高强耐磨硅莫砖的性能研究及应用

姚 峰，刘振英

（1.郑州华威耐火材料有限公司，河南 郑州 452374；2.安徽理工大学材料科学与工程学院，安徽 淮南 232001）

随着我国水泥工业的飞速发展，特别是近几年环保和节能减排口号的提出，水泥回转窑过渡带对耐火材料热震稳定性、耐磨性、抗剥落性、抗机械应力、抗化学侵蚀的要求越来越高[1]。一些大中型预分解窑在生产过程中，耐火材料受到不同程度的破坏，影响了水泥窑的正常运转，成为制约水泥窑运转率的主要因素，耐火材料的使用寿命主导着窑系统的运转率，特别是过渡带温度变化频繁，现用的镁铝尖晶石砖也不易挂窑皮，且导热系数大，使得窑筒体外壁温度较高，极易受热膨胀，既不利于节约能源，又影响设备的正常运行。过渡带是窑衬最易损坏的部位，该部位温度变化频繁，窑皮时挂时掉，衬砖经常直接暴露在高温气流中，特别是大型窑，料流量大、窑速快，衬砖遭受破坏力强[2]。此外，该部位也是应力最为集中的区域。因此，过渡带窑衬须具备高的热震稳定性和高的抗侵蚀能力及耐磨性，对其材质的性能要求甚至超过烧成带。为此，制备性能优异，适应过渡带工艺特性的高强耐磨特种硅莫砖势在必行。

1 试验与工艺

1.1 原料

试验用主要原料：高铝矾土熟料，采用山西回转窑煅烧高铝矾土熟料；棕刚玉，硬度大、熔点高、化学性质稳定，对酸碱都有良好的抵抗性能；碳化硅，用石油焦与SiO2合成的碳化硅，分解温度高、莫氏硬度高。基于此，选择刚玉、碳化硅强化基质，是制品获得体积密度大、热态强度高、耐腐蚀和耐磨等性能具备的条件。引入外加剂α-氧化铝微粉以改善产品高温性能，结合剂选用密度为l.20～1.25g/cm3的纸浆废液，加入量为3%～4%。所用原料的化学组成见表1。

1.2 生产工艺

根据所选材料，通过调整添加剂的用量以及颗粒配比来确定最佳的生产工艺。先后进行了5次试验，试验配方见表2。

表1 原料的化学组成(%)

表2 试验配方(%)

按照配比准确称量所需原料：粒度组成以“两头大，中间小”为原则。为保证基质均一，细粉料采用螺旋搅拌机预先混合均匀制成混合粉，然后再添加α-氧化铝微粉，将各种物料配好放人混练机中，干混后加入亚硫酸纸浆废液继续混练均匀，然后在315t摩擦压力机下压制成230mm×114mm×65mm的标砖和φ50mm×50mm的圆柱试样，干燥后在电炉中于1420℃、保温3h烧成。

1.3 性能检测标准

按照GB/T2997-2000检测烧成后试样的显气孔率和体积密度，按照GB/T5072-1985检测烧成后试样的常温耐压强度，按照YB/T376.1-1995检测烧成后试样的荷重软化开始温度，按照检测烧成后试样的抗热震性，耐磨试验按照GB/T18301-2001耐火材料常温耐磨试验方法进行。采用电子显微镜分析试样的显微结构。

2 结果与讨论

试样的性能指标见表3。

表3 试样的性能指标

从表3可以看出，随着α-氧化铝微粉的增加，试样的体积密度逐渐增大，显气孔率逐渐减小，耐压强度逐渐增大，抗热震性提高，耐磨性明显增强，制品性能得到明显的改善。可以看出，主要原因是制品在1420℃烧成后主晶相为莫来石、碳化硅和刚玉，这些晶相硬度都很高，这就为致密高强的耐火制品奠定了基础，而添加α-氧化铝微粉会促使刚玉中的SiO2具有很高的活性,有助于在基质中形成较致密的网络状莫来石结合相，使制品耐压强度及体积密度明显增加，由于Al2O3与SiO2形成固熔体致使材料晶粒细化与致密化，利用多晶来缓冲热应力，达到了提高材料抗热震性的目的，大大提高了特种硅莫砖的使用寿命。

当α-氧化铝微粉添加量为6%的4＃试样性能达到最佳状态，其体积密度为2.64g/cm3，抗热震性超过30次，高温磨损体积为1.16cm3，材料的耐磨性取决于试样的强度和结构的致密性，强度和致密度较高的材料耐磨性较好。对试验后试样表面进行观察发现，磨损都是从试样基质部分开始的。当基质强度很弱，显气孔率较高时，常常形成蜂窝状的冲蚀形貌；只有当基质强度接近骨料颗粒的强度时，才会出现相对平滑的冲蚀坑形貌。对1＃试样和4＃试样煅烧到1420℃及经耐磨试验后的试样进行扫描电镜分析，结果如图1、图2所示。

图1(a)是1＃试样煅烧1420℃后SEM电镜照片，由于存在较大的气孔，颗粒和基质的强度都较低，图1(b)为耐磨试验后冲击区试样的宏观形貌,其冲蚀坑较为圆滑，颗粒也受到明显的磨蚀，棱角消失，冲蚀后颗粒清晰。

图1 1＃试样扫描电镜分析

图2 4＃试样扫描电镜分析

图2(a)为4＃试样1420℃煅烧后断口的宏观形貌，可以看出，气孔较少，说明烧后试样的骨料和基质结合较好，在中温可以烧结，填充了部分气孔，使结构致密化。图2(b)为耐磨试验后冲击区试样的宏观形貌，可以看出，试样基质和骨料均匀磨损，冲蚀坑不规则，颗粒边缘磨蚀不明显，达到了预想的效果，4＃试样的耐磨性明显优于1＃试样。在产品制作过程中，采用耐火材料复相改性原理，添加一定量的α-氧化铝微粉后，在一定温度下试样表面形成坚实釉膜，砖面形成连续的SiO2致密层，阻止了气体和熔融物的侵蚀，从而使试样抗腐蚀、耐磨损性能增强，加上碳化硅的热导率高、热膨胀系数小，制品的抗热震稳定性好，这些性能特点使特种硅莫砖在过渡带使用过程中不易断裂和产生剥落，由于热导率低于镁质材料，使筒体受热不致过高，这不仅保证了回转窑筒体的正常运转，而且节约了燃料。

3 产品应用

产品经陕西尧柏水泥集团、河北鹿泉曲寨水泥和登封宏昌水泥等多家水泥企业2500t/d、5000t/d大型水泥回转窑上下过渡带使用，日磨损速率仅为0.1mm，也没有出现剥落、爆头现象，寿命均在一年以上。充分证明特种硅莫砖的抗热震稳定性好，高温强度好，使用过程中抗侵蚀、不剥落、不断裂，使用寿命明显延长。其原因主要是因为水泥回转窑过渡带的砖面温度为1400℃左右，而硅莫砖的荷重软化开始温度在1500℃以上，足以抵抗高温冲击，加上制品结构致密，抗侵蚀和耐磨性特别好，另外在过渡带上使用该产品，由于特种硅莫砖较低的导热系数比较低(1.75W/m·K)，使得窑筒体外表面温度比使用镁尖晶石砖平均降低80℃以上，比使用传统的1650型硅莫砖平均降低50℃左右，该部位筒体温度明显降低，对保护轮带装置也极为有利，节能效果十分明显，是5000t/d以上大型水泥回转窑过渡带的理想内衬材料。

4 结语

(1)特种硅莫砖的成分和结构对窑料有一定的适应性，砖内温度梯度平稳，显著抑制了深入变质破坏作用，在过渡带上使用该产品，使得窑筒体外表面温度比使用镁尖晶石砖平均降低80℃以上，有效地延长了该砖衬的使用寿命，从根本上实现了节能减排。

(2)以高铝矾土熟料和碳化硅为主要原料，经高压成型、高温烧成而制得的特种硅莫砖，具有热震稳定性好、耐磨性好、抗剥落性强、荷重软化温度高、导热率低等优点。

[1]林心专.硅莫砖在窑过渡带上的应用[J].水泥工程,2005(12):53.

[2]何奖爱,王玉玮.材料磨损与耐磨材料[M].沈阳:东北大学出版社,2002.