?zé)商幚?，具有一定的?qiáng)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(duì)性能進(jìn)行了對(duì)比。

1、試驗(yàn)

1.1原料

試驗(yàn)分別以建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、高壓電瓷為骨料，采用五級(jí)顆粒級(jí)配，即8?5、5?3、3?1、及<0.074mm細(xì)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(biāo)見(jiàn)表1。

表1主要原料的理化性能

1.2試驗(yàn)方法和性能檢測(cè)

表2試驗(yàn)配方

試驗(yàn)配方如表2所示，為更好的對(duì)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(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?min，然后分別倒入40mmx40mmx160mm的三聯(lián)模中和外形為70mmx70mmx70mm中心上方設(shè)有一個(gè)φ25mmx35mm孔洞的坩堝狀模具中，振動(dòng)成型。試樣室溫養(yǎng)護(hù)72h后，在110℃干燥24h，干燥后部分試樣分別經(jīng)過(guò)600℃保溫3h和1100℃保溫3h燒成。耐堿性試驗(yàn)按照J(rèn)C/T808—2013中規(guī)定的方法進(jìn)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(qiáng)度、常溫抗折強(qiáng)度和加熱永久線(xiàn)變化率的檢測(cè)結(jié)果。

表3試樣性能檢測(cè)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(shì)。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(dá)到同樣流動(dòng)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(shì)一致，說(shuō)明在制樣過(guò)程中有相當(dāng)量的水分被骨料顆粒吸收。此外不同原料制備時(shí)的成型方式不同，可能采用注漿、等靜壓、機(jī)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(jí)配需要根據(jù)每種原料的特征進(jìn)行調(diào)整。

從表3中經(jīng)不同溫度處理后試樣室溫強(qiáng)度的變化趨勢(shì)可以看出，在耐壓強(qiáng)度方面3種澆注料都呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，600℃處理后的試樣常溫耐壓強(qiáng)度最高，110℃處理后的最低;經(jīng)110℃干燥后澆注料的強(qiáng)度主要源于鋁酸鈣水泥中礦物相水化物對(duì)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(duì)鋁酸鈣水泥中礦物相的水化作用及澆注料強(qiáng)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(huì)引起耐壓強(qiáng)度的降低，但實(shí)際情況是耐壓強(qiáng)度最高。分析認(rèn)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(duì)強(qiáng)度增加的影響超過(guò)了部分水化相對(duì)強(qiáng)度降低的影響，因此，會(huì)引起600℃的強(qiáng)度比110℃的強(qiáng)度偏高。種澆注料試樣經(jīng)1100℃處理后，耐壓強(qiáng)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(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;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，因而造成1100℃處理后的強(qiáng)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(qiáng)度與常溫耐壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)相同。不同原材料制備的澆注料之間的強(qiáng)度差別與制備過(guò)程中的加水量也有一定關(guān)系。

在加熱永久線(xiàn)變化率方面，3種澆注料經(jīng)600℃處理后的試樣線(xiàn)變化率接近，而經(jīng)1100℃處理后的試樣線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)變化率最低。此外，3種澆注料中都會(huì)發(fā)生莫來(lái)石化過(guò)程，此過(guò)程所產(chǎn)生的體積膨脹可以部分抵消澆注料燒結(jié)過(guò)程中的體積收縮，起到降低加熱永久線(xiàn)變化率的作用。

2.2耐堿性能分析

將3種澆注料按照J(rèn)C/T808—2013中規(guī)定的方法進(jìn)行耐堿性試驗(yàn)，耐堿試驗(yàn)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(duì)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(yàn)方法中的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，3種澆注料性能全部達(dá)到一級(jí)。對(duì)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(rèn)為主要是因?yàn)榻ㄖ沾芍械挠粤铣煞秩埸c(diǎn)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(hù)膜，能夠使堿蒸氣無(wú)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(hù)膜，而且衛(wèi)生陶瓷骨料相對(duì)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(yīng)生成部分鉀長(zhǎng)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(hù)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(yàn)過(guò)程中碳酸鉀分解形成的K2O會(huì)與基質(zhì)中部分Al2O3和SiO2形成高溫液相，而且，此過(guò)程發(fā)生在釉料熔化形成保護(hù)膜之前，當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，試樣隨爐冷卻至室溫，高溫液相會(huì)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(huì)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(lái)講，在應(yīng)用過(guò)程中澆注料的損壞主要是由于堿性揮發(fā)成分過(guò)量富集，并與材料中的Al2O3、SiO2等組分發(fā)生反應(yīng)，生成長(zhǎng)石類(lèi)化合物(鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、霞石等)變質(zhì)層，從而產(chǎn)生體積膨脹而導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)力，當(dāng)溫度波動(dòng)時(shí)隨熱應(yīng)力的作用，裂紋擴(kuò)展并貫通，最終會(huì)產(chǎn)生開(kāi)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(guò)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(jìn)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?chē)鸀椴Ａ嗷|(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(guò)程產(chǎn)生在堿蒸氣形成之前能夠?qū)沧⒘掀鸬礁玫谋Ｗo(hù)作用。

3、結(jié)論

(1)對(duì)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(qiáng)度、加熱永久線(xiàn)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(dá)到2.4g·cm3，在同樣顆粒級(jí)配的條件下，這與原料的成分、體積密度以及原料制備時(shí)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(qiáng)度主要靠水泥水化相提供，600℃保溫3h處理后的試樣強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度差別與制備過(guò)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(dá)到一級(jí)。經(jīng)過(guò)耐堿性對(duì)比，在試驗(yàn)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(hù)有關(guān)，而且與材料的致密度也有關(guān)系。

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