多层轻质镁铝尖晶石耐火材料的制备 (1).pdf

55耐火与石灰2023 年 8 月第 48 卷 第 4 期多层轻质镁铝尖晶石耐火材料的制备摘要：窑炉内衬通常使用致密和多孔耐火材料。尖晶石轻质耐火材料保留了工作和保温两种特性。多层耐火材料，其不同层中的造孔剂和烧结助剂的量也不同。在保温层和工作层之间的中间层的连接是有气孔率梯度的。1550烧结并保温3h后的试样具有良好的耐压强度（92.43MPa）、低显气孔率（8.72%），其工作层具有良好的抗水泥熟料侵蚀（适宜强度31.72MPa），保温层的热导率低（0.146W/mK）。这些结果促进了轻质多层耐火材料在水泥窑中的应用。关键词：多层耐火材料；致密；多孔；中间层；尖晶石；气孔率中图分类号：TQ175.713.3文献标识码：B文章编号：1673-7792（2023）04-0055-031简介通常窑炉内衬需要两种耐材，一种为致密耐材，即工作层，直接与钢水、气体或水泥熟料接触。因此，所用耐材需具备高耐火度、低气孔率、高强度、高抗热震性、良好的抗侵蚀性；另一种为保温层，即隔热衬，阻止热损失。为了保温，需使用低热导率（高气孔率）及适宜强度的耐材，砌筑在工作层后。这两层通常用铝酸钙水泥粘结。保温层和工作层分开应用会增加窑炉的重量以及耐材内衬的厚度。最近，研究者在研制高性能耐材。陈等人已制备出莫来石砖，其保温层的热导率低。辛等人已研制出梯度密度刚玉-尖晶石耐材，它是以板状刚玉、活性氧化铝、电熔镁砂和石墨粉末为原料，经混合后在150MPa下压制成型，并于1550在氩气气氛下烧结而成。尹等人利用MgO的碳热还原来制备密度梯度轻质刚玉-尖晶石耐材。目前的工作是寻找一种新的方法，以研制一种新的多层尖晶石耐材，要将致密和多孔这两个特性保留下来。废弃谷壳灰（RHA）和稻糠分别作为烧结助剂和造孔剂。重点是给出多层耐材制备工艺参数、物理-机械性能和热性能。2试验过程2.1材料所用原料为活性氧化铝（99%）、氧化镁（99%）和熔融尖晶石（98%）。粗尖晶石颗粒通过钢研钵破碎，用高能球磨细磨成不同粒径以获得更好的堆积密度。废弃谷壳灰（RHA）和稻糠从当地磨坊收集。将RHA在马弗炉中于600热处理2h后通过60m筛，此RHA保留了超过93%的无定形二氧化硅。采用混合研磨机将稻糠磨细后通过60m筛。2.2多层耐材制备制备了5层（A、B、C、D和E）尖晶石耐材。A层和E层分别是致密层（工作层）和多孔层（保温层），B、C和D层是A层和E层的中间层。首先，根据不同层制备原料，在转速为100r/min的球磨机中干混20min，最后加2%水在玛瑙研钵中再混合10min。将半湿混合物注入钢模中（5cm5cm6cm），用于制备多层耐材试样，如图1所示。在填模时用普通纸张分离不同层材料，不同层材料的化学成分和尺寸列于表1。采用单轴液压机，以100MPa压力压制混合物。半成品在电炉中于110干燥6h。之后将干燥试样置于电马弗炉中，以2/min加热到500，以5/min加热到1500。根据致密气孔率和多孔层，优化保温时间，保温时间分别为1h、2h、3h和4h，生产多层尖晶石耐材。成分/%尺寸A（致密层）E（多孔层）中间层BCD熔融尖晶石1.50.6mm2525A 和 E 层成分以2:1混合A 和 E 层成分以1:1混合A 和 E 层成分以1:2混合0.60.2mm3535 0.2mm2525氧化镁 10m2.52.5活性氧化铝 1m7.57.5RHA 粉末 60m5-稻糠 60m-5尺寸（长 宽 高）/cm551.5 551.5 551551551表 1不同层材料的化学成分和尺寸56Aug.2023Vol.48 No.4REFRACTORIES&LIME图 2有中间层和没有中间层的试样（a）没有中间层；（b）有中间层；（c）建模以解决不同的收缩问题裂纹模具烧结后多层耐材2.3特性依据ASTMC20和ASTMC133测定显气孔率（AP）和体积密度（BD），并测定耐压强度。进行XRD射线衍射分析，通过扫描电子显微镜（SEM）测定不同层的表面形态，通过热导率仪测定不同层在室温下的热导率。通过膨胀计测定A层、C层和E层的线性热膨胀系数，温度范围为1001200，加热速率为3/min。3结果和讨论3.1工艺参数的优化图2示出了多层耐材试样图像。通过层间隙可以观察到没有中间层的试样出现了裂纹在致密层A和多孔层E之间，如图2（a）所示。A层和E层不同的化学成分显示出不同的热行为。因此，层之间的应力逐渐形成，温度升高导致裂纹产生。然而，通过致密层A和多孔层E之间中间层（B、C和D）的结合，解决了这一问题。中间层有助于降低A层至E层成分的多样性，逐渐形成了成分的梯度变化。因此，层之间的热错配被降低，也导致裂纹产生趋势的降低。有中间层的试样没有发现裂纹，如图2（b）所示。通常，水泥窑最高烧成温度为14001500，将多层试样的烧结温度调整到1550。另一个原因是，通过降低气孔率增强烧结动力学，保温层E的保温性能有可能被降低的可能性。水泥窑中多层试样在保温期间，不可能性将保温层的温度提高到1550，因为其本身就是置于工作层A之后。因此，通过应用发现E层并没有降低保温的趋势。表2列出了1550下不同保温时间，致密层A和多孔层E的显气孔率（AP）。发现，RHA和稻糠对A层和E层显气孔率的影响非常之大。RHA在A层中具有烧结助剂的作用，保温1h后显气孔率达20.68%。相反，用稻糠替代RHA的E层，显著地影响到了气孔的产生，保温1h显气孔率达54.85%。观察到，随保温时间的增加，A层显气孔率逐渐减低。保温时间增加，原子通常开始彼此扩散。1000以上，含有RHA的二氧化硅开始和Al2O3及MgO反应，有助于填充晶粒间空隙，使不同的尖晶石颗粒连接在一起。当保温时间由3h增加到4h时，A层的显气孔率略有降低（约0.5%）。另一方面，E层的显气孔率显著降低（约21%）。这可能是由于尖晶石原子的相互扩散。因此，3h保温时间足以烧结5cm5cm1.5cm试样。但是，这一最佳时间随层尺寸的变化而改变。表2列出了在1550下保温3h，A层至E层试样的体积密度。体积密度从A到E是降低的，这是由于前者气孔增加，减少了烧结助剂。A层和E层显示出不同的收缩，会影响到耐材的最终形状，这可以通过改变模具尺寸来解决。长方形多层耐材坯体的模具尺寸示于图2（c），其中致密层一侧的模具宽度要稍高于多孔层和中间层，压制后，坯体试样致密一侧将比多孔一侧厚。烧结期间，不同层通过不同收缩达到相同的厚度。3.2多层砖的特性图3示出了在1550烧结并保温3h后的A层和E层的XRD分析谱图。两层中均有尖晶石晶相存在，未检出一些未反应的Al2O3和MgO。然而在A层的XRD图谱中观察到有一些强度非常低的莫来石（3Al2O3MgO）和镁橄榄石（2MgOSiO2），这可能是由于含二氧化硅RHA的存在（5%）。高温下，此二氧化硅和活性氧化铝及氧化镁反应形成相应的相。莫来石和镁橄榄石相具有极佳的特性，因此，这两相不可能削弱尖晶石耐材性能。E层的XRD图谱中没有发现含有机化合物的稻糠。图 1多层耐材试样的制备简图浇注后压模后烧结后压制压制后坯体烧结多层耐材单层衬水泥窑双层衬窑熟料工作耐材保温耐材模具下模冲纸板上模冲57耐火与石灰2023 年 8 月第 48 卷 第 4 期图 4多层耐材试样在1 550 烧结并保温3 h后的SEM分析图 3多层耐材试样在1 550 烧结并保温3 h后的XRD图谱图4示出多层试样在1550烧结并保温3h后不同层的表面形态。发现，从A层至E层，气孔数量和气孔体积同时稳步增加。由于稻糠的存在，其数量从B层至E层增加。高温下，稻糠燃烧有助于产生气孔。另一个原因是烧结助剂（RHA）数量的减少。因此，尖晶石颗粒之间的结合网络减弱，气孔增加。A层至E层气孔率逐渐增加是因为中间层在系统中建立了一个气孔率梯度，它有助于降低层和层之间的热错配及裂纹产生的可能性。同时，在A层高倍放大SEM图像中没有发现尖晶石颗粒边界有玻璃相，这意味着RHA二氧化硅完全转变成了莫来石相和镁橄榄石相。烧后试样的耐压强度、室温下热导率和收缩值列于表2。由于其均匀的显微结构和低气孔率，A层显示出较高强度。相反地，E层的强度则明显低，大量的连接气孔的存在是导致低强度的主要原因。一般情况，强度和气孔率之间的关系是对立的，也就是高气孔率归因于低强度值。气孔导致大量裂纹的产生。耐压强度31.72MPa对于保温耐材而言足够抵抗其自身荷载。E层的气孔率影响到热导率。气孔率有助于降低E层的热导率，并增强了保温性能。热膨胀系数值由A层到E层稍有降低，这是由于超过85%相（理论上），即所有层都是尖晶石（热膨胀系数为7.610-6）。其他相，如莫来石的热膨胀系数为（4.56.5）10-6，镁橄榄石的热膨胀系数为12.910-6。E层的热膨胀系数稍微降低是由于其高的气孔率。热膨胀系数与气孔率为反比关系。每一层几乎相近的热膨胀系数值降低了热应力产生的可能性。A层显示出高的收缩值，高于E层。因此，没有中间层时，A层对E层施加压应力，E层对A层施加拉应力。因此，裂纹沿层与层之间产生。中间层的收缩值介于A层和E层之间，有助于降低应力值，使分布于层之间的断裂应力降低，产生无裂纹密度梯度。4结论通过改变层内RHA和稻糠数量，在1550烧结并保温3h制备了多层轻质尖晶石耐材。中间层有效地建立起了气孔率梯度，阻止了裂纹的产生。A层中5%RHA的存在（没有稻糠）降低了显气孔率达8.72%，而E层则因5%稻糠的存在（没有RHA）显气孔率为47.53%。工作层即A层气孔率较低，机械强度较高，具有良好的抗水泥侵蚀性。保温层（即E层）显示出低的热导率和适宜的强度。这些结果使水泥工业可以在窑中应用多层轻质耐材。王晓阳编译收稿日期：2022-10-10层显气孔率/%体积密度/（gcm-3）耐压强度/MPa热导率/W（mK）-1热膨胀系数/-1收缩/%1h2h3h4hA20.681.0413.870.738.720.478.160.323.120.0692.432.310.2138.210-69.790.35B-15.370.88-2.850.0778.711.85-7.960.41C-28.461.13-2.360.0561.352.040.1747.310-66.430.37D-41.671.24-1.910.0938.561.84-6.020.29E54.851.6450.661.7647.531.5537.471.621.650.631.721.580.1466.910-65.510.27表 2A层至E层试样在1 550 下保温不同时间后的物化性能连接203040506070802/（。）（E层）莫来石强度尖晶石镁橄榄石（A 层）