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水泥窯用鋁硅系耐火磚抗堿侵蝕性能研究

發(fā)布時(shí)間:2022/12/1 20:27:53 點(diǎn)擊率: 來(lái)源:保溫磚 作者:榮盛耐材

水泥窯協(xié)同處置技術(shù)實(shí)現(xiàn)了垃圾的“減量化、無(wú)害化、資源化”處置,并取得了良好的社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效。但是,由于垃圾廢棄物中存在大量硫、堿、氯等有害成分,在水泥窯預(yù)熱器系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)富集,導(dǎo)致耐火磚易被侵蝕、剝落、損毀。目前,水泥回轉(zhuǎn)窯低溫區(qū)用鋁硅系產(chǎn)品如系列硅莫磚、抗剝落高鋁磚以及新型低鋁莫來(lái)石磚等,在原料選擇,理化性能等方面差異明顯。在本工作中,對(duì)上述不同產(chǎn)品的抗堿侵蝕性能進(jìn)行對(duì)比,并結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)和物相組成分析,判斷其抗堿侵蝕性能優(yōu)劣,進(jìn)而優(yōu)化水泥窯耐火材料選材及配置。

1、試驗(yàn)
1)耐火磚選擇
選擇市售硅莫磚1680、硅莫磚1550、抗剝落高鋁磚JA、低鋁莫來(lái)石磚M55。樣磚的理化性能見(jiàn)表1。

2)試樣制備及性能檢測(cè)
采用靜態(tài)坩堝法進(jìn)行抗堿侵蝕試驗(yàn)。從各樣磚上切下尺寸為80mm×80mm×80mm的樣塊,在中心位置鉆出φ36mm×40mm的圓柱形凹槽制成坩堝,再切取60mm×60mm×30mm薄板制成坩堝蓋,對(duì)坩堝和坩堝蓋進(jìn)行烘干處理。向各坩堝中裝入20g市售化學(xué)純K2CO3,采用火泥將坩堝蓋與坩堝之間密封。整個(gè)坩堝在烘箱中于110℃烘干12h后置于電爐,并于1100℃保溫5h,待自然冷卻。通過(guò)觀察試樣的外觀評(píng)價(jià)試樣的抗堿侵蝕性能。取坩堝底部侵蝕后的區(qū)域進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)和物相組成分析,從坩堝底部到磚樣底部每間隔5mm劃分區(qū)域(見(jiàn)圖1),采用EDS分析每個(gè)區(qū)域的K元素含量。利用X射線衍射儀檢測(cè)坩堝底部侵蝕變質(zhì)層0~10mm區(qū)域物相組成。

2、結(jié)果與討論
1)侵蝕試驗(yàn)后的外觀分析
從4種坩堝堿侵蝕后外觀照片發(fā)現(xiàn):硅莫磚1680、硅莫磚1550和低鋁莫來(lái)石磚M55無(wú)裂紋出現(xiàn),抗堿侵蝕性能優(yōu)良;而抗剝落高鋁磚JA有貫穿性大裂紋出現(xiàn),抗堿性能相對(duì)較差。

2)侵蝕后坩堝底部K元素分布
對(duì)坩堝底部緊靠各分區(qū)線分別進(jìn)行EDS面掃描,測(cè)定K元素含量如圖2所示。從圖可以看出:不同樣磚的K元素分布狀態(tài)差異很大,其中,硅莫磚1680和硅莫磚1550中K元素含量變化曲線一致,含量大的在坩堝底部;隨著侵蝕深度增大,K元素含量急劇下降,深度到20mm之后,K元素含量接近1%(w),且不再變化?箘兟涓咪X磚JA和低鋁莫來(lái)石磚M55中,K元素含量分布曲線較為相似?箘兟涓咪X磚JA在0、5和10mm處的K元素含量比較高;低鋁莫來(lái)石磚M55中,K元素含量高點(diǎn)在0和5mm處。這兩種樣磚中K元素達(dá)到高值后,隨著遠(yuǎn)離坩堝孔底部,K元素含量急劇下降;抗剝落高鋁磚JA在30mm后,鉀元素含量接近1%(w),且不再變化;低鋁莫來(lái)石磚M55在20mm后鉀元素含量接近1%(w),且不再變化。硅莫磚的抗堿侵蝕性能與碳化硅的引入及硅莫磚的顯氣孔率有關(guān)。碳化硅高溫下氧化生成的二氧化硅在耐火磚表面與碳酸鉀反應(yīng)生成玻璃相形成致密層,可有效抑制K元素的侵蝕滲透,使得K元素集中在磚表面區(qū)域?箘兟涓咪X磚及低鋁莫來(lái)石磚有較高的顯氣孔率,氣孔為熔融態(tài)碳酸鉀提供了快速滲透通道。碳酸鉀沿氣孔進(jìn)入磚內(nèi)部,一部分堿在高溫下與磚反應(yīng)形成霞石或白榴石等礦物,霞石或白榴石的生成產(chǎn)生大的體積膨脹造成磚體開裂;另一部分堿沿氣孔深入磚體內(nèi)部,并隨溫度降低沉積。當(dāng)磚體外表面由于裂紋出現(xiàn)剝落時(shí),K元素富集區(qū)溫度升高,與耐火材料發(fā)生反應(yīng)繼續(xù)生成霞石及白榴石礦物,造成磚體內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。顯氣孔率高的抗剝落高鋁磚在同一深度的K2O含量較顯氣孔率低的低鋁莫來(lái)石磚更高,且其K元素在表面區(qū)域富集量更大。

3)侵蝕層0~10mm區(qū)域微觀結(jié)構(gòu)及物相組成分析
硅莫磚1680
圖3為堿侵蝕后硅莫磚1680侵蝕層0~10mm區(qū)域不同倍數(shù)下的SEM照片。從圖3(a)觀察發(fā)現(xiàn):接觸K2CO3的坩堝底部表層結(jié)構(gòu)致密,大顆粒邊緣部分區(qū)域出現(xiàn)裂紋。從圖3(b)觀察看出:基質(zhì)中礬土顆粒邊緣被侵蝕明顯,碳化硅無(wú)明顯變化。

圖4為硅莫磚1680侵蝕層0~10mm區(qū)域的XRD圖譜。可以看出:其物相組成主要為剛玉、莫來(lái)石和碳化硅,K元素存在于玻璃相中?梢(jiàn)在高溫下硅莫磚基質(zhì)中礬土易被堿侵蝕,礬土與碳化硅氧化生成的二氧化硅與鉀反應(yīng)生成液相,液相填充硅莫磚孔隙,封閉耐火磚與堿接觸區(qū)域的氣孔和裂隙,形成致密層,阻礙K元素進(jìn)一步滲透。

·抗剝落高鋁磚JA
抗剝落高鋁磚JA堿侵蝕后坩堝底部0~10mm區(qū)域微觀結(jié)構(gòu)照片見(jiàn)圖5。從圖5(a)觀察發(fā)現(xiàn):坩堝底部表層結(jié)構(gòu)變得致密,礬土顆粒被侵蝕現(xiàn)象明顯,基質(zhì)中顆粒結(jié)構(gòu)變得不明顯。從圖5(b)觀察看出:基質(zhì)顆粒邊緣變得非常模糊,氣孔或晶界填充大量的淺顏色新相?箘兟涓咪X磚JA顯氣孔率高,碳酸鉀沿氣孔或晶界進(jìn)入磚體侵蝕試樣內(nèi)部,侵蝕深度大。對(duì)侵蝕層進(jìn)行物相分析,發(fā)現(xiàn)侵蝕層有鉀霞石生成(見(jiàn)圖6)。大量鉀霞石的生成造成體積膨脹,導(dǎo)致抗剝落高鋁磚產(chǎn)生大的貫穿裂紋。

圖6:抗剝落高鋁磚JA侵蝕層0~10mm區(qū)域的XRD圖譜

低鋁莫來(lái)石磚M55堿侵蝕后坩堝底部0~10mm區(qū)域微觀結(jié)構(gòu)照片見(jiàn)圖7。從圖7(a)可以看出:低鋁莫來(lái)石磚M55坩堝底部表層結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生少量的裂紋,結(jié)構(gòu)也變得致密,但與抗剝落高鋁磚差異較大。高倍下(見(jiàn)圖7(b))觀察,致密莫來(lái)石顆粒邊緣也產(chǎn)生較為明顯侵蝕,可見(jiàn)碳酸鉀對(duì)低鋁莫來(lái)石磚也形成一定侵蝕和滲透作用,但相對(duì)于抗剝落高鋁磚明顯改善。由衍射圖譜中(見(jiàn)圖8)可知:侵蝕層主要物相為莫來(lái)石和少量未發(fā)生轉(zhuǎn)化的紅柱石,同時(shí)也存在少量的鉀霞石。低鋁莫來(lái)石磚M55中采用的原料為莫來(lái)石均質(zhì)料和紅柱石為原料,莫來(lái)石均質(zhì)料結(jié)構(gòu)致密,含有一定量的高硅非晶相,高溫下鉀融入非晶相形成高黏度玻璃相;同時(shí),紅柱石分解形成的非晶態(tài)SiO2吸收部分碳酸鉀也生成高黏度玻璃相,并由其封閉耐火磚侵蝕層,阻礙K元素的滲透。少量的碳酸鉀與莫來(lái)石反應(yīng)生成鉀霞石,鉀霞石的生成量低,產(chǎn)生的膨脹不足以破壞磚體結(jié)構(gòu),因此,低鋁莫來(lái)石磚M55表現(xiàn)出良好的抗堿侵蝕性能。

3、結(jié)論
(1)硅莫磚1680、硅莫磚1550中因碳化硅加入及部分氧化成二氧化硅填充氣孔,可顯著降低堿的侵蝕,抗堿侵蝕性能優(yōu)良。堿侵蝕試驗(yàn)后K元素主要集中在侵蝕面區(qū)域,隨著距離增加,K元素含量急劇下降。

(2)市售抗剝落高鋁磚JA的顯氣孔率高,抗堿侵蝕性能差,堿侵蝕深度達(dá)到10mm,侵蝕層中K元素含量(w)達(dá)到20%~25%,生成大量的鉀霞石導(dǎo)致磚體開裂。

(3)低鋁莫來(lái)石磚M55顯氣孔率低,所用莫來(lái)石均質(zhì)料和紅柱石原料結(jié)構(gòu)致密,基質(zhì)中一定數(shù)量的高硅非晶相可以吸收堿生成高黏度玻璃相進(jìn)一步封閉氣孔,堿侵蝕深度只有5mm,堿侵蝕生成鉀霞石數(shù)量相對(duì)較少,不足以破壞磚體結(jié)構(gòu),抗堿侵蝕性相對(duì)較好。

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