莫來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，使用壽命長等特點，近些年來在眾多火焰爐、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℃以上的莫來石輕質(zhì)耐火澆注料體積密度很難降到1.3g/cm3以下。同時由于在配制澆注料的過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。本項目研究采用全天然原料合成輕質(zhì)莫來石熟料，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)過除鐵處理的特級高鋁礬土為引入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，另外加入大量有機(jī)質(zhì)作為造孔劑，二者在毛坯煅燒過程中均可起到內(nèi)燃發(fā)熱的作用，整個系統(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)振動磨磨細(xì)至小于43um，部分作為高純莫來石細(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)莫來石骨料的性能及影響因素
在項目研究過程中，我們發(fā)現(xiàn)，輕質(zhì)莫來石骨料的性能，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、合成骨料時的煅燒溫度與保溫時間，合成輕質(zhì)骨料時所用的原料純度等都對最終澆注料的性能有很大影響。
原料的選擇
要使最終莫來石隔熱耐火澆注料的最高使用溫度在1500℃以上，必須保證整個體系有盡可能高的莫來石含量，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)是影響莫來石隔熱澆注料體積密度的最重要的因素。孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu)主要受所加入的用于燃燼的有機(jī)物種類及粒度的影響，同時煅燒溫度和保溫時間既影響骨料 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，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，因此，當(dāng)這種骨料與前一種骨料塊密度相同時，所得輕質(zhì)澆注料的體積密度往往較大，但對澆注料抗折、抗壓強(qiáng)度的增加作用并不明顯。同樣原理，對于不同有機(jī)物來說，隨著第二維度(即能夠通過方孔篩的最大方向)粒徑尺寸的增加，澆注料的體積密度也呈增加趨勢。因此按照最終莫來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)骨料時宜采用粒度≤2.83mm的鋸末作為有機(jī)燃盡物。
另外的實驗表明，當(dāng)煅燒溫度、保溫時間及熟骨料的體積密度都相同時，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。
煅燒溫度及保溫時間對莫來石輕質(zhì)骨料性能的影響
在莫來石隔熱澆注料中，澆注料的主要部分靠輕質(zhì)骨料來支撐，因此如果骨料的強(qiáng)度偏低，勢必造成澆注料的強(qiáng)度偏低;如果骨料在高溫長期工作時有較大的體積變化，勢必造成澆注料的強(qiáng)度偏低;如果骨料在高溫長期工作時有較大的體積變化，勢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間又是影響骨料高溫性能的最主要因素。同時骨料的煅燒溫度和保溫時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間對莫來石輕質(zhì)骨料性能的影響時為了使輕質(zhì)莫來石熟料的體積密度保持在0.8g/cm3左右，對煅燒溫度高、保溫時間長的樣品、需適當(dāng)增加鋸末的用量。
莫來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)莫來石粉料用振動磨磨細(xì)至≤43um，部分作為澆注料的細(xì)分部分生產(chǎn)澆注料，部分作為高純莫來石細(xì)粉出售。為了減少澆注料在高溫使用過程中的線收縮，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，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)化為莫來石外，還需要足夠的富余量與藍(lán)晶石受熱時分解出的SiO2發(fā)生反應(yīng)形成莫來石。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。由于莫來石隔熱澆注料的級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，勢必要減少莫來石細(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，結(jié)果見表3。
表3 藍(lán)晶石加入量及其對莫來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，莫來石隔熱耐火澆注料在1500℃×24h的燒后線膨脹率為0.8%，體積密度為1.19g/cm3，達(dá)到了設(shè)計目的。
采用低鐵(除鐵)高鋁礬土和煤矸石為主要，經(jīng)過充分混合，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)莫來石熟料。以這種莫來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石隔熱耐火澆注料。該澆注料的體積密度≤1.2g/cm3；干燥線收縮率≤0.8%，1500×24h燒后線收縮率≤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、壽命長等綜合效果。
