水泥窑用(yòng)铝硅系耐火砖抗碱侵蚀怎么样？
2022-12-01 20:28:56 点击：
水泥窑协同处置技术实现了垃圾的“减量化、无害化、资源化”处置，并取得了良好的社会效益、环境效益和经济效。但是，由于垃圾废弃物(wù)中存在大量硫、碱、氯等有(yǒu)害成分(fēn)，在水泥窑预热器系统内循环富集，导致耐火砖易被侵蚀、剥落、损毁。目前，水泥回转窑低温區(qū)用(yòng)铝硅系产品如系列硅莫砖、抗剥落高铝砖以及新(xīn)型低铝莫来石砖等，在原料选择，理(lǐ)化性能(néng)等方面差异明显。在本工作中，对上述不同产品的抗碱侵蚀性能(néng)进行对比，并结合微观结构和物(wù)相组成分(fēn)析，判断其抗碱侵蚀性能(néng)优劣，进而优化水泥窑耐火材料选材及配置。
1、试验
1）耐火砖选择
选择市售硅莫砖1680、硅莫砖1550、抗剥落高铝砖JA、低铝莫来石砖M55。样砖的理(lǐ)化性能(néng)见表1。
表1：市售铝硅系耐火砖理(lǐ)化指标
2）试样制备及性能(néng)检测
采用(yòng)静态坩埚法进行抗碱侵蚀试验。从各样砖上切下尺寸為(wèi)80mm×80mm×80mm的样块，在中心位置钻出φ36mm×40mm的圆柱形凹槽制成坩埚，再切取60mm×60mm×30mm薄板制成坩埚盖，对坩埚和坩埚盖进行烘干处理(lǐ)。向各坩埚中装入20g市售化學(xué)纯K2CO3，采用(yòng)火泥将坩埚盖与坩埚之间密封。整个坩埚在烘箱中于110℃烘干12h后置于電(diàn)炉，并于1100℃保温5h，待自然冷却。通过观察试样的外观评价试样的抗碱侵蚀性能(néng)。取坩埚底部侵蚀后的區(qū)域进行微观结构和物(wù)相组成分(fēn)析，从坩埚底部到砖样底部每间隔5mm划分(fēn)區(qū)域（见图1），采用(yòng)EDS分(fēn)析每个區(qū)域的K元素含量。利用(yòng)X射線(xiàn)衍射仪检测坩埚底部侵蚀变质层0~10mm區(qū)域物(wù)相组成。
2、结果与讨论
1）侵蚀试验后的外观分(fēn)析
从4种坩埚碱侵蚀后外观照片发现：硅莫砖1680、硅莫砖1550和低铝莫来石砖M55无裂纹出现，抗碱侵蚀性能(néng)优良；而抗剥落高铝砖JA有(yǒu)贯穿性大裂纹出现，抗碱性能(néng)相对较差。
2）侵蚀后坩埚底部K元素分(fēn)布
对坩埚底部紧靠各分(fēn)區(qū)線(xiàn)分(fēn)别进行EDS面扫描，测定K元素含量如图2所示。从图可(kě)以看出：不同样砖的K元素分(fēn)布状态差异很(hěn)大，其中，硅莫砖1680和硅莫砖1550中K元素含量变化曲線(xiàn)一致，含量大的在坩埚底部；随着侵蚀深度增大，K元素含量急剧下降，深度到20mm之后，K元素含量接近1%（w），且不再变化。抗剥落高铝砖JA和低铝莫来石砖M55中，K元素含量分(fēn)布曲線(xiàn)较為(wèi)相似。抗剥落高铝砖JA在0、5和10mm处的K元素含量比较高；低铝莫来石砖M55中，K元素含量高点在0和5mm处。这两种样砖中K元素达到高值后，随着遠(yuǎn)离坩埚孔底部，K元素含量急剧下降；抗剥落高铝砖JA在30mm后，钾元素含量接近1%（w），且不再变化；低铝莫来石砖M55在20mm后钾元素含量接近1%（w），且不再变化。硅莫砖的抗碱侵蚀性能(néng)与碳化硅的引入及硅莫砖的显气孔率有(yǒu)关。碳化硅高温下氧化生成的二氧化硅在耐火砖表面与碳酸钾反应生成玻璃相形成致密层，可(kě)有(yǒu)效抑制K元素的侵蚀渗透，使得K元素集中在砖表面區(qū)域。抗剥落高铝砖及低铝莫来石砖有(yǒu)较高的显气孔率，气孔為(wèi)熔融态碳酸钾提供了快速渗透通道。碳酸钾沿气孔进入砖内部，一部分(fēn)碱在高温下与砖反应形成霞石或白榴石等矿物(wù)，霞石或白榴石的生成产生大的體(tǐ)积膨胀造成砖體(tǐ)开裂；另一部分(fēn)碱沿气孔深入砖體(tǐ)内部，并随温度降低沉积。当砖體(tǐ)外表面由于裂纹出现剥落时，K元素富集區(qū)温度升高，与耐火材料发生反应继续生成霞石及白榴石矿物(wù)，造成砖體(tǐ)内部产生裂纹。显气孔率高的抗剥落高铝砖在同一深度的K2O含量较显气孔率低的低铝莫来石砖更高，且其K元素在表面區(qū)域富集量更大。
3）侵蚀层0~10mm區(qū)域微观结构及物(wù)相组成分(fēn)析
硅莫砖1680
图3為(wèi)碱侵蚀后硅莫砖1680侵蚀层0~10mm區(qū)域不同倍数下的SEM照片。从图3（a）观察发现：接触K2CO3的坩埚底部表层结构致密，大颗粒边缘部分(fēn)區(qū)域出现裂纹。从图3（b）观察看出：基质中矾土颗粒边缘被侵蚀明显，碳化硅无明显变化。
图4為(wèi)硅莫砖1680侵蚀层0~10mm區(qū)域的XRD图谱。可(kě)以看出：其物(wù)相组成主要為(wèi)刚玉、莫来石和碳化硅，K元素存在于玻璃相中。可(kě)见在高温下硅莫砖基质中矾土易被碱侵蚀，矾土与碳化硅氧化生成的二氧化硅与钾反应生成液相，液相填充硅莫砖孔隙，封闭耐火砖与碱接触區(qū)域的气孔和裂隙，形成致密层，阻碍K元素进一步渗透。
·抗剥落高铝砖JA
抗剥落高铝砖JA碱侵蚀后坩埚底部0~10mm區(qū)域微观结构照片见图5。从图5（a）观察发现：坩埚底部表层结构变得致密，矾土颗粒被侵蚀现象明显，基质中颗粒结构变得不明显。从图5（b）观察看出：基质颗粒边缘变得非常模糊，气孔或晶界填充大量的浅颜色新(xīn)相。抗剥落高铝砖JA显气孔率高，碳酸钾沿气孔或晶界进入砖體(tǐ)侵蚀试样内部，侵蚀深度大。对侵蚀层进行物(wù)相分(fēn)析，发现侵蚀层有(yǒu)钾霞石生成（见图6）。大量钾霞石的生成造成體(tǐ)积膨胀，导致抗剥落高铝砖产生大的贯穿裂纹。
图6：抗剥落高铝砖JA侵蚀层0~10mm區(qū)域的XRD图谱
低铝莫来石砖M55碱侵蚀后坩埚底部0~10mm區(qū)域微观结构照片见图7。从图7（a）可(kě)以看出：低铝莫来石砖M55坩埚底部表层结构也产生少量的裂纹，结构也变得致密，但与抗剥落高铝砖差异较大。高倍下（见图7（b））观察，致密莫来石颗粒边缘也产生较為(wèi)明显侵蚀，可(kě)见碳酸钾对低铝莫来石砖也形成一定侵蚀和渗透作用(yòng)，但相对于抗剥落高铝砖明显改善。由衍射图谱中（见图8）可(kě)知：侵蚀层主要物(wù)相為(wèi)莫来石和少量未发生转化的红柱石，同时也存在少量的钾霞石。低铝莫来石砖M55中采用(yòng)的原料為(wèi)莫来石均质料和红柱石為(wèi)原料，莫来石均质料结构致密，含有(yǒu)一定量的高硅非晶相，高温下钾融入非晶相形成高黏度玻璃相；同时，红柱石分(fēn)解形成的非晶态SiO2吸收部分(fēn)碳酸钾也生成高黏度玻璃相，并由其封闭耐火砖侵蚀层，阻碍K元素的渗透。少量的碳酸钾与莫来石反应生成钾霞石，钾霞石的生成量低，产生的膨胀不足以破坏砖體(tǐ)结构，因此，低铝莫来石砖M55表现出良好的抗碱侵蚀性能(néng)。
3、结论
（1）硅莫砖1680、硅莫砖1550中因碳化硅加入及部分(fēn)氧化成二氧化硅填充气孔，可(kě)显著降低碱的侵蚀，抗碱侵蚀性能(néng)优良。碱侵蚀试验后K元素主要集中在侵蚀面區(qū)域，随着距离增加，K元素含量急剧下降。
（2）市售抗剥落高铝砖JA的显气孔率高，抗碱侵蚀性能(néng)差，碱侵蚀深度达到10mm，侵蚀层中K元素含量（w）达到20%~25%，生成大量的钾霞石导致砖體(tǐ)开裂。
（3）低铝莫来石砖M55显气孔率低，所用(yòng)莫来石均质料和红柱石原料结构致密，基质中一定数量的高硅非晶相可(kě)以吸收碱生成高黏度玻璃相进一步封闭气孔，碱侵蚀深度只有(yǒu)5mm，碱侵蚀生成钾霞石数量相对较少，不足以破坏砖體(tǐ)结构，抗碱侵蚀性相对较好。
