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水泥窑用耐火浇注料的制备技术与应用技术走向 发布日期:02-16

 

水泥窑用耐火浇注料的制备技术与应用技术走向

河南省新郑市古城冶金炉料厂

1、引言
   
水泥窑用耐火浇注料的制备技术与应用技术近一、二十年来取得了很大的进展,使得水泥窑用耐火浇注料的综合使用效果(如劳动生产率、施工效率、适应性、节能、使用寿命等)超过定形耐火制品。水泥窑中定形耐火制品相当部分被水泥窑用耐火浇注料取代,可以说,现代水泥窑用耐火浇注料的应用范围已今非昔比。
    
水泥窑用耐火浇注料制备技术方面,已逐渐由依靠实践经验转向依靠理论来指导。其所依靠的主要理论基础有如下几方面:
 
粉体工学:研究粉体的制备和特性,粒度分布与颗粒堆积理论等。

 胶体工学:研究固-液界面的物理化学现象,表面活性剂与电解质的作用,溶胶与凝胶的转换特性的制约等。

 流变学:研究固-液分散体系的流动与变形特性,流变类型与流变特性,以及控制流变特性的因素等。

 热力学:相组成与相平衡的控制,使用中的相变化推测及控制,以及配料组成的设计等。

 水泥窑用耐火浇注料的应用技术方面,包括材料的选择,施工技术以及窑炉结构。

 材料的选择:根据使用条件,以及材料的组成与特性关系来确定。

 施工技术:根据施工条件和材料的流变特性,以及可能采用的施工机具来确定。

 窑炉结构:根据使用要求,以及材料的应用技术性能(耐侵蚀性、耐渗透性、热震稳定性,高温力学性能等)来设计。

     值得指出的是,水泥窑用耐火浇注料的迅速发展还与不断更新的施工装备和机具的开发有密切关系。但主要还是取决于水泥窑用耐火浇注料自身的更新换代。归纳起来,近一、二十年来更新换代的主要技术措施是:引入了超细(微)粉;引入了非氧化物高温材料,制成氧化物-非氧化物(碳、碳化物、氮化物、F-Ni-Cr等)复合材料; 引入了不同作用的添加剂。 下面就水泥窑用耐火浇注料的制备技术与应用技术走向作简介。
2
、制备技术
2.1
原材料与加工技术
    
过去配制水泥窑用耐火浇注料所用的原料是以煅烧的天然原料,生产定形耐火制品的废料和用后回收废料为主,因而影响水泥窑用耐火浇注料的使用温度的提高和使用效果。而现在已逐渐使用人工合成原料和人工提纯原料:   

     由于水泥窑用耐火浇注料所用原料的均质化、合成化和高纯化,使得水泥窑用耐火浇注料的质量有了很大的提高,品种大大增加,应用范围不断扩展。
    
在原料加工处理方面也有很大的进展,使骨料的颗粒形态得到改善。由破碎后不规则的自然形态(如棱柱状、针状、片状)加工成近等轴状(近球粒状)颗粒。大大改善了拌合后料的流变特性。而且粉料的加工细度也越来越细,提高了粉料的活性和烧结性。粉料的粒度由以前的<0.088mm(或<0.074mm)加工到<0.044mm,以至<10µm,<5µm和<1µm。这样就使得水泥窑用耐火浇注料的颗粒级配由粗放级配向精细级配演变,如图所示。   

2.2 结合剂与添加剂
     水泥窑用耐火浇注料的理化性能与所选用的结合剂和添加剂(包括掺合剂)合适与否是密切相关的。所用的结合剂有无机类和有机类化合物。无机类结合剂有以固态形式加入,再加水调和使用,或水溶液状直接加入使用,属含水结合剂。有机类结合剂多数含碳,如果呈液态形式可直接加入使用,如果呈固态状,一般须加热融化后使用,属无水结合剂。但无机类结合剂多数含有会降低耐火材料高温性能的有害杂质(如CaONa2Ok2O等)。因此为了提高水泥窑用耐火浇注料的高温使用性能,其结合方式已由水合(水泥)结合向凝聚结合方式扩展,以浇注料的结合方式为例,如下图所示。                                         

耐火浇注料结合方式的演变


     凝聚结合是依靠加入与主材料化学成份相似的细粉和微粉的凝聚作用而产生结合,这样便可得到自结合浇注料。这类浇注料具有如下优点:

不生成新的低熔融相,高温性能得到改善,使用温度提高;

由于加入了超细粉,改善了作业性能,同时提高了浇注料的致密度和抗渗透性与抗侵蚀性;

加入的细粉具有较大的活性,降低了烧结温度,提高了材料的低、中和高温结合强度,也大大提高了高温力学强度。

     添加剂(外加剂)是为改善水泥窑用耐火浇注料的施工性能(作业性能)、物理性能、使用性能和(或)使用寿命的加入物,在水泥窑用耐火浇注料中已普遍采用。按其在水泥窑用耐火浇注料中的作用功能可分为如下五类:

调节作业性能(流变性能)的添加剂:例如分散剂(减水剂)、增塑剂(塑化剂)、凝胶剂(絮胶剂)、反絮凝剂(解胶剂)、流化剂等;

调节凝结、硬化速度的添加剂:例如促凝剂、缓凝剂、迟效促凝剂、早强剂等;

保持材料作业性能的添加剂:包括有保存剂、酸抑制剂(防鼓胀剂)、防冻剂等;

调整材料内部组织结构的添加剂:包括有发泡剂(引气剂)、消泡剂(脱气剂)等;

改善材料使用性能的外加剂:例如助烧结剂、防缩剂、膨胀剂、快干剂(催干剂)、抗爆剂、防氧化剂等。

     上述添加剂可根据具体要求而选择加入,既可单独加入,也可复合加入。选择合适的添加剂已成为近代水泥窑用耐火浇注料的关键制备技术之一。

2.3 调和用水量

     随着结合系统的变化,加之引入了细粉(<320目)和超细粉(<1um),使水泥窑用耐火浇注料的堆积密度提高,原先被水所占据的空隙由细粉和超细粉充填,使调和用水量降低,干燥后的密度和强度提高。

     水泥窑用耐火浇注料的水含量已由高水份10%~20%)向低水份4%~7%)进而向无水份方向变化。伴随高水份向低水份的变化,实际上材料由低致密度向高致密度发展。而采用无水干式料的特点有:

施工方便,可快速烘烤或无须烘烤即可直接投入使用;

依靠衬体的温度梯度,在使用过程中从工作面到背衬是逐渐烧结的,逐步形成致密工作层。不易出现贯穿裂纹。

未烧结层的密度低于烧结层,因此热传导性降低,热损失减小。残衬易于拆除。

2.4 作业性能
     由于在水泥窑用耐火浇注料中加入了超细粉,尤其是无定形、球状的氧化硅超细粉,同时采用了人工加工后的粒形(改变了自然颗粒形状,由片状、棱柱状、针状等形状加工成近等轴球状)和合理的粒度级配,水泥窑用耐火浇注料的作业性能,尤其是耐火浇注料的作业性能发生了很大变化。概括地说,不定形耐火浇注料的作业性能发生了如下演变:

 难触变材料––捣打料、可塑料
 
难触变材料––捣打料、可塑料
 
难触变材料––捣打料、可塑料
    
从流变学的观点来看,即从塑-弹性   --弹性  -塑性的方向发展。开发出的无触变自流浇注料的特点如下:

无需振动施工,依靠自重和位能差即可产生自流,达到脱气、摊平和密实化作用,与振动浇注料比较,气孔少、粒径小且分布均匀;

可用泵灌施工,可通过真空泵送施工,省工省力。便于管道输送,湿式喷射施工;

可用于修筑和修补形状复杂的衬体,薄壁衬体,和锚固件较密的衬体;

自流浇注料性能与振动浇注料性能相似。

3、应用技术

     应用技术包括炉衬材质的选择,施工和烘烤技术的确定和窑炉结构的设计。这三者都要根据使用条件和使用环境来选择、确定和设计。近20年来在这些方面也有很大的进展。

     由于水泥窑用耐火浇注料是在现场直接施工,因未经预烧,其体积稳定性不如烧成耐火制品的,多数情况下表现为使用中有烧结收缩。为了克服此缺点,在材料的组成设计中现在人们已采用原位反应补偿法。也就是通过适当地调整物料组成,使其在使用中所生成新物相的体积大于反应物的体积,由此产生适量膨胀以弥补由于烧结而导致的收缩。达到此目的的技术措施可以有:

     晶型转化法:如在相应的水泥窑用耐火浇注料中加入适量的生硅石,借助于生硅石(α-石英)加热转化为α-鳞石英伴随的12.7%的体积膨胀和鳞石英转化为α-方石英产生的4.7%的体积膨胀来弥补烧结收缩。

     热分解法:如蓝晶石(Al2O3·SiO2)可用来作体积稳定剂,当被加热到一定温度(>1300℃)时,蓝晶石会分解生成莫来石和石英,产生10%~12%的体积膨胀,从而可补偿材料的烧结收缩。

化学反应法:化学反应也能产生膨胀,只要新相的摩尔体积大于原反应相的摩尔体积。如在铝-镁质钢包浇注料中利用Al2O3MgO细粉反应生成铝镁尖晶石产生体积膨胀效应就是众所周知的例子。又如在高铝质浇注料中加入结合粘土、硅石粉或二氧化硅微粉,其与氧化铝反应生成莫来石产生的体积膨胀也可补偿烧结收缩。

     涉及炉衬材料,还有一项很值得重视的技术是,利用耐火材料组份间的反应和耐火材料与熔渣或与使用环境介质反应生成保护层的方法以延长耐火材料的使用寿命。回转窑是过渡带和烧成带窑衬挂窑皮为延长耐火材料寿命的有效措施。这也是今后需要进一步考察和深入研究开发的课题。将来会有一些工业窑炉的衬里通过形成动态平衡的保护层而获得长寿。

4、结 语
    
通过对水泥窑用耐火浇注料在材质、品种、结合剂、添加剂、制备工艺、施工技术、烘烤技术及应用领域等方面发展的回顾可以看出,水泥窑用耐火浇注料的材质在向高档次、高性能的材质和氧化物-非氧化物复合材质的方向发展;施工技术在向省工、省时、高效化的方向发展;烘烤技术在向快速乃至免烧烤的方向发展。可以预料,在全球范围内,水泥窑用的定形耐火制品将越来越多地被水泥窑用耐火浇注料所取代,技术创新和突破将层出不穷。当然,对此必须付出更大的技术上的努力。

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