水泥窑烧成带用镁铁铝尖晶石砖的研制.docx

水泥窑烧成带用镁铁铝尖晶石砖的研制刘会林 1 , 2 )沈建萍 2 ) 刘雄章 2 ) 李宁 3 )沈卫平 1 )1 )北京科技大学无机非金属材料系北京 1000832 )洛阳耐火材料集团技术中心3 )酒泉钢铁 (集团 )公司摘 要 为了满足水泥窑烧成带用砖无铬化的要求 ,以粒度 3. 5 1 mm、 1 mm、 0. 088 mm 的高铁镁 砂和粒度 2 mm 的铁铝尖晶石为原料 ,分别讨论了1500 、1550 、1600 、1650 的 烧 成 温 度 和5 % 、7 % 、9 % 、11 %的铁铝尖晶石加入量对镁铁铝尖 晶石砖性能的影响 。结果表明 : 当烧成温度为 1600时 ,试样已烧结 ;当铁铝尖晶石加入量为 7 %时 ,试 样的耐压强度与粘结强度最高 (用粘结强度表征材 料的挂窑皮性 ) 。与直接结合镁铬砖相比 ,镁铁铝尖 晶石砖在热震稳定性方面更优于直接结合镁铬砖 ,而 在粘挂窑皮性能方面与其相近 。关键词 镁铁铝尖晶石砖 ,铁铝尖晶石 ,水泥窑03从 20 世纪 60 年代开始 ,直接结合镁铬砖便以其 优良的高温性能而广泛应用于水泥窑烧成带 。但镁铬砖在使用时会产生有毒的 C r6 + ,造成环境污染 ,因此 ,水泥窑用无铬砖的研究是耐火材料科研工作者的 工作重点 。众所周知 ,水泥窑窑内的物料为碱性 ,所以在材 料的选择上 ,首选镁质耐火材料 。但为解决纯镁砖热 震稳定性差的问题 ,常选用改性剂作为第二组分 ,常 用的有铬铁矿 、镁铝尖晶石 、二氧化锆等 1 。即便如 此 ,由于耐火材料的性能与价格不匹配 ,也未能完全 解决水泥窑烧成带用砖无铬化的问题 。为此 ,本工作 利用高铁镁砂和含铁铝尖晶石的材料研制了抗热震 性和挂窑皮性均优于镁铬砖的镁铁铝尖晶石砖 。述原料的化学组成见表 1。表 1 原料的化学组成 (w )Ta b le 1 C hem ic a l com po s itio n s o f s ta rtin g m a te ria ls %SiO2FeO + Fe2 O3A l2 O3TiO2原 料M gOCaO高铁镁砂铁铝尖晶石88. 934. 651. 870. 960. 980. 877. 1043. 591. 0446. 680. 142. 80以表 2 中 H2为基础配方 ,将各种物料配好放入混练机中 ,干混后加入亚硫酸纸 浆废 液继 续 混练 均 匀 ,然后在一定压力下压制成 50 mm 50 mm 的试 样 ,干燥 后 分 别 在 电 炉 中 于 1500 、1550 、1600、1650 保温 3 h 烧成 。保持 H2 组成不变 ,又在H2的基础 上 改 变 铁 铝 尖 晶 石 加 入 量 , 分 别 压 制 成 50 mm 50 mm 与 40 mm 40 mm 60 mm 的 H1、H2、H3、H4四组试样 ,干燥后在电炉中于 1600 保 温 3 h烧成 。表 2 试样的配料组成 (w ) Ta b le 2 C om p o s itio n s o f th e sp e c im e n s % 高铁镁砂铁铝尖晶石试样3. 5 1 mm 1 mm 0. 088 mm 2 mmH1H2H3H4373737372321191735353535579111. 2 性能测试根据国家有关标准检测烧后试样的体积密度 、显 气孔率和常温耐压强度 。用 SEM 对烧后试样进行显 微结构观察 。采用粘结强度法比较 H1 H4 试样的 挂窑皮性能 :在预先制备好的 2 块 40 mm 40 mm 60 mm 的同一 配 方 试 样 中 间 涂 抹 约 20 g 挂 窑 皮 剂(水泥熟料 +外加剂 ) ,然后一起垂直放入电炉内于1500 焙烧 3 h,冷却后按国标测粘结后试样的抗折 强度 ,称为粘结强度 ,并以此评价试样的挂窑皮性能 。 热震稳定性能的试验方法如下 :将试样在电炉中加热1 试验1. 1 试验原料及试样制备试验所用原料有 :菱镁石与铁鳞经高温合成的高 铁镁砂 ;矾土和铁鳞经高温烧结合成的含铁铝尖晶石 的原料 (以下简称铁铝尖晶石 ) ,其物相组成 (w ) 为 : 铁铝尖晶石 80 % 90 % , Fe2 O3 5 % ,2A l2 O3 5 % 。上3刘会林 :男 , 1973 年 ,硕士研究生 ,工程师 。收稿日期 : 2004 - 06 - 14修回日期 : 2004 - 09 - 18编辑 :周丽红414NAIHUO CAILIAO /耐火材料2 0 0 4 / 6到 1000 ,保温 30 m in后取出 ,水冷 1次后 ,测其残余抗折强度 ,以试样的残余抗折强度保持率 (热震后与热 震前的抗折强度之比 100% )评价其热震稳定性 。从图 2 分析可知 : 试样的主晶相为方镁石相 ,其中亦有少量树枝状脱溶相 (铁酸镁或镁富氏体 ) , 晶 粒一般较小 ( 3 m ) ,个别的可形成颗粒状 ;次晶相 为镁铁铝复合尖晶石 ,还有少量硅酸盐相 。由于铁铝 尖晶石是以粒度小于 2 mm 的形式加入的 ,镁砂与其 反应生成了镁铁铝复合尖晶石 ;晶间由少量的复合尖 晶石相和硅酸盐相胶结 。经分析可知 , 1600 烧成 的制品中方镁石与铁铝尖晶石结合已比较紧密 ,再提 高烧成温度 ,变化不大 。2. 2 铁铝尖晶石加入量对试样强度的影响 铁铝尖晶石加入量对试样耐压强度和粘结强度的影响示于图 3。2 结果与讨论2. 1 烧成温度对试样烧结性能的影响 烧成温度对镁铁铝尖晶石砖试样 ( H2 )的烧结性能的影响如图 1 所示 。由图 1可知 :随着烧成温度的 升高 , H2 试样的体积密度增加 , 显气孔率降 低 。在1500 烧后 ,试样的性能较差 ,表明试样还未达到充 分烧结 。而在 1600 烧后 ,试样的体积密度和显气 孔率变化都不大 ,说明在 1600 时试样已达到充分 烧结 。 1600 3 h烧后 H2 试样的显微结构见图 2。图 3 铁铝尖晶石加入量对镁铁铝尖晶石砖试样强度的影响F ig. 3 E ffe c t o f h e rcyn ite a d d itio n o n p rop e rtie s o f th e m a g 2ne s ia - h e rcyn ite sp e c im e n s从图 3 可以看出 , 随着铁铝尖晶石加入量的 增 加 ,试样的耐压强度与粘结强度都是先上升后下降 , 这可能是铁铝尖晶石原料与镁砂互溶的结果 。图 4 示出了 1700 时 Fe2 O3和 A l2 O3在方镁石 (实线 )和 硅酸盐 (虚线 )中的溶解度 2 。图 1 烧成温度对镁铁铝尖晶石砖试样 ( H2)性能的影响F ig. 1 E ffe c t o f firin g tem p e ra tu re o n p ro p e rtie s o f the m a g2ne s ia - he rc yn ite sp e c im e n s ( H2)图 4 R2 O3在方镁石 (实线 )和硅酸盐 (虚线 )中的溶解度 (1700 )F ig. 4 So lub ility o f R2 O 3 in th e p e ric la se ( re a l line ) a n d s ilica te ( b ro ke n line ) a t 1700 从图 4 可知 : Fe2 O3在方镁石和硅酸盐中的溶解 度都很大 , A l2 O3在硅酸盐中的溶解度较大 ,但在方镁 石中的溶解度却较小 ,高温时固溶于方镁石中 Fe2 O3 在冷却时脱溶成晶内二次尖晶石 ,高温溶解于硅酸盐图 2 1600 3 h烧后 H2试样的显微结构F ig. 2 M ic ro s tru c tu re s o f the sp e c im e n H2 fire d a t 1600 fo r 3 h4152 0 0 4 /6耐火材料 /NAIHUO CAILIAO 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 中的 Fe2 O3在冷却时脱溶成晶间二次尖晶石 。所以 ,随着试样中铁铝尖晶石含量的增加 ,在硅酸盐相中 , M F和 MA 晶间尖晶石的生成可以增大方镁石和尖晶 石间的固 - 固结合 ,从而提高材料的高温强度 。在方 镁石中 ,由于 A l2 O3 在方镁石中的溶解度很小 , 故晶 内尖晶石主要是 M F尖晶石或镁富氏体 (见图 2 ) ,而 晶内尖晶石在方镁石中的固溶度随温度波动剧烈变 化 。当试样从高温冷却时 ,晶内尖晶石从方镁石中大 量析出 2 ,产生裂纹 ,导致试样强度的下降 3 。故当 铁铝尖晶石的加入量达到一定值时 ,即试样内晶内尖 晶石的生成量起主要作用时 ,试样的强度反而下降 。 由于镁铁铝尖晶石砖试样中的 Fe2 O3与 A l2 O3都易与水泥熟料中的 CaO 反应生成 C2 F、C4 A F 等低熔 点矿物 ,而该矿物具有一定的粘度 ,可粘附在衬砖的 热面上 ,形成稳定的窑皮 。随着试样中铁铝尖晶石含 量的增加 ,试样的粘结强度增加 ; 但当铁铝尖晶石含 量增加到一定值时 ,低熔点矿物的生成量过多 ,试样 的粘结强度反而下降 。稳定性方面优于直接结合镁铬砖 ,而在粘挂窑皮性方面与直接结合镁铬砖相近 。表 3 镁铁铝尖晶石砖与直接结合镁铬砖的性能比较Ta b le 3 P ro p e rtie s o f th e m a g ne s ia - h e rc yn ite a nd d ire c t2 bo n d e d m a g n e s ia - c h rom e b ric k s 显气孔率 / %体积密度 /耐压强抗折强度 /M Pa残余强度保持率 / %( 1000 水冷 1次 )粘结强度 /M Pa试 样( gcm - 3) 度 /M Pa镁铁铝尖晶石砖直接结合 镁铬砖163. 02665. 7630. 8182. 98615. 5530. 84 结论( 1 )当烧成温度达到1600 时 ,试样已经烧结 ;再升高温度 ,试样的体积密度增加不大 。( 2 )当试样内铁铝尖晶石的加入量增加时 ,试样 的耐压强度及其与水泥熟料的粘结强度都先升后降 。 在铁铝尖晶石含量为 7 %时 ,试样的耐压强度及粘结 强度最高 。( 3 )镁铁铝尖晶石砖和直接结合镁铬砖相比较 , 前者的热震稳定性优于后者 ,而在粘挂窑皮性方面两 者相近 。3 镁铁铝尖晶石砖的性能评价为了评价所研制的镁铁铝尖晶石砖的性能 ,按 H2配方配料 ,并在 300 t摩擦压砖机上压制成 230 mm 114 mm 65 mm 的标型砖 ,在隧道窑中于 1600 烧成 (推车制度为每天 10车 )后 ,与水泥窑烧成带现用直接 结合镁铬砖进行了性能对比检测 ,结果见表 3。从表 3可以看出 ,研制的镁铁铝尖晶石砖在热震参考文献Bongers U V , R idde ll D L , Strad tm ann J. Exp e rience w ith ba sic refrac2 to rie s in mode rn cem en t k iln s. W o rld Cem en t, 1996 , ( 11 ) : 14 22 陈肇友. C r2 O3 对耐火材料性能的影响 / /蒋明学 , 李勇. 陈肇友耐 火材料论文选. 北京 :冶金工业出版社 , 1998: 401 413王维邦. 耐火材料工艺学. 北京 :冶金工业出版社 , 1994123D e ve lo pm e n t o f m a gne s ia 2h e rc yn ite b ric k fo r bu rn in g zo n e o f c em e n t ro ta ry k iln /L iu H u ilin , S h e n J ia np ing ,L iu X io n gz h a ng , e t a l/ /N a ihuo C a iliao. - 2004 , 38 ( 6 ) : 414Th e m a g n e s ia 2h e rc yn ite b ric k w a s p re p a re d u s in g m a g n e s ite w ith p a rtic le s iz e 3. 5 1 m m , 1 m m a n d 0. 088 m m a n d h e rc yn ite 2 m m a s s ta rtin g m a te ria ls to m e e t th e n e e d fo r c h rom ite 2fre e b ric k o f th e b u rn in g z o n e o f c em e n t ro ta ry k iln.Effe c ts o f firin g tem p e ra tu re 1500 , 1550 , 1600 a n d 1650 a n d h e rc yn ite a d d itio n 5 % , 7% , 9 % a n d 11% o n p rop e rtie so f th e b ric k w e re s tu d ie d. Th e re s u lts s h ow th a t th e m a g n e s ia 2h e rc yn ite s p e c im e n fire d a t 1600 w a s d e n s ifie d , a n d th es p e c im e n w ith 7 % h e rc yn ite h a s th e h ig h e s t c o ld c ru s h in g s tre n g th a n d a d h e s ive s tre n g th ( s h ow in g its c o a ta b ility ) . C om 2 p a re d w i