干法水泥窑烧成带用高性能镁铁铝尖晶石砖的性能研究

随着我国基础建设的不断发展，水泥需求量越来越大，水泥生产线的规模也越来越大，从2500 t/d到14000 t/d，水泥生产设备向大型化智能化方向发展。据统计全国已落地万吨水泥线已达19条。回转窑利用工业和生活废物作为燃料，在节省煤粉的同时，实现了废物减量化、无害化和资源化。水泥窑协同处置废弃物具有其他焚烧炉无法具备的优势，但是在水泥窑协同处置废弃物过程中，窑内环境越来越苛刻。由于废弃物成分复杂，热值波动较大，其中K、Na、S、Cl等杂质以及重金属元素含量多，对水泥窑砖体特别是高温带侵蚀损毁严重，造成这些部位的耐火材料的使用寿命偏短[1]。

为了适应水泥窑向大型化、智能化方向发展，同时为了满足水泥窑协同处置和替代燃料带来的苛刻要求，某公司借鉴国外同类产品，通过与国外产品对比，研发出了使用于现代大型干法水泥回转窑烧成带的高性能镁铁铝尖晶石砖，实现了大型干法碱性材料的国产化，打破了被国外产品垄断的局面。

1 镁铁铝尖晶石砖的制备 1.1 原料的理化指标

高性能镁铁铝尖晶石砖采用高纯致密镁砂、电熔镁砂和铁铝尖晶石，添加游离Al2O3和Fe2O3制备而成，添加剂由刚玉粉(500目)和高铁粉(200目)1∶1混合组成，各原料的理化性能指标如表1所列。

表1 原料化学分析结果

1.2 镁铁铝尖晶石砖试验方案 1.2.1 配料方案

试验采用不同粒径的高纯镁砂(3～5 mm、1～3 mm,0～1 mm)，不同含量的铁铝尖晶石(1～4 mm)作为骨料，电熔镁砂细粉(≤0.074 mm)为基质。颗粒按照粗中细50∶20∶30的比例进行配料，在引入铁铝尖晶石时，按照含量取代相应粒径的高纯镁砂，保持级配不变。具体配方列于表2。固定铁铝尖晶石和添加剂具体配方列于表3。

表2 引入不同铁铝尖晶石含量的镁铁铝尖晶石砖配方

表3 外加不同比例的刚玉粉和高铁粉混合粉的镁铁铝尖晶石砖配方

1.2.2 试样制备

将配料中不同颗粒级配的原料按比例进行混料，然后困料5 h，之后采用630 t摩擦压力机压制成型，经120℃干燥24 h后于隧道窑中1 530℃烧成。烧成控温制度如表4所列。

表4 镁铁铝尖晶石砖在隧道窑内烧成控温制度

2 镁铁铝尖晶石砖性能检测与分析 2.1 铁铝尖晶石含量对镁铁铝尖晶石砖性能的影响 2.1.1 铁铝尖晶石含量对试样体积密度和显气孔率的影响

在延长水泥窑高温带用耐火制品寿命的研究中，气孔率和体积密度是很重要的指标。显气孔率太高、体积密度太小都会明显降低耐火砖的耐压强度，并且水泥熟料和碱盐易于渗入，对耐火制品造成结构破坏，使耐火制品的热面产生剥落[2]。

图1和图2分别示出了不同铁铝尖晶石含量对试样显气孔率和体积密度的影响。从图1中可以看出，新型镁铁铝尖晶石砖气孔率很低，在16%以下，普遍低于普通镁铁铝尖晶石砖。另外，由于Fe离子扩散至基质时有助于活化方镁石晶格，使小颗粒晶体长大，增加基质的致密性，因而体积密度较大[3]。铁铝尖晶石含量对试样的显气孔率和体积密度影响较小，但其含量增加可导致材料膨胀裂纹少量增加，显气孔率略有增加。

2.1.2 铁铝尖晶石含量对试样耐压强度的影响

图3示出了铁铝尖晶石含量对试样耐压强度的影响。由图中可见，随铁铝尖晶石含量增多，试样耐压强度整体呈现减小的趋势。而随着铁铝尖晶石含量增多，再加上尖晶石和镁砂之间热膨胀系数差别较大，制品在烧成过程中会产生大量的微裂纹，从而导致了气孔率上升及耐压强度的下降[4]。

图1 铁铝尖晶石含量对试样显气孔率的影响

图2 铁铝尖晶石含量对试样体积密度的影响

图3 铁铝尖晶石含量对试样耐压强度的影响

2.1.3 铁铝尖晶石含量对试样抗热震性的影响

耐火材料的热震破坏不仅会降低耐火材料的结构强度，也会导致裂纹的扩展，使耐火砖的抗侵蚀能力变差，严重缩短其使用寿命[5]。通常状况下，尖晶石系耐火材料利用了热膨胀系数差异，使得第二相颗粒和基质之间具有较多交错的微小裂纹和空隙，形成网状结构，增加断裂能，有效抵抗了热冲击、剥落等破坏，因此具有较好的热震性能[6]。对镁铁铝尖晶石砖的抗热震性进行测试，数据列于表5。

表5 镁铁铝尖晶石砖的抗热震性测试结果

随着铁铝尖晶石含量的增加，试样的抗热震次数也增加。这是由于铁铝尖晶石相含量增加且均匀分布在方镁石中，产生有利于材料韧性的微气孔，有效降低裂纹的扩展速率，减小热负荷。

2.1.4 铁铝尖晶石含量对试样荷重软化温度的影响

由图4可以看出，试样中铁铝尖晶石含量为4%、6%、8%时，其荷重软化温度均在1 700℃，随着加入量增加到10%，其荷重软化温度略有降低，为1 680℃。当铁铝尖晶石含量增多时，颗粒与基质间裂纹较多，轻微影响烧结性能，降低了荷重软化温度[7]。

图4 铁铝尖晶石含量对试样荷重软化温度的影响

2.2 混合粉添加剂对镁铁铝尖晶石砖性能的影响 2.2.1 混合粉添加剂对试样显气孔率和体积密度的影响

从图5和图6中可以看出，随着混合粉添加剂加入量的增加，试样的显气孔率先升高后降低，体积密度也呈先升高后降低的趋势。另外，添加剂的引入促进烧结并形成原位尖晶石;随着添加剂加入量的增加，原位尖晶石产生体积效应后开始不利于烧结，这样烧结性能又呈降低的趋势[8]。

图5 混合粉添加剂对试样显气孔率的影响

图6 混合粉添加剂对试样体积密度的影响

2.2.2 混合粉添加剂对试样耐压强度的影响

图7示出了混合粉添加剂对试样耐压强度的影响整体呈先增加后逐步减小的趋势。随着添加剂加入量的增加，热膨胀裂纹也增加，促进烧结性能降低，从而导致试样耐压强度减小。

图7 混合粉添加剂对试样耐压强度的影响

2.2.3 混合粉添加剂对试样抗热震性的影响

试样热震性能具体试验检测数据列于表6。由表中可以看出，混合粉添加剂加入量的增加影响了新型镁铁铝尖晶石砖的抗热震性。8#试样抗热震次数较少的原因是随着原位尖晶石的形成，产生众多小裂纹，热震过程中部分裂纹彼此贯通形成大裂纹，这样就容易产生热震剥落，降低热震稳定性。耐火砖在受热区域产生大量缓慢扩展的小裂纹，不断释放热应力而减缓材料的碎裂和剥落，保证了尖晶石系耐火砖的抗热震性。

表6 混合粉添加剂含量不同的新型镁铁铝尖晶石砖的抗热震性测试结果

2.2.4 混合粉添加剂对试样荷重软化温度的影响

由图8可以看出，混合粉添加剂加入量的增加有利于材料的烧结。随着原位尖晶石增多，贯通裂纹大量形成，并且细小的尖晶石所形成CaO-Al2O3-Fe2O3系的低熔液相也有所增加[9]，这样导致了试样荷重软化温度降低。

图8 混合粉添加剂对试样荷重软化温度的影响

3 大型干法水泥窑烧成带用镁铁铝尖晶石砖的理化性能

大型干法水泥窑烧成带用高性能镁铁铝尖晶石砖的主要理化性能指标列于表7。国内多家水泥企业大型干法水泥窑烧成带都使用这种砖。

表7 大型干法水泥窑烧成带用镁铁铝尖晶石砖理化性能

4 结论

高性能镁铁铝尖晶石砖是借鉴国外同类产品，通过与国外产品对标而研发出来的，使用于现代大型干法水泥回转窑烧成带。该产品相对于普通镁铁铝尖晶石砖具有以下优点。

(1)高性能镁铁铝尖晶石砖将优质高纯镁砂与电熔镁砂两种原料结合使用，复配人工合成电熔尖晶石和原位尖晶石并通过特殊工艺制成，具有优良的抗化学侵蚀性和抗热震稳定性，是大型水泥回转窑尤其是协同处置回转窑烧成带选用的最佳耐火材料。

(2)高性能镁铁铝尖晶石砖在普通镁铁铝尖晶石砖优良挂窑皮性能的基础上，具有更加优良的抗侵蚀能力。

(3)大型干法水泥回转窑烧成带用高性能镁铁铝尖晶石砖的研发和应用，实现了大型干法碱性材料的国产化，打破了被国外产品垄断的局面。