莫來(lái)石隔熱耐火澆注料作為高溫窯爐的直接耐火內(nèi)襯具有隔熱性好，可形成整體內(nèi)襯，是施工方便和抗熱震性好，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，近些年來(lái)在眾多火焰爐、電爐內(nèi)襯，特別是在爐頂部位取得了廣泛的應(yīng)用。但由于超輕質(zhì)骨料往往強(qiáng)度較低，且合成技術(shù)難度較大，使用溫度在1400℃以上的莫來(lái)石輕質(zhì)耐火澆注料體積密度很難降到1.3g/cm3以下。同時(shí)由于在配制澆注料的過(guò)程中需要用較多的高鋁水泥，必然引入較多的CaO，使?jié)沧⒘鲜褂脺囟鹊倪M(jìn)一步提高受到限制。本項(xiàng)目研究采用全天然原料合成輕質(zhì)莫來(lái)石熟料，并采用提高骨料煅燒溫度、在澆注料中加入燒結(jié)收縮抑制劑和降低CaO引入量等措施，使莫來(lái)石隔熱澆注料的綜合性能大幅度提高。
1 輕質(zhì)骨料的合成工藝
為降低輕質(zhì)骨料的生產(chǎn)成本，在原料選擇上選擇了低鐵煤矸石及經(jīng)過(guò)除鐵處理的特級(jí)高鋁礬土為引入Al2O3和SiO2的主要原料，合成全部采用生料。原料的混合采用高效攪拌磨機(jī)，在磨細(xì)的同時(shí)進(jìn)行充分的混合。高效攪拌磨機(jī)的研磨效率約為普通球磨機(jī)的三倍，很容易將上述混合料磨至800目以下。煤矸石的主要礦物成份是高嶺石，在充分磨細(xì)的條件下可部分恢復(fù)可塑性及粘性。為了進(jìn)一步增加生毛坯的強(qiáng)度，可在研磨過(guò)程中加入2%~3%的蒙脫石質(zhì)粘土。將研磨好的泥漿脫去部分水分后與鋸末、聚苯乙烯泡沫塑料小球等有機(jī)質(zhì)混合，也可采用低灰分的無(wú)煙煤和煙煤。然后用擠磚機(jī)擠出成型為毛坯，也可采用手工搗打或澆注成型。將成型后的濕坯利用煅燒窯的廢氣在烘干窯中烘干，在有條件的地方也可采用自然晾干。將干燥后的毛坯在燃煤倒焰窯爐中于1550℃×20h煅燒。倒焰窯采用多級(jí)換熱，輕質(zhì)內(nèi)襯和全保溫層等新型結(jié)構(gòu)，突破了燃煤倒焰窯難于燒高溫的難關(guān)，同時(shí)具有比傳統(tǒng)倒焰窯低三分之一的能耗。再加上生坯原料中使用大量煤矸石的同時(shí)，另外加入大量有機(jī)質(zhì)作為造孔劑，二者在毛坯煅燒過(guò)程中均可起到內(nèi)燃發(fā)熱的作用，整個(gè)系統(tǒng)具有很高的能源利用率。
將煅燒后的毛坯進(jìn)行破碎和立即分選，大于500um的粗細(xì)顆粒作為澆注料的粗細(xì)骨料，小于500um的細(xì)粉經(jīng)振動(dòng)磨磨細(xì)至小于43um，部分作為高純莫來(lái)石細(xì)粉出售，部分作為澆注料的細(xì)粉部分配制澆注料。
輕質(zhì)莫來(lái)石骨料的性能及影響因素
在項(xiàng)目研究過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)，輕質(zhì)莫來(lái)石骨料的性能，包括骨料本身的孔隙率，孔隙的尺寸與結(jié)構(gòu)，骨料的抗壓強(qiáng)度、合成骨料時(shí)的煅燒溫度與保溫時(shí)間，合成輕質(zhì)骨料時(shí)所用的原料純度等都對(duì)最終澆注料的性能有很大影響。
原料的選擇
要使最終莫來(lái)石隔熱耐火澆注料的最高使用溫度在1500℃以上，必須保證整個(gè)體系有盡可能高的莫來(lái)石含量，因此所選Al2O3-SiO2系統(tǒng)原料必須有盡可能低的雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
輕質(zhì)骨料孔隙及孔隙結(jié)構(gòu)的確定
輕質(zhì)骨料的孔隙結(jié)構(gòu)是影響莫來(lái)石隔熱澆注料體積密度的最重要的因素�？紫堵屎涂紫督Y(jié)構(gòu)主要受所加入的用于燃燼的有機(jī)物種類(lèi)及粒度的影響，同時(shí)煅燒溫度和保溫時(shí)間既影響骨料 的燒成收縮率，也影響孔隙率及孔隙結(jié)構(gòu)。表2給出了當(dāng)輕質(zhì)骨料的塊密度(即塊體積密度)保持在0.8g/cm3，由于采用有機(jī)物不同，最終澆注料的體積密度的變化。
由表2可以看出，當(dāng)輕質(zhì)骨料的塊密度均為0.8g/cm3時(shí)，以鋸末為有機(jī)燃燼物的輕質(zhì)骨料更容易制成體積密度低的澆注料。且這種趨勢(shì)隨著有機(jī)燃燼物尺寸的增加變得更加明顯。這種變化是由于鋸末燃燒后所留下的孔隙是針、柱狀的不規(guī)則孔隙，這種孔隙使?jié)沧⒘现械募?xì)粒部分不易進(jìn)入。而由聚苯乙烯泡沫塑料小球燃燒后所留下的孔隙是圓球形的孔隙，這種孔隙使?jié)沧⒘现械募?xì)粒部分容易進(jìn)入，但又不能填得很密實(shí)，因此，當(dāng)這種骨料與前一種骨料塊密度相同時(shí)，所得輕質(zhì)澆注料的體積密度往往較大，但對(duì)澆注料抗折、抗壓強(qiáng)度的增加作用并不明顯。同樣原理，對(duì)于不同有機(jī)物來(lái)說(shuō)，隨著第二維度(即能夠通過(guò)方孔篩的最大方向)粒徑尺寸的增加，澆注料的體積密度也呈增加趨勢(shì)。因此按照最終莫來(lái)石隔熱耐火澆注料的體積密度≤1.2g/cm3的要求，在生產(chǎn)輕質(zhì)骨料時(shí)宜采用粒度≤2.83mm的鋸末作為有機(jī)燃盡物。
另外的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)煅燒溫度、保溫時(shí)間及熟骨料的體積密度都相同時(shí)，骨料本身抗壓強(qiáng)度隨著鋸末粒度的減小而降低，因此應(yīng)避免使用極細(xì)粒度的鋸末制造輕質(zhì)骨料。實(shí)際生產(chǎn)中使用0.5mm~2.83mm的鋸末作為有機(jī)燃燼物生產(chǎn)輕質(zhì)骨料。
煅燒溫度及保溫時(shí)間對(duì)莫來(lái)石輕質(zhì)骨料性能的影響
在莫來(lái)石隔熱澆注料中，澆注料的主要部分靠輕質(zhì)骨料來(lái)支撐，因此如果骨料的強(qiáng)度偏低，勢(shì)必造成澆注料的強(qiáng)度偏低;如果骨料在高溫長(zhǎng)期工作時(shí)有較大的體積變化，勢(shì)必造成澆注料的強(qiáng)度偏低;如果骨料在高溫長(zhǎng)期工作時(shí)有較大的體積變化，勢(shì)必造成澆注料在高溫條件下的使用性能惡化。而在原料配方已確定之后，骨料的煅燒溫度及保溫時(shí)間又是影響骨料高溫性能的最主要因素。同時(shí)骨料的煅燒溫度和保溫時(shí)間還是影響骨料生產(chǎn)效率與生產(chǎn)成本的最重要因素。在確定煅燒溫度和保溫時(shí)間對(duì)莫來(lái)石輕質(zhì)骨料性能的影響時(shí)為了使輕質(zhì)莫來(lái)石熟料的體積密度保持在0.8g/cm3左右，對(duì)煅燒溫度高、保溫時(shí)間長(zhǎng)的樣品、需適當(dāng)增加鋸末的用量。
莫來(lái)石隔熱耐火澆注料的配制工藝及影響性能的因素
將煅燒好的輕質(zhì)莫來(lái)石骨料毛坯破碎成≤1cm的顆粒，并將其分為3mm~10mm，0.5mm~3mm及<部分分別作為隔熱耐火澆注料的粗骨料和細(xì)骨料。為了控制澆注料最終產(chǎn)品的體積密度，可用部分0.5mm~2.85mm鋸末或膨脹珍珠巖代替細(xì)骨料。小于0.5mm部分輕質(zhì)莫來(lái)石粉料用振動(dòng)磨磨細(xì)至≤43um，部分作為澆注料的細(xì)分部分生產(chǎn)澆注料，部分作為高純莫來(lái)石細(xì)粉出售。為了減少澆注料在高溫使用過(guò)程中的線(xiàn)收縮，需加入部分藍(lán)晶石作為膨脹劑。藍(lán)晶石以≤74um細(xì)粉形式加入。為了進(jìn)一步提高莫來(lái)石隔熱耐火澆注料的耐高溫性能，在保證澆注料有足夠強(qiáng)度的同時(shí)，采用Al2O3含量在w(Al2O3)>80%的純鋁酸鈣水泥，這樣與采用普通高鋁水泥相比可使體系內(nèi)CaO的含量降低三分之一。為了促進(jìn)澆注料的燒結(jié)，拓寬燒結(jié)溫度范圍還需加入少量SiO2和Al2O3微粉。其中Al2O3微粉的加入量除了要使所加入的SiO2微粉全部轉(zhuǎn)化為莫來(lái)石外，還需要足夠的富余量與藍(lán)晶石受熱時(shí)分解出的SiO2發(fā)生反應(yīng)形成莫來(lái)石。為了減少澆注料的干燥收縮和增加干燥后強(qiáng)度，還需加入少量的高效減水劑。由于莫來(lái)石隔熱澆注料的級(jí)配必須遵循顆粒最緊密堆積原理，因此藍(lán)晶石及SiO2微粉和Al2O3微粉的加入，勢(shì)必要減少莫來(lái)石細(xì)粉的加入量。為了確定藍(lán)晶石的適宜加入量，我們進(jìn)行了系列試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 藍(lán)晶石加入量及其對(duì)莫來(lái)石耐火澆注料性能的影響
由表3可以看出，當(dāng)藍(lán)晶石的加入量達(dá)到25時(shí)，莫來(lái)石隔熱耐火澆注料在1500℃×24h的燒后線(xiàn)膨脹率為0.8%，體積密度為1.19g/cm3，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。
采用低鐵(除鐵)高鋁礬土和煤矸石為主要，經(jīng)過(guò)充分混合，加入粒度為0.5mm~2.83mm的鋸末作為有機(jī)燃燼物，并加入少量蒙脫石粘土以增加生坯強(qiáng)度，將生坯在1550℃×20h煅燒后得到高質(zhì)量的輕質(zhì)莫來(lái)石熟料。以這種莫來(lái)石熟料為主要顆粒料，并加入藍(lán)晶石細(xì)粉及其它組份，采用純鋁酸鈣水泥作為膠凝材料可配制出高性能莫來(lái)石隔熱耐火澆注料。該澆注料的體積密度≤1.2g/cm3；干燥線(xiàn)收縮率≤0.8%，1500×24h燒后線(xiàn)收縮率≤1.0%，800℃導(dǎo)熱系數(shù)≤0.48W/(m·K)，干燥后常溫抗壓強(qiáng)度≥3.8MPa，抗折強(qiáng)度≥1.4MPa。該澆注料配合硬硅鈣石型硅酸鈣板進(jìn)行窯爐內(nèi)整體澆注，具有隔熱效果好、使用溫度高、壽命長(zhǎng)等綜合效果。
