多层轻质镁铝尖晶石耐火材料的制备 (1).pdf
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1、55耐火与石灰2023 年 8 月第 48 卷 第 4 期多层轻质镁铝尖晶石耐火材料的制备摘要:窑炉内衬通常使用致密和多孔耐火材料。尖晶石轻质耐火材料保留了工作和保温两种特性。多层耐火材料,其不同层中的造孔剂和烧结助剂的量也不同。在保温层和工作层之间的中间层的连接是有气孔率梯度的。1550烧结并保温3h后的试样具有良好的耐压强度(92.43MPa)、低显气孔率(8.72%),其工作层具有良好的抗水泥熟料侵蚀(适宜强度31.72MPa),保温层的热导率低(0.146W/mK)。这些结果促进了轻质多层耐火材料在水泥窑中的应用。关键词:多层耐火材料;致密;多孔;中间层;尖晶石;气孔率中图分类号:TQ
2、175.713.3文献标识码:B文章编号:1673-7792(2023)04-0055-031简介通常窑炉内衬需要两种耐材,一种为致密耐材,即工作层,直接与钢水、气体或水泥熟料接触。因此,所用耐材需具备高耐火度、低气孔率、高强度、高抗热震性、良好的抗侵蚀性;另一种为保温层,即隔热衬,阻止热损失。为了保温,需使用低热导率(高气孔率)及适宜强度的耐材,砌筑在工作层后。这两层通常用铝酸钙水泥粘结。保温层和工作层分开应用会增加窑炉的重量以及耐材内衬的厚度。最近,研究者在研制高性能耐材。陈等人已制备出莫来石砖,其保温层的热导率低。辛等人已研制出梯度密度刚玉-尖晶石耐材,它是以板状刚玉、活性氧化铝、电熔镁
3、砂和石墨粉末为原料,经混合后在150MPa下压制成型,并于1550在氩气气氛下烧结而成。尹等人利用MgO的碳热还原来制备密度梯度轻质刚玉-尖晶石耐材。目前的工作是寻找一种新的方法,以研制一种新的多层尖晶石耐材,要将致密和多孔这两个特性保留下来。废弃谷壳灰(RHA)和稻糠分别作为烧结助剂和造孔剂。重点是给出多层耐材制备工艺参数、物理-机械性能和热性能。2试验过程2.1材料所用原料为活性氧化铝(99%)、氧化镁(99%)和熔融尖晶石(98%)。粗尖晶石颗粒通过钢研钵破碎,用高能球磨细磨成不同粒径以获得更好的堆积密度。废弃谷壳灰(RHA)和稻糠从当地磨坊收集。将RHA在马弗炉中于600热处理2h后通
4、过60m筛,此RHA保留了超过93%的无定形二氧化硅。采用混合研磨机将稻糠磨细后通过60m筛。2.2多层耐材制备制备了5层(A、B、C、D和E)尖晶石耐材。A层和E层分别是致密层(工作层)和多孔层(保温层),B、C和D层是A层和E层的中间层。首先,根据不同层制备原料,在转速为100r/min的球磨机中干混20min,最后加2%水在玛瑙研钵中再混合10min。将半湿混合物注入钢模中(5cm5cm6cm),用于制备多层耐材试样,如图1所示。在填模时用普通纸张分离不同层材料,不同层材料的化学成分和尺寸列于表1。采用单轴液压机,以100MPa压力压制混合物。半成品在电炉中于110干燥6h。之后将干燥试
5、样置于电马弗炉中,以2/min加热到500,以5/min加热到1500。根据致密气孔率和多孔层,优化保温时间,保温时间分别为1h、2h、3h和4h,生产多层尖晶石耐材。成分/%尺寸A(致密层)E(多孔层)中间层BCD熔融尖晶石1.50.6mm2525A 和 E 层成分以2:1混合A 和 E 层成分以1:1混合A 和 E 层成分以1:2混合0.60.2mm3535 0.2mm2525氧化镁 10m2.52.5活性氧化铝 1m7.57.5RHA 粉末 60m5-稻糠 60m-5尺寸(长 宽 高)/cm551.5 551.5 551551551表 1不同层材料的化学成分和尺寸56Aug.2023Vo
6、l.48 No.4REFRACTORIES&LIME图 2有中间层和没有中间层的试样(a)没有中间层;(b)有中间层;(c)建模以解决不同的收缩问题裂纹模具烧结后多层耐材2.3特性依据ASTMC20和ASTMC133测定显气孔率(AP)和体积密度(BD),并测定耐压强度。进行XRD射线衍射分析,通过扫描电子显微镜(SEM)测定不同层的表面形态,通过热导率仪测定不同层在室温下的热导率。通过膨胀计测定A层、C层和E层的线性热膨胀系数,温度范围为1001200,加热速率为3/min。3结果和讨论3.1工艺参数的优化图2示出了多层耐材试样图像。通过层间隙可以观察到没有中间层的试样出现了裂纹在致密层A和
7、多孔层E之间,如图2(a)所示。A层和E层不同的化学成分显示出不同的热行为。因此,层之间的应力逐渐形成,温度升高导致裂纹产生。然而,通过致密层A和多孔层E之间中间层(B、C和D)的结合,解决了这一问题。中间层有助于降低A层至E层成分的多样性,逐渐形成了成分的梯度变化。因此,层之间的热错配被降低,也导致裂纹产生趋势的降低。有中间层的试样没有发现裂纹,如图2(b)所示。通常,水泥窑最高烧成温度为14001500,将多层试样的烧结温度调整到1550。另一个原因是,通过降低气孔率增强烧结动力学,保温层E的保温性能有可能被降低的可能性。水泥窑中多层试样在保温期间,不可能性将保温层的温度提高到1550,因
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