1 前言

某公司用回轉(zhuǎn)窯燒制Mg O含量30%左右的鎂質(zhì)料，回轉(zhuǎn)窯燒成帶長度20～30 m，燒成溫度1 470℃左右，筒體表皮溫度300～310℃?；剞D(zhuǎn)窯使用65%～75%高鋁磚壽命不到20 d，使用80%高鋁磚壽命30 d左右，由于耐材侵蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致窯爐檢修頻繁，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率。為此，尋求適合回轉(zhuǎn)窯的非鎂質(zhì)耐火材料，確保回轉(zhuǎn)窯使用壽命達(dá)到半年以上。

2 煅燒鎂質(zhì)料回轉(zhuǎn)窯耐火材料的使用工況

回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)的鎂質(zhì)料的成分見表1，顯微結(jié)構(gòu)見圖1。

表1 鎂質(zhì)料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%  

2.1 回轉(zhuǎn)窯原使用80%高鋁磚的應(yīng)用分析

圖2為80%高鋁磚使用30 d后的特征，從用后磚的表面看，主要表現(xiàn)為滲透、侵蝕嚴(yán)重。

圖1 鎂質(zhì)原料微觀結(jié)構(gòu)及元素分析  

圖2 80%高鋁磚使用后特征  

對該回轉(zhuǎn)窯原用高鋁磚理化性能進(jìn)行分析，性能指標(biāo)見表2。  

表2 高鋁磚的理化性能  

采用靜態(tài)坩堝法對80%高鋁磚進(jìn)行抗侵蝕試驗[1]。將鎂質(zhì)料填充于試樣中，按一定升溫速率升溫至1 500℃保溫3 h后隨爐自然冷卻至室溫，沿試樣中心線切開。

2.2 回轉(zhuǎn)窯原使用80%高鋁磚的損毀分析

2.2.1 高鋁磚的損毀性能分析

從表2高鋁磚的理化性能可以看出，該材料氣孔率高，荷重軟化開始溫度僅有1 418℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于燒成帶1 450～1 470℃的工作溫度，耐材在使用過程中的軟化變形、侵蝕加??；從磚的重?zé)€變化率可以看出，該80%高鋁磚在高溫下為收縮趨勢，極易造成磚縫隙的擴(kuò)大，影響窯體的整體結(jié)構(gòu)，加速耐材損毀。結(jié)合圖2的抗侵蝕試驗表征，試樣表面反應(yīng)后疏松多孔，并呈現(xiàn)明顯的滲透現(xiàn)象，這說明在高溫狀態(tài)下，隨液相量不斷產(chǎn)生并沿磚縫隙進(jìn)行滲透、侵蝕，增大了侵蝕面積，加劇了損毀速度，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)窯的整體性破壞、壽命短。

2.2.2 高鋁磚的損毀機(jī)理分析

(1）化學(xué)侵蝕作用。從表1可以看出，該回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)的是鎂質(zhì)料，以Mg O、Si O2為主。由Mg O+Si O2為主的二元體系發(fā)生如下的化學(xué)反應(yīng)：

在窯爐運(yùn)行過程中以Mg O、Si O2為主的原料與富Al的耐材接觸后，即Mg O和Si O2的系統(tǒng)中引入Al2O3時，即形成Mg O-Si O2-Al2O3三元體系。當(dāng)2Mg O·Si O2與Al2O3接觸時，在1 250℃以上即可生成堇青石（2Mg O·2Al2O3·5Si O2），生成的堇青石會在1 460℃分解熔融。而在此三元體系中，Al2O3不但會與Mg O組分反應(yīng)生成Mg Al2O4（尖晶石），而且會與Si O2組分反應(yīng)生成Al6Si O13（莫來石）。

伴隨著尖晶石的生成，會發(fā)生5%～8%的體積膨脹。結(jié)合界面反應(yīng)導(dǎo)致的液相熔融，造成耐火材料變質(zhì)、損毀，最終影響窯爐的整體使用壽命。

(2）機(jī)械應(yīng)力作用?；剞D(zhuǎn)窯的斜度3%～5%，生產(chǎn)過程中回轉(zhuǎn)窯按一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，窯內(nèi)的耐火材料不僅受到慣性力作用呈向下運(yùn)動的趨勢，同時也受到了筒體的壓應(yīng)力、物料的沖刷磨損等作用，導(dǎo)致耐材損毀。

3 試驗

3.1 回轉(zhuǎn)窯用耐火材料應(yīng)具備的性能

根據(jù)煅燒鎂質(zhì)料的成分、使用環(huán)境及燒成溫度，通過對回轉(zhuǎn)窯使用高鋁磚的損毀分析，煅燒鎂質(zhì)料回轉(zhuǎn)窯用耐火材料需具備致密、高強(qiáng)度、高荷重軟化溫度等性能，且對所煅燒的鎂質(zhì)原料具有良好的抗侵蝕性、掛窯皮性能好等特點(diǎn)。

3.2 選材

根據(jù)客戶對鎂質(zhì)耐材抗剝落不好、價格高且不適合目前此回轉(zhuǎn)窯的需求，本試驗從鋁硅系為主體的相關(guān)耐材中選擇，分別選擇了莫來石紅柱石磚[2]、高鋁碳化硅磚、特種高鋁磚、剛玉尖晶石磚等材質(zhì)試樣，理化性能見表3。然后使用靜態(tài)坩堝法進(jìn)行抗侵蝕性能分析比較。將鎂質(zhì)料填充于試樣中，按一定升溫速升溫至1 500℃保溫3 h后隨爐自然冷卻至室溫，沿試樣中心線切開，研究不同類型耐火材料對鎂質(zhì)材料的抗侵蝕能力。  

表3 4種耐火材料的理化性能指標(biāo)  

圖3為4種材質(zhì)的靜態(tài)坩堝法侵蝕斷面，表4為侵蝕及滲透數(shù)據(jù)分析。

圖3 4種材質(zhì)的靜態(tài)坩堝法侵蝕斷面  

3.3 抗侵蝕結(jié)果與討論

從表4數(shù)據(jù)可以看出，抗侵蝕能力為4#>2#>3#>1#>80%高鋁磚，抗?jié)B透能力為2#>1#>3#>80%高鋁磚>4#。

(1)1#試樣是莫來石紅柱石材質(zhì)，鎂質(zhì)料高溫下與磚反應(yīng)，表面生成白色絮狀反應(yīng)層，該材質(zhì)Si O2含量較高，反應(yīng)溫度為1 200～1 300℃，Si O2、Al2O3和Mg O之間加速反應(yīng)生成堇青石，隨著溫度繼續(xù)升高，生成的堇青石在1 450℃時發(fā)生分解熔融，析出大量過冷液相附著于物料表面造成侵蝕，該材質(zhì)的抗侵蝕能力一般，但由于致密程度高，使其具有良好的抗?jié)B透能力。

(2)2#試樣為高鋁碳化硅磚，引入碳化硅后，表層Si C氧化生成Si O2膜的致密保護(hù)層，阻止了鎂質(zhì)材料對磚的進(jìn)一步侵蝕滲透，因此該材質(zhì)的抗侵蝕性能及抗?jié)B透效果較好。

(3)3#試樣為特種高鋁磚，物料表面呈白色，侵蝕、滲透現(xiàn)象較輕，該高鋁磚內(nèi)部生成剛玉-莫來石復(fù)相結(jié)構(gòu)，莫來石相提高了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊密度，提高了抗?jié)B透性，剛玉相起到抵抗侵蝕作用，耐材表面與鎂質(zhì)材料在高溫狀態(tài)下接觸反應(yīng)，呈熔融狀態(tài)，在析晶后附著于耐材表面，形成類似窯皮的結(jié)構(gòu)層，可有效阻止耐材進(jìn)一步侵蝕反應(yīng)，綜合評價抗侵蝕及滲透能力為較好且成本最低。  

表4 侵蝕及滲透數(shù)據(jù)  

(4)4#試樣為剛玉尖晶石磚，抗侵蝕較好，但抗?jié)B透能力差且成本高。

綜合評價4種材質(zhì)的抗侵蝕能力、成本，優(yōu)先選擇高鋁碳化硅磚及特種高鋁磚，但從導(dǎo)熱性能及性價比角度分析，高鋁碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)及價格高于特種高鋁磚，因此最終選擇特種高鋁磚。熔融后的鎂質(zhì)料與特種高鋁磚反應(yīng)的特征可以看出具有良好的掛窯皮能力。

3.4 特種高鋁磚的性能優(yōu)化

為了更好滿足煅燒鎂質(zhì)料回轉(zhuǎn)窯的使用環(huán)境，對特種高鋁磚的指標(biāo)及工藝進(jìn)行了優(yōu)化。通過優(yōu)化基質(zhì)A/S比，生成剛玉-莫來石復(fù)相結(jié)構(gòu)，莫來石相提高了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊密度，提高了抗?jié)B透性，剛玉相起到抵抗侵蝕作用。重新優(yōu)化的特種高鋁磚理化性能優(yōu)良（見表5），且具有較好的抗侵蝕及滲透能力（見表6）。  

表5 優(yōu)化后特種高鋁磚的理化指標(biāo)  

表6 優(yōu)化前后的特種高鋁磚侵蝕及滲透數(shù)據(jù)  

使用靜態(tài)坩堝法對優(yōu)化后的特種高鋁磚進(jìn)行抗侵蝕性能分析，具有良好的抗侵蝕能力，見圖4。

圖4 優(yōu)化后的特種高鋁磚靜態(tài)坩堝法侵蝕試驗斷面  

4 產(chǎn)品的應(yīng)用效果

(1）跟蹤客戶特種高鋁磚使用情況，截至2021年5月，回轉(zhuǎn)窯已經(jīng)正常運(yùn)行900 d，使用壽命大幅提高，使用中未出現(xiàn)因侵蝕、剝落、掉磚等現(xiàn)象造成停窯檢修情況，生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量得到了保障，贏得了客戶的高度認(rèn)可。

(2）該特種高鋁磚熱導(dǎo)率適中并具有較好的掛窯皮能力，回轉(zhuǎn)窯燒成帶筒體表皮溫度約240℃，比以前溫度降低60℃左右。一方面防止筒體溫度過高而引起的塑形變形，降低了回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行安全風(fēng)險；另一方面隨筒體表面的散熱損失的減少，不但實現(xiàn)了節(jié)能降耗的目的，而且工作現(xiàn)場環(huán)境得到改善。

(3）對已經(jīng)使用900 d的特種高鋁磚進(jìn)行微觀分析。通過對反應(yīng)層放大56倍進(jìn)行觀察，利用EDS掃描分析，可以發(fā)現(xiàn)宏觀下以Mg與Si為主的鎂質(zhì)料對特種高鋁磚沒有出現(xiàn)任何的滲透反應(yīng)。

通過對用后特種高鋁磚反應(yīng)層與侵蝕層繼續(xù)放大分析，發(fā)現(xiàn)在耐材反應(yīng)層表面K、Na含量富集，形成液相保護(hù)層，避免耐材被進(jìn)一步侵蝕。當(dāng)對反應(yīng)層放大300×時，可以清晰觀察到耐材與鎂質(zhì)原料在運(yùn)行過程中反應(yīng)變化情況（左側(cè)為原磚層，中間為侵蝕層，右側(cè)為變質(zhì)層）。通過測量發(fā)現(xiàn)，形成的液相保護(hù)層厚度約150～300μm。耐材內(nèi)部未受到鎂質(zhì)原料的侵蝕與破壞，根據(jù)對該特種高鋁磚的使用現(xiàn)狀進(jìn)行評估，使用壽命預(yù)計可達(dá)到5 a以上。

5 結(jié)語

通過靜態(tài)坩堝法模擬使用溫度及環(huán)境，對莫來石紅柱石磚、高鋁碳化硅磚、剛玉尖晶石磚、特種高鋁磚4種類型鋁硅系耐火材料進(jìn)行抗鎂質(zhì)料侵蝕試驗，經(jīng)過對比分析，最終選擇抗侵蝕性能良好、性價比優(yōu)良的特種高鋁磚。經(jīng)客戶實際生產(chǎn)使用，使用壽命大幅超過預(yù)期，且節(jié)能降耗明顯，有效解決了窯爐使用壽命短的問題，生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量得到了保障，贏得了客戶的高度認(rèn)可。