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耐火材料行業知識

水泥窯用耐火磚的堿蝕原理及耐堿磚品種和性能

新型干法水泥窯的堿蝕起因于揮發性組分的循環富集,以及堿對鋁硅質耐火材料的侵蝕。
水泥窯使用的原料和燃料中含有K、Cl、S等揮發性元素,這些揮發性元素在高溫帶被蒸發,冷凝在低溫區的窯料上,經預熱器和電收塵器層層收捕后,又隨窯料進入高溫帶再次揮發,直至達到平衡。平衡建立后,K2O可富集5倍;SO3可富集3~5倍;Cl可以富集80~100倍。所以,新型干法水泥窯內,特別是窯的預熱系統中窯料的堿含量很高。
K2O可以和鋁硅質耐火材料中的SiO2(石英、方石英、鱗石英)、3SiO2·2Al2O3(莫來石)或剛玉等礦物反應,形成鉀長石、白榴石和鉀霞石。這些反應有很大的體積反應。反應伴隨著很大的膨脹和熱-機械應力,使耐火材料發生堿裂而損壞。
耐堿磚的耐堿機理可以根據K2O-Al2O3-SiO2三元相圖進行解釋。
K2O-Al2O3-SiO2三元相圖的莫來石初晶空間附近存在剛玉、鉀霞石、白榴石、鉀長石等幾種礦物。由此,不難根據有關礦物的分子式和密度推算化學反應的體積效應。
K2O分子量等于94.20,反應前為氣態。石英SiO2的分子量為60.09,相對密度等于2.65。莫來石3SiO2•2A12O3的分子景為426.06,相對密度等于3.03。鉀長石K2O•A12O3•6SiO2的分子量為556.70,相對密度等于2.57。白榴石K2O•Al2O3•4SiO2的分子量為436.52,相對密度等于2.47。鉀霞石K2O•Al2O3•2SiO2的分子最為316.34,相對密度等于2.59。由此不難推算出,氧化鋁含量越高、氧化硅含量越低,生成物的鋁硅比越大,化學反應伴隨的膨脹越大。如果其他條件相同,氧化鋁含量越高,也就越容易發生堿裂。
其次,看一下有關物系的三相共存溫度。石英-莫來石鉀長石系統三相共存點的溫度為985℃;莫來石-鉀長石-白榴石三相共存點的溫度為1140℃;莫來石-白榴石-剛玉三相共存點的溫度則高達1315℃。隨氧化鋁含量增高,出現液相的溫度增高,堿蝕反應伴隨的膨脹應力難以被松弛,堿蝕的危害增大。
所以,鋁硅質耐火材料中氧化鋁含量越高、氧化硅含量越低,堿蝕反應式(1)〜式(3)所生成三元化合物的鋁硅比越小,不僅反應伴隨的膨脹大,而且產生的應力又不容易被松弛。所以,鋁硅質耐火材料的氧化鋁含量越高,也就越沒有耐堿性。圖2顯示了氧化物含量對耐堿性的影響。
氧化鋁含量50%的樣品受到嚴重堿侵蝕,試樣幾乎崩潰;氧化鋁含量40%的試樣受到侵蝕小得多,試樣僅發生了不大的膨脹;氧化鋁含量30%的受到的侵蝕最為輕微,膨脹很小。氧化鋁含量>35%以后,耐堿性就可能受到影響。氧化鋁含量<25%以后,不僅耐髙溫性能不佳,且因試樣含有過多石英類物質,熱震穩定性也受到影響。一般情況下,耐堿磚氧化鋁含量的下限為25%,上限為40%。
水泥窯用系列耐堿磚是中國建筑材料科學研究院于20世紀80年代研制的耐火材料。至今,水泥窯用耐堿磚的理化性能沒有太大變化.
普通耐堿磚是采用燒結法制備的標準型產品。髙強型是采用磷酸結合制備的不燒制品。該制品的耐壓強度和抗熱震性很好。耐壓強度下限為60MPa,熱震穩定性下限25次,都明顯高于普通耐堿磚。但是,高強型制品的耐火度和荷重軟化溫度較低。隔熱型耐堿磚就是氣化鋁含量25%〜40%的隔熱磚。拱頂型耐堿磚的氧化鋁含量稍高,因而具有稍高一點的荷重軟化溫度和耐壓強度指標。


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