Al2O3-SiC耐火废砖制备低水泥浇注料的试验研究

黄育飞 韦红波 廖树德

(1.河池学院 物理与机电工程学院， 广西 宜州 546300； 2.柳州共和耐火材料有限公司， 广西 柳州 545002)



Al2O3-SiC耐火废砖制备低水泥浇注料的试验研究

黄育飞1韦红波2廖树德1

(1.河池学院 物理与机电工程学院， 广西 宜州 546300； 2.柳州共和耐火材料有限公司， 广西 柳州 545002)

研究了以钢铁企业产生的大量Al2O3-SiC废砖破碎颗粒(加)为骨料，低水泥结合的废料基浇注料的基本物理性能、常规力学性能、高温热震稳定性等，并与矾土基浇注料进行对比分析。结果表明，在Al2O3-SiC废砖骨料加入量为35%时，浇注料的基本性能较普通三级矾土浇注料稍差，但其基本性能满足大量普通窑炉的基本要求，且其成本低，环境友好性好，因此可替代部分高铝砖及普通矾土浇注料，具有较高的经济价值与较好的社会价值。

浇注料；Al2O3-SiC废砖；残余热震稳定性；窑炉

0 引言

近年来，用后耐火材料的资源化回收利用已得到越来越多的重视[1]。研究表明利用钢铁冶炼、有色冶金等高温行业产生的大量尚有利用价值的废弃耐火材料，通过合理设置配方，可替代部分中低档次耐火骨料，制备高性能、应用性广、成本更低的中低温应用耐火材料[2-4]。基于此，本文采集柳州钢铁厂高炉用后Al2O3-SiC砖，研究其做为基础骨料加入的低水泥结合浇注料的基本物化性能与热震稳定性能，并讨论浇注料的基本应用。

1 试验原料与试验方法

1.1 试验原料

主要原料为用后Al2O3-SiC破碎(加)骨料、三级矾土熟料骨料及细粉、高铝酸盐水泥、硅微粉等，其化学成分见表1。其中用后Al2O3-SiC粒度分别为10-6 mm、6-1 mm，矾土骨料粒度分别为10-6 mm、6-1 mm、1-0 mm，细粉规格为180目。

表1 主要原料的化学成分 (%)

原 料Al2O3SiCFe2O3SiO2R2OCaO三级矾土≥50-<25>40<06<06Al2O3-SiC废砖料≥50<15-<30--高铝酸盐水泥≥50，<60--<80-2923硅微粉08-0794141602

本研究确定浇注料的骨料与细粉质量比均为67∶33，大骨料含量为20%，中骨料含量为30%，细骨料含量为17%，铝酸盐水泥加入量为5%，硅灰加入量为6%，其中废料基浇注料配方(B)用后Al2O3-SiC颗粒加入量为35%，对比配方矾土基浇注料(A)进行常规性能研究与抗热震性能研究。

1.2 试验方法

1.2.1 试样制备

两种配方加水量均为7.5%，以三聚磷酸钠与六聚磷酸钠作为复合分散剂，按试验配比称量物料，先在搅拌锅中干混3～5 min，再加水搅拌3 min，振动成型为160×40×40 mm的条形样。成型后坯样在室温中养护24 h后，置于110 ℃烘箱中烘干，烘烤时间≥12 h，而后进行物理性能(包括高温性能)的检测与研究。

1.2.2 常规物理性能检测

按GB/T2997-2000、YB/T 5203-93，GB/T3001-2007、GB/T5072-2008检测标准分别测定试样在110 ℃×24 h和1 100 ℃×3 h处理后的体积密度、线变化率、常温抗折强度和常温耐压强度。

1.2.3 抗热震性检测

抗热震性检测试样选用试验制备试样，参照YB/T 2206.2-1998进行，将热震试验炉升温至1 100 ℃，迅速放入试样，待炉温恢复至1 100 ℃后保温20 min。而后迅速取出急热后试样于室温流动水槽中，试样在水槽中急剧冷却3 min后取出，在空气中放置约10 min，观察试样表面是否出现宏观可辨裂纹。重复以上步骤5次。将试验后试样放到干燥箱内110 ℃烘干3 h，并进行残余抗折和耐压强度测验，通过以上测试综合评价试样抗热震性的优劣。

2 试验结果与讨论

2.1 废弃料对浇注料基本物理性能的影响

2.1.1 线变化率

图1 浇注料线变化率

按试验配方成型好的160×40×40 mm试样称量并记录其经养护24 h，110 ℃、300 ℃、500 ℃、700 ℃、900 ℃及1 100 ℃烘后的长度变化。根据记录数据作图得到浇注料各温度线变化率曲线图(如图1所示)。

图2 浇注料体积密度

从图1中可以看出随着热处理温度的逐渐升高，矾土基浇注料与废料基浇注料都呈逐渐收缩趋势。其中矾土基浇注料收缩幅度较废料基浇注料小；在500 ℃前废料基浇注料已出现较大幅度收缩，此与用后废料中杂质含量较多，灰分挥发有关，700 ℃热处理后略微膨胀，主要为废砖料中SiC-SiO2含量较多所至，在富氧中温条件下，SiC可发生分解，产生SiO2和CO2，SiO2则在600 ℃左右发生相变膨胀；700 ℃后两种样品都出现较大幅度收缩，为浇注料中含钾、钠较高物相玻璃化，硅灰及细粉物料开始烧结、孔洞收缩所引起。在实际应用中里衬耐火材料线变化率要求尽可能小，线变化率过大会导致衬体破坏，易产生剥落，降低使用寿命。从图1中可知，Al2O3-SiC废砖基浇注料中温收缩较大，1 100 ℃热处理前的收缩幅度与普通矾土基浇注料相近，应用中防收缩开裂问题可参照普通矾土基浇注料进行处理。

为强调《罕哈冉惠传》的主题是“反天崇佛”，学者又拿出了如下细节证据：哈冉惠出征求婚时，口诵佛经，祈祷一路平安，并燃“煨桑”向佛祖叩首；送行的人祝福他，一切会按佛祖旨意实现；阿克布拉尔汗在雪山上修建了八十八佛塔，寺院里供奉着释迦摩尼佛像；姑娘出嫁时带着金字大藏经，勇士们结义时头上顶着佛像；天上打雷时口诵佛经可脱离危险；用金壳里的神水和金丸能使人起死回生等等。

2.1.2 体积密度

各浇注料经不同温度热处理后的体积密度测试结果见图2。可见，加入了35%废砖料的浇注料体积密度较普通矾土基浇注料略大，主要是由于废砖料中含有较多高体积密度的Al2O3。体积密度大，相应气孔率则较小，基体抵抗渣侵蚀的能力则提高。1 100 ℃热处理后的废砖基浇注料体积密度为2.26 g/cm3，与三级高铝耐火砖相当，已能满足其对应的生产应用需要。

2.2 废弃料对浇注料力学性能影响

按试验配方成型好的160×40×40 mm浇注料试样经养护24 h后进行110 ℃及1 100 ℃热处理，而后进行了常温抗折强度与常温耐压强度测试。结果见图3与图4。

图3 浇注料抗折强度

图4 浇注料耐压强度

2.2.1 抗折强度

2.2.2 耐压强度

由各浇注料110 ℃及1 100 ℃热处理后的常温耐压强度测试结果可知，110 ℃烘后废料基浇注料常温耐压强度为27.3 MPa，1 100 ℃热处理后常温耐压强度为46.5 MPa；低温烘烤后废料基浇注料的常温耐压强度比普通矾土基浇注料高3 MPa，经1 100 ℃热处理后常温耐压强度则比普通矾土基浇注料低约3 MPa，且经1 100 ℃热处理后废料基浇注料常温耐压强度提升较小，与常温抗折强度变化类似，主要原因是废料基浇注料中的Al2O3-SiC骨料经过长期使用后已全部熟化，且体积稳定，低温时废料基浇注料成型密实，110 ℃烘后体积变化小，强度较高，而经中高温热处理后废料基浇注料中受杂质、残余沥青或焦炭等因素影响强度相较普通矾土基浇注料差。从测试结果知废料基耐火浇注料常温耐压强度已可基本满足生产要求[5-6]。

2.3 废弃料对浇注料抗热震性影响

2.3.1 表观裂纹

对已进行1 100 ℃热处理后的A、B两种配方试样进行5次1 100 ℃流动水冷热震稳定性测试，分析热震后试样的表观裂纹与残余热震强度。其中热震后试样表观裂纹试验结果如图5所示。

图5 5次热震前后试样表观变化

从图5中可以看出，经过5次热震稳定性测试后的两种配方试样表面都出现了明显的裂纹。其中废料基浇注料裂纹较多，裂纹长度超过30 mm，几乎贯穿表面，主要是因为废料基浇注料中杂质含量高，颗粒间结合性能较差，形成的玻璃相收缩脆裂所致；两种配方试样表面除因水渍导致颜色变深外无剥落，外形保持良好。

2.3.2 残余热震强度

对热震后试样进行了常温残余抗折强度及耐压强度测试。热震前后测试结果对比如表2所示。由表2可知，两种配方浇注料经5次1 100 ℃-水冷热震试验后的常温抗折强度衰减都超过了50%，其中废料基浇注料的常温抗折强度衰减约57%，震后抗折强度只有2.75 MPa。残余耐压强度方面废料基浇注料衰减约20%，而普通矾土基浇注料几乎无衰减。由浇注料基本物理性能测试结果可知废料基中浇注料因杂质等因素影响本身具有较大的线变化率，浇注料颗粒粘结性较差，1 100 ℃热处理后的常温抗折强度也不高，而且废料基浇注料本身物料较为复杂，增强了其非均质性，增大各物料在热震过程热胀冷缩的差异性及热膨胀系数的各向异性，热震过程引起较大内部热应力，因此导致了废料基浇注料的热震后残余强度较低。这说明在实际应用中应尽量避免在冷-热交替频繁的部位使用，如窑口等。

表2 热震前后强度

3 讨论

用后耐火材料经回收、粉碎及分筛处理后可重新制备耐火材料，以钢铁厂高炉工段产生的Al2O3-SiC废砖料为骨料制备的耐火浇注料基本物理性能与普通三级矾土浇注料相比相当或稍差，与LZ-48高铝砖相当[6-7]，而成本却可大幅下降，经与柳州共和耐火厂分析核算可知生产成本可下降40%以上。本文探讨的废料基耐火浇注料可应用于普通三级矾土浇注料或LZ-48高铝砖或粘土砖所能应用的部位，但因抗热震稳定性能较差，应尽量避免应用于急冷急热的部位。结合本地区企业概况，此废料基浇注料可应用于陶瓷隧道窑的预热带(工作温度：800～1 200 ℃)、工作带(工作温度：1 200～1 400 ℃)、冷却带(工作温度：1 200～600 ℃)，倒焰窑窑身及以下部位，炼锌浸出渣回转窑的预热带(工作温度：900～1 200 ℃)、冷却带(1 200～800 ℃)及工作温度在1 400 ℃以下的普通窑炉工作层。

4 结语

耐火材料的质量和耐用性是通过力学、热学和其他应用性能项目来表达的，在保障耐火材料热力学性能的前提下，开发高效、低耗、低成本、节能的耐火材料是目前及今后一段时间发展的新方向。耐火废料的回收可实现资源再利用，节约原始原料成本，不但可以为人类社会带来较高的经济价值，而且可以减少环境污染。基于此，利用钢铁企业生产用后的大量Al2O3-SiC废砖作为骨料研究制备了一种含Al2O3-SiC废砖骨料35%的废料基浇注料，其性能略逊于普通三级矾土基浇注料性能，但由于其成本较低，环境友好性强，可大量替代高铝砖及普通矾土浇注料应用在实际生产中，具有较高的经济价值与较好的社会价值。

[1]张巍.不定形耐火材料之浇注料的研究进展[J].材料导报，2012(8)：93-101.

[2]李永伟.用高铝-SiC工业废料制备高铝-SiC质耐火材料的研究[J].耐火材料，2010，44(5)：397-398.

[3]刘金山，冯峰. 用后耐火材料制备再生颗粒料的新工艺[J].耐火材料，2014(2)：139-140.

[4]张彩丽，谢顺利，孙玉周.废旧耐火材料的资源化利用进展[J].硅酸盐通报，2015(7)：1903-1906，1920.

[5]全国耐火材料标准化技术委员会·中国标准出版社第五编辑室. 耐火材料标准汇编(上册)[M]. 4版.北京：中国标准出版社，2008：841-844.

[6]李红霞.耐火材料手册[M].北京：冶金工业出版社，2007：532-535.

[责任编辑 刘景平]

Experimental Study of Al2O3-SiC Waste Refractory Bricks Preparing Low-cement Casting Material

HUANG Yu-fei1, WEI Hong-bo2, LIAO Shu-de1

(1.School of Physics and Mechanical & Electronic Engineering, Hechi University, Yizhou, Guangxi 546300；2.Liuzhou Republican Refractories Co. Ltd., Liuzhou, Guangxi 545002, China)

The paper studies the waste-based castable which is a combination of the low cement and Al2O3-SiC aggregate produced in the steel enterprises, including its basic physical properties, conventional mechanical properties and high temperature thermal shock resistance, etc. Comparative analysis with the alumina-based castable is also done. The results show that when the Al2O3-SiC aggregate addition amount is 35%, the castable’s basic properties are weaker than the three-grade bauxite castable. The castable’s performance meets the basic requirements of the large number of ordinary thermal furnuces. It would be widely applied and can replace part of the alumina bricks and the ordinary bauxite castable as its low cost and is environment friendly. So the castable would produce high economic and society benefit.

castable; Al2O3-SiC waste bricks; residual thermal shock resistance; furnace

TQ175.73

A

1672-9021(2016)05-0104-05

黄育飞(1984-)，男，广西玉林人，河池学院物理与机电工程学院讲师，主要研究方向：耐火材料的基础应用。

广西教育厅科研基金资助项目(YB2014334)；河池学院科研基金资助课题(2013A-N003)。

2016-06-10