隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展，水泥需求量越來越大，水泥生產(chǎn)線的規(guī)模也越來越大，從2500 t/d到14000 t/d，水泥生產(chǎn)設(shè)備向大型化智能化方向發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計全國已落地萬噸水泥線已達19條。回轉(zhuǎn)窯利用工業(yè)和生活廢物作為燃料，在節(jié)省煤粉的同時，實現(xiàn)了廢物減量化、無害化和資源化。水泥窯協(xié)同處置廢棄物具有其他焚燒爐無法具備的優(yōu)勢，但是在水泥窯協(xié)同處置廢棄物過程中，窯內(nèi)環(huán)境越來越苛刻。由于廢棄物成分復(fù)雜，熱值波動較大，其中K、Na、S、Cl等雜質(zhì)以及重金屬元素含量多，對水泥窯磚體特別是高溫帶侵蝕損毀嚴重，造成這些部位的耐火材料的使用壽命偏短[1]。

為了適應(yīng)水泥窯向大型化、智能化方向發(fā)展，同時為了滿足水泥窯協(xié)同處置和替代燃料帶來的苛刻要求，某公司借鑒國外同類產(chǎn)品，通過與國外產(chǎn)品對比，研發(fā)出了使用于現(xiàn)代大型干法水泥回轉(zhuǎn)窯燒成帶的高性能鎂鐵鋁尖晶石磚，實現(xiàn)了大型干法堿性材料的國產(chǎn)化，打破了被國外產(chǎn)品壟斷的局面。

1 鎂鐵鋁尖晶石磚的制備 1.1 原料的理化指標

高性能鎂鐵鋁尖晶石磚采用高純致密鎂砂、電熔鎂砂和鐵鋁尖晶石，添加游離Al2O3和Fe2O3制備而成，添加劑由剛玉粉(500目)和高鐵粉(200目)1∶1混合組成，各原料的理化性能指標如表1所列。

表1 原料化學(xué)分析結(jié)果

1.2 鎂鐵鋁尖晶石磚試驗方案 1.2.1 配料方案

試驗采用不同粒徑的高純鎂砂(3～5 mm、1～3 mm,0～1 mm)，不同含量的鐵鋁尖晶石(1～4 mm)作為骨料，電熔鎂砂細粉(≤0.074 mm)為基質(zhì)。顆粒按照粗中細50∶20∶30的比例進行配料，在引入鐵鋁尖晶石時，按照含量取代相應(yīng)粒徑的高純鎂砂，保持級配不變。具體配方列于表2。固定鐵鋁尖晶石和添加劑具體配方列于表3。

表2 引入不同鐵鋁尖晶石含量的鎂鐵鋁尖晶石磚配方

表3 外加不同比例的剛玉粉和高鐵粉混合粉的鎂鐵鋁尖晶石磚配方

1.2.2 試樣制備

將配料中不同顆粒級配的原料按比例進行混料，然后困料5 h，之后采用630 t摩擦壓力機壓制成型，經(jīng)120℃干燥24 h后于隧道窯中1 530℃燒成。燒成控溫制度如表4所列。

表4 鎂鐵鋁尖晶石磚在隧道窯內(nèi)燒成控溫制度

2 鎂鐵鋁尖晶石磚性能檢測與分析 2.1 鐵鋁尖晶石含量對鎂鐵鋁尖晶石磚性能的影響 2.1.1 鐵鋁尖晶石含量對試樣體積密度和顯氣孔率的影響

在延長水泥窯高溫帶用耐火制品壽命的研究中，氣孔率和體積密度是很重要的指標。顯氣孔率太高、體積密度太小都會明顯降低耐火磚的耐壓強度，并且水泥熟料和堿鹽易于滲入，對耐火制品造成結(jié)構(gòu)破壞，使耐火制品的熱面產(chǎn)生剝落[2]。

圖1和圖2分別示出了不同鐵鋁尖晶石含量對試樣顯氣孔率和體積密度的影響。從圖1中可以看出，新型鎂鐵鋁尖晶石磚氣孔率很低，在16%以下，普遍低于普通鎂鐵鋁尖晶石磚。另外，由于Fe離子擴散至基質(zhì)時有助于活化方鎂石晶格，使小顆粒晶體長大，增加基質(zhì)的致密性，因而體積密度較大[3]。鐵鋁尖晶石含量對試樣的顯氣孔率和體積密度影響較小，但其含量增加可導(dǎo)致材料膨脹裂紋少量增加，顯氣孔率略有增加。

2.1.2 鐵鋁尖晶石含量對試樣耐壓強度的影響

圖3示出了鐵鋁尖晶石含量對試樣耐壓強度的影響。由圖中可見，隨鐵鋁尖晶石含量增多，試樣耐壓強度整體呈現(xiàn)減小的趨勢。而隨著鐵鋁尖晶石含量增多，再加上尖晶石和鎂砂之間熱膨脹系數(shù)差別較大，制品在燒成過程中會產(chǎn)生大量的微裂紋，從而導(dǎo)致了氣孔率上升及耐壓強度的下降[4]。

圖1 鐵鋁尖晶石含量對試樣顯氣孔率的影響

圖2 鐵鋁尖晶石含量對試樣體積密度的影響

圖3 鐵鋁尖晶石含量對試樣耐壓強度的影響

2.1.3 鐵鋁尖晶石含量對試樣抗熱震性的影響

耐火材料的熱震破壞不僅會降低耐火材料的結(jié)構(gòu)強度，也會導(dǎo)致裂紋的擴展，使耐火磚的抗侵蝕能力變差，嚴重縮短其使用壽命[5]。通常狀況下，尖晶石系耐火材料利用了熱膨脹系數(shù)差異，使得第二相顆粒和基質(zhì)之間具有較多交錯的微小裂紋和空隙，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加斷裂能，有效抵抗了熱沖擊、剝落等破壞，因此具有較好的熱震性能[6]。對鎂鐵鋁尖晶石磚的抗熱震性進行測試，數(shù)據(jù)列于表5。

表5 鎂鐵鋁尖晶石磚的抗熱震性測試結(jié)果

隨著鐵鋁尖晶石含量的增加，試樣的抗熱震次數(shù)也增加。這是由于鐵鋁尖晶石相含量增加且均勻分布在方鎂石中，產(chǎn)生有利于材料韌性的微氣孔，有效降低裂紋的擴展速率，減小熱負荷。

2.1.4 鐵鋁尖晶石含量對試樣荷重軟化溫度的影響

由圖4可以看出，試樣中鐵鋁尖晶石含量為4%、6%、8%時，其荷重軟化溫度均在1 700℃，隨著加入量增加到10%，其荷重軟化溫度略有降低，為1 680℃。當鐵鋁尖晶石含量增多時，顆粒與基質(zhì)間裂紋較多，輕微影響燒結(jié)性能，降低了荷重軟化溫度[7]。

圖4 鐵鋁尖晶石含量對試樣荷重軟化溫度的影響

2.2 混合粉添加劑對鎂鐵鋁尖晶石磚性能的影響 2.2.1 混合粉添加劑對試樣顯氣孔率和體積密度的影響

從圖5和圖6中可以看出，隨著混合粉添加劑加入量的增加，試樣的顯氣孔率先升高后降低，體積密度也呈先升高后降低的趨勢。另外，添加劑的引入促進燒結(jié)并形成原位尖晶石;隨著添加劑加入量的增加，原位尖晶石產(chǎn)生體積效應(yīng)后開始不利于燒結(jié)，這樣燒結(jié)性能又呈降低的趨勢[8]。

圖5 混合粉添加劑對試樣顯氣孔率的影響

圖6 混合粉添加劑對試樣體積密度的影響

2.2.2 混合粉添加劑對試樣耐壓強度的影響

圖7示出了混合粉添加劑對試樣耐壓強度的影響整體呈先增加后逐步減小的趨勢。隨著添加劑加入量的增加，熱膨脹裂紋也增加，促進燒結(jié)性能降低，從而導(dǎo)致試樣耐壓強度減小。

圖7 混合粉添加劑對試樣耐壓強度的影響

2.2.3 混合粉添加劑對試樣抗熱震性的影響

試樣熱震性能具體試驗檢測數(shù)據(jù)列于表6。由表中可以看出，混合粉添加劑加入量的增加影響了新型鎂鐵鋁尖晶石磚的抗熱震性。8#試樣抗熱震次數(shù)較少的原因是隨著原位尖晶石的形成，產(chǎn)生眾多小裂紋，熱震過程中部分裂紋彼此貫通形成大裂紋，這樣就容易產(chǎn)生熱震剝落，降低熱震穩(wěn)定性。耐火磚在受熱區(qū)域產(chǎn)生大量緩慢擴展的小裂紋，不斷釋放熱應(yīng)力而減緩材料的碎裂和剝落，保證了尖晶石系耐火磚的抗熱震性。

表6 混合粉添加劑含量不同的新型鎂鐵鋁尖晶石磚的抗熱震性測試結(jié)果

2.2.4 混合粉添加劑對試樣荷重軟化溫度的影響

由圖8可以看出，混合粉添加劑加入量的增加有利于材料的燒結(jié)。隨著原位尖晶石增多，貫通裂紋大量形成，并且細小的尖晶石所形成CaO-Al2O3-Fe2O3系的低熔液相也有所增加[9]，這樣導(dǎo)致了試樣荷重軟化溫度降低。

圖8 混合粉添加劑對試樣荷重軟化溫度的影響

3 大型干法水泥窯燒成帶用鎂鐵鋁尖晶石磚的理化性能

大型干法水泥窯燒成帶用高性能鎂鐵鋁尖晶石磚的主要理化性能指標列于表7。國內(nèi)多家水泥企業(yè)大型干法水泥窯燒成帶都使用這種磚。

表7 大型干法水泥窯燒成帶用鎂鐵鋁尖晶石磚理化性能

4 結(jié)論

高性能鎂鐵鋁尖晶石磚是借鑒國外同類產(chǎn)品，通過與國外產(chǎn)品對標而研發(fā)出來的，使用于現(xiàn)代大型干法水泥回轉(zhuǎn)窯燒成帶。該產(chǎn)品相對于普通鎂鐵鋁尖晶石磚具有以下優(yōu)點。

(1)高性能鎂鐵鋁尖晶石磚將優(yōu)質(zhì)高純鎂砂與電熔鎂砂兩種原料結(jié)合使用，復(fù)配人工合成電熔尖晶石和原位尖晶石并通過特殊工藝制成，具有優(yōu)良的抗化學(xué)侵蝕性和抗熱震穩(wěn)定性，是大型水泥回轉(zhuǎn)窯尤其是協(xié)同處置回轉(zhuǎn)窯燒成帶選用的最佳耐火材料。

(2)高性能鎂鐵鋁尖晶石磚在普通鎂鐵鋁尖晶石磚優(yōu)良掛窯皮性能的基礎(chǔ)上，具有更加優(yōu)良的抗侵蝕能力。

(3)大型干法水泥回轉(zhuǎn)窯燒成帶用高性能鎂鐵鋁尖晶石磚的研發(fā)和應(yīng)用，實現(xiàn)了大型干法堿性材料的國產(chǎn)化，打破了被國外產(chǎn)品壟斷的局面。