摘要：采用莫來石均質料代替Al₂O₃含量為85%或者88%的高鋁礬土熟料制備新型硅莫磚，研究了新型硅莫磚的理化性能和耐磨損性能，并與高鋁礬土熟料制備的普通硅莫磚進行對比。研究結果表明：其顯氣孔率和體積密度低，耐壓強度和荷重軟化溫度明顯提高，耐磨性能得到改善。說明莫來石均質料能夠應用在硅莫磚上，并提高了產品的性能。

  關鍵詞：莫來石均質料，高鋁礬土熟料，硅莫磚，耐磨性能，導熱系數(shù)，水泥窯

  引言

  目前我國礬土資源利用率很低，大量的中低品位的礦石被廢棄，資源浪費現(xiàn)象非常嚴重^[1-2]。立足我國高鋁礬土資源特點，采取措施降低Ⅱ等高鋁礬土雜質含量（主要TiO₂和Fe₂O₃），并通過多級均化、真空擠泥、高溫可控剛玉/莫來石化燒結等聯(lián)合工藝獲得優(yōu)質莫來石均質料。莫來石均質料二次莫來石化程度高，晶相發(fā)育良好，并且吸水率低，結構致密。適宜開發(fā)具有低氣孔、低蠕變、高耐磨等優(yōu)良性能新型定型制品^[3-4]。

  隨著水泥生產技術的進步，水泥回轉窯逐漸向大型化發(fā)展。水泥回轉窯過渡帶對耐火材料熱震穩(wěn)定性、耐磨性、抗機械應力、抗化學侵蝕的要求越來越高?，F(xiàn)階段硅莫磚的生產主要采用回轉窯或者倒焰窯生產，鋁含量為85%以上的鋁礬土與紅柱石，碳化硅等配合制備而成^[5-6]。本文研究莫來石均質料替代鋁礬土在硅莫磚中的應用。利用莫來石均質料代替Al₂O₃含量為85%或者88%的高鋁礬土與紅柱石，碳化硅等混合后，經高壓成型、高溫燒成制備了新型硅莫磚。使用莫來石均質料能夠提高產品的荷重軟化溫度及耐磨性能，同時降低了產品的體積密度，使產品單重減小，從而降低了回轉窯內襯負荷達到節(jié)能降耗目的，并延長其內襯的使用壽命。

  1. 試驗

  1.1試驗原料

  新型硅莫磚以莫來石均質料為骨料，特級礬土，碳化硅，紅柱石和金屬硅為基質配合而成。表1為莫來石均質料的理化性能指標。從表1可以看出，莫來石均質料相對85礬土熟料具有雜質含量低，體密低的特點。

表1 莫來石均質料的理化性能

圖1莫來石均質料的XRD衍射譜

圖2  莫來石均質料的微觀結構照片

  從圖1莫來石均質料的XRD圖譜可以看出，主晶相為莫來石相，還有一部分剛玉相。從圖2莫來石均質料微觀結構照片中可以看出，高溫燒結莫來石均質料莫來石晶相發(fā)育良好，晶粒生長均勻，并且形成較為完善的莫來石網絡結構，結構緊密。

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  1.2新型硅莫磚的理化性能

  1.2.1 結果與分析

  1）常規(guī)理化性能檢測

  按照相應國家標準進行試樣常規(guī)性能檢測，具體如下：按GB/T2997-2000檢測試樣體積密度和顯氣孔率，按GB/T5072-2008 檢測試樣常溫耐壓強度，按YB/370-1995檢測試樣的荷重軟化溫度，按YB/T376.1-1995檢測試樣的熱震穩(wěn)定性（1100℃，水冷）。

  表2列出了新型硅莫磚燒后試樣的理化性能，表3列出了新型硅莫磚與普通硅莫磚理化性能的比較。

表2 新型硅莫磚燒后試樣的理化指標

  采用莫來石均質料代替Al₂O₃含量85%或者88%高鋁礬土熟料制備新型硅莫磚，與普通硅莫磚性能對比可以發(fā)現(xiàn)：新型硅莫磚的Al₂O₃含量降低10%左右，SiC含量相當。但是試樣的顯氣孔率和體積密度降低，新型硅莫磚的耐壓強度和荷重軟化溫度明顯提高。

表3新型硅莫磚與普通硅莫磚的性能指標對比

  A 耐磨性

  耐磨性能對于硅莫磚來說是一個非常重要的指標，在高溫使用過程中，硅莫磚因為SiC的氧化在其表面形成了一層致密的玻璃質釉層，避免了硅莫磚與磨損顆粒的直接接觸，從而起到保護硅莫磚的作用。表面致密釉層在高溫使用過程中會被不斷的磨損，但其新的致密釉層又會不斷形成，使得材料具有良好的耐磨性能^[7]。從新型硅莫磚與普通硅莫磚耐磨系數(shù)對比試驗可以看出（如表4所示），新型硅莫磚的耐磨性能要優(yōu)于普通硅莫磚，特別是內部耐磨性能。圖3為新型硅莫磚和普通硅莫磚耐磨試驗后外觀形貌照片。從圖中可以看出，普通硅莫磚骨料和基質被沖刷現(xiàn)象比較嚴重，而新型硅莫磚磨損較少，這主要是因為新型莫來石均質料結構致密，體積穩(wěn)定，使得硅莫磚的強度高，氣孔率低，從而提高了其耐磨性能。

表4常溫耐磨實驗數(shù)據(jù)

圖3  不同耐火磚耐磨試驗后形貌圖

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  B 導熱性

  目前，已有多種導熱系數(shù)測試方法，如平板法、熱流法、熱線法、激光法等等。然而，沒有任何一種方法能夠適合于所有的應用領域和材料。要得到準確的測量值，必須基于材料的導熱系數(shù)范圍與樣品特征，選擇正確的測試方法。本實驗，在同等的檢測方法（激光法）下，對鎂鋁尖晶石磚和新型硅莫磚進行導熱系數(shù)的檢測，如表5。

表5 導熱系數(shù)的檢測結果(武漢科技大學)

  通過檢測數(shù)據(jù)對比，驗證了鎂鋁尖晶石磚的導熱系數(shù)大于新型硅莫磚，而在實際應用中，跟蹤產品實際使用效果來比較新型硅莫磚和鎂鋁尖晶石磚筒體溫度，同樣驗證了導熱性能上的差異。

  C 荷重軟化溫度

  表6 給出了不同配方的試樣燒成后荷重軟化溫度。一般情況下，荷重軟化溫度主要與試樣的骨料有關，顯然用70莫來石均質料替代85礬土熟料后提高了材料的荷重軟化溫度。

表6  試樣的荷重軟化溫度

  2 新型硅莫磚的應用

  實例一：下表為某水泥廠回轉窯耐火磚砌筑情況：優(yōu)化前后配置如表7。

表7某水泥公司5000t/d水泥窯的優(yōu)化前后配置

  在上過渡帶前段 28m~35m處，優(yōu)化前使用鎂鋁尖晶石磚的筒體溫度平均在380℃左右，而優(yōu)化后使用新型硅莫磚的筒體溫度平均在320℃，相差近60℃，可以明顯體現(xiàn)出新型硅莫磚能很好的使用在上過渡帶前段，替代鎂鋁尖晶石磚，而且其導熱系數(shù)比鎂鋁尖晶石低的特點得到了良好的體現(xiàn)，筒體溫度低約60℃，起到了節(jié)能的效果。

  實例二：下表是某水泥廠回轉窯高溫帶耐火磚的具體配置情況。為了充分說明新型硅莫磚的導熱性低，在上過渡帶前段使用了3m（16m~19m）新型硅莫磚，后面11m（19m~30m）砌筑鎂鋁尖晶石磚以做對比（表8）。

表8  某水泥廠日產2500噸水泥熟料干法水泥窯內襯耐火磚配置

  項目組依據(jù)本次試驗跟蹤觀察記錄3個月的窯筒體外壁實際溫度記錄，繪制出圖4~圖6。

圖6-7  5月份窯筒體外壁溫度

圖6-8  6月份窯筒體外壁溫度

圖6-9  7月份窯筒體外壁溫度

  結合表8耐火磚配置及圖4~圖6的筒外壁溫度可以明顯發(fā)現(xiàn)，從16m處溫度急劇下降，17m左右筒掃溫度最低，19m后溫度開始上升，到23m~25m達到320℃左右。這與新型硅莫磚所處位置相吻合。以此判斷，新型硅莫磚導熱系數(shù)明顯低于鎂鋁尖晶石磚，可以為水泥廠節(jié)約煤耗。

  結論

  1）采用莫來石均質料制備的新型硅莫磚，試樣的顯氣孔率和體積密度低，耐壓強度和荷重軟化溫度高。

  2）與普通硅莫磚相比，新型硅莫磚的耐磨損性能得到改善，并且能夠滿足水泥窯過渡帶的使用。

  3）與普通硅莫磚及鎂鋁尖晶石磚相比，新型硅莫磚的導熱性能性能得到改善，可使水泥窯更加節(jié)能。

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