納米強化增韌型澆注料的研制報告
目前的窯口及噴煤管部位主要以使用高性能澆注料為主。
窯口澆注料，一般是使用剛玉、莫來石及鋁礬土級澆注料，使用壽命多數一般為3-10個月。大多數情況下，由于材料本身的質量限制及施工、操作等方面的原因，3-10個月就需要重新修筑。無法同冷卻帶磚保持同步，嚴重影響回轉窯的生產效率。
回轉窯轉速為每分鐘3-4周，也就是說，窯口澆注料每分鐘要承受3-4次約1400℃的高溫物料的加熱、磨損。同時每分鐘承受3-4次的冷熱交替。反復的熱應力導致材料產生裂紋、剝落，以及材料的結合強度降低，材料疏松。而澆注料的疏松又為水泥物料的侵蝕及磨損提供了前提，導致材料損毀加劇，壽命降低。
目前的噴煤管澆注料也多為剛玉、莫來石等材質，使用壽命一般為3-10個月，出現損毀也主要是熱震性不好導致的剝落以及堿侵蝕、堿剝落等。
二、窯口及噴煤管用納米強化增韌型澆注料的研制
1、窯口及噴煤管用納米強化增韌型澆注料使用中的溫度及應力場的計算機模擬
水泥窯窯口澆注料及噴煤管澆注料損毀的主要因素為熱震損毀，而與熱震損毀最直接相關的即是材料高溫下的應力，較大的熱應力將直接導致材料在冷熱交替過程中的熱震損毀。為此，我們首先借助于Ansys軟件對該類材料高溫下的溫度及應力場分布進行計算機模擬，以便弄清楚該類材料的損毀原因。
1.1窯口用剛玉澆注料的溫度及應力場
目前窯口常用的剛玉質澆注料使用中的溫度場及熱應力場如下圖1、圖2。
剛玉質澆注料的最大優(yōu)點即是硬度高，強度大，耐磨性好，但是，該材料的韌性較差，也就是說，彈性模量高、泊松比較小；此外，該材料的高溫線膨脹率較高，也將導致該材料的高溫下的熱應力較大。由圖2看出，該澆注料使用中的最大應力為135MPa，而溫度處于900-1300℃之間。135MPa的應力將使該溫度下的剛玉質澆注料難以承受，導致材料的組織結構應力破壞，裂紋出現、強度降低，如此，將導致材料的抗磨損性降低，大裂紋的出現也將導致結構剝落損毀。這也就是盡管目前的剛玉質材料強度較高，但是使用壽命并不高的主要原因。
從上述剛玉質澆注料使用中的應力場看出，如果能夠強化澆注料的韌性，降低材料的彈性模量，則澆注料的使用性能將得到大幅度的提高。我們知道，納米材料可以明顯改善材料的微觀組織結構，強化材料的斷裂韌性，所以，改善窯口及噴煤管澆注料的使用性能就可以通過引入少量的納米氧化鋁粉體來增加韌性。圖3、圖4即是以棕剛玉為主要原料，同時引入納米氧化鋁增韌的澆注料使用中的溫度及應力場。表1為目前的剛玉質澆注料及納米強化型澆注料的理化指標。
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理化指標 |
剛玉質澆注料 |
納米強化型澆注料 | |
|
化學成分，% |
Al2O3 |
92.2 |
66.53 |
|
體積密度，g/cm3 |
3.0 |
2.8 | |
|
彈性模量,GPa |
19 |
8 | |
由圖3、圖4的溫度場及應力場即可看出，納米強化增韌型澆注料的最高應力僅僅為67.8MPa，同上述的窯口及噴煤管用剛玉質澆注料135MPa的應力相比降低了一半。而這個應力800-1200℃ 的溫度范圍內還是可以承受的，也不會出現類似于現有剛玉質澆注料的大的裂紋、結構剝落機耐磨損性降低等情況，這樣就避免了剝落及過度磨損，如此，納米強化增韌型的該類澆注料的使用壽命將大幅度提高。
1.2噴煤管澆注料的溫度場及應力場
目前的以剛玉質澆注料（如表1中）施工的噴煤管的溫度場及應力場圖5、圖6。
從圖5及圖6看出，剛玉質噴煤管使用中的最高應力為155MPa，類似于剛玉質窯口澆注料的高溫應力。較高的熱應力將使材料出現高溫擠傷及斷裂而導致過早損毀。圖7即為目前的剛玉質澆注料使用中的損毀狀況。熱應力導致該噴煤管出現較多的徑向、軸向裂紋。
納米增韌型噴煤管澆注料的（如表1中）的溫度及應力場如圖8及圖9。
同窯口一樣，強化增韌后的噴煤管澆注料的高溫應力明顯降低，最大應力僅為51.1MPa，相當于原剛玉質澆注料的最高應力的1/3，所以，就增韌后的澆注料而言，其出現裂紋的可能性大大降低，從而避免了使用中的裂紋剝落，保持了材料的整體穩(wěn)定性，這對充分發(fā)揮材料的有效使用量是非常關鍵的，也在一定程度上保證了高壽命。
2、堿滲透的抑制
窯口及噴煤管澆注料使用中除受到高溫應力外，材料表面還主要受到堿氣氛的侵蝕。澆注料因堿蒸汽的滲入形成霞石、白榴石等將使材料表面出現堿裂和剝落，導致其損毀加快，所以，增強窯口及噴煤管澆注料的使用壽命也要非常注重減緩堿蒸汽的滲入。
對于高氧化鋁含量的剛玉質澆注料而言，其耐堿裂的性能相對要差些。圖7為噴煤管用剛玉質澆注料的使用中的照片圖，從圖中看出，噴煤管澆注料外周因堿蒸汽的侵蝕而出現層狀剝落損毀。
我們知道，作為耐堿侵蝕好的材料是低鋁材料，由于Al2O3-SiO2系材料通過與堿蒸汽形成熔融釉層阻止其滲入，所以，該窯口及噴煤管澆注料也可以借鑒該原則。目前剛玉質澆注料及納米增韌型澆注料的基質的化學分析如表2。
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化學成分，% |
剛玉質澆注料 |
納米強化型澆注料 |
|
Al2O3 |
83.27 |
68.4 |
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SiO2 |
3.93 |
28.5 |
無論對于窯口澆注料還是噴煤管澆注料，只要是不發(fā)生裂紋剝落，不產生堿侵蝕性層狀剝落，其使用性能就能得到保證。這也是納米強化增韌型澆注料研制的主要出發(fā)點。
研制后的納米強化型澆注料及普通剛玉質澆注料的部分理化指標如表3。
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理 化 指 標 |
普通剛玉質澆注料 |
納米強化型澆注料 | |
|
Al2O3 |
92.2 |
66.53 | |
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抗折強度，MPa |
110℃×24h |
9.3 |
12.3 |
|
1100℃×2h |
11.5 |
14.3 | |
|
1500℃×2h |
13 |
18.6 | |
|
耐壓強度，MPa |
110℃×24h |
108 |
140 |
|
1100℃×2h |
110 |
158 | |
|
1500℃×2h |
140 |
160 | |
|
燒后線變化，% |
1100℃×2h |
-0.3 |
0 |
|
1500℃×2h |
-0.59 |
-0.26 | |
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彈性模量，GPa |
19 |
8 | |
三、使用實踐
就目前水泥窯窯口及噴煤管澆注料而言，普遍采用剛玉系列澆注料；引入納米強化該部位澆注料的性能還屬首次。經過冀東水泥扶風有限責任公司等單位使用證明，該澆注料在4000噸/日的水泥窯上使用達到了14個月；在噴煤管上使用達到了10月的高紀錄，目前仍在繼續(xù)使用，其間不產生任何剝落損毀，表面光滑無裂紋，效果非常好。
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