水泥回转窑过渡带用高铝碳化硅耐火材料制备及性能研究

摘要

高铝碳化硅耐火材料被广泛应用于水泥回转窑过渡带，对水泥工业的技术进步和发展起着举足轻重的作用。然而，当前高铝碳化硅耐火材料的服役寿命面临严峻挑战，如替代燃料在水泥工业开始得到应用，这些燃料中的碱性物质会气化形成蒸气并在水泥回转窑内富集，对窑衬耐火材料产生严重的侵蚀;其次水泥回转窑过渡带散热严重，成为水泥工业节能降耗亟待解决的问题，再加上回转窑朝着大型化发展，窑体回转速度加快，过渡带窑衬遭受水泥物料的磨损更加剧烈。因此，新型水泥回转窑过渡带用耐火材料势必要向着高抗蚀、低导热、高耐磨的方向发展。
　　耐火材料的抗碱侵蚀性能、导热性能以及耐磨性能都与材料的化学组成、显微结构（气孔结构）都密切相关，如何进一步优化目前广泛应用的高铝碳化硅耐火材料结构和组成，满足新型水泥回转窑对过渡带炉衬的要求是本论文研究重点。为此，本论文首先系统地研究高铝碳化硅耐火材料制备过程中的结构演变，尤其是高耐磨相碳化硅骨料在材料内部不同区域的氧化行为与形貌特征的关系，建立材料显微结构与力学性能的关系;其次，在材料中通过引入各种不同的微细粉（碳化硅、单质硅、氧化铝、红柱石等），探讨其对材料微结构（碳化硅骨料／基质界面结合特性、气孔结构）和抗碱侵蚀性能影响;再次，探讨在材料中引入轻量化莫来石骨料部分替代致密矾土骨料;或采用锆莫来石原料替代高导热、高耐磨的碳化硅骨料的方式，降低材料的导热系数，系统研究轻量骨料、锆莫来石对材料导热性能、抗碱侵蚀性能和耐磨性能的影响;最后基于上述实验结果，将锆莫来石原料替代高铝碳化硅耐火材料中的碳化硅骨料和矾土细粉，并优化材料的基质组成，制备新型水泥回转窑过渡带用高铝基耐火材料，系统研究材料的导热性能、抗碱侵蚀性能以及耐磨性能，为开发新一代低导热、高抗蚀、高耐磨水泥回转窑过渡带高铝基耐火材料提供理论指导以及优化方向。
　　通过以上研究工作，可以得到以下主要结论:
　　1.高铝碳化硅耐火材料制备过程中材料内碳化硅骨料存在不同程度的氧化，部分区域碳化硅骨料出现硅元素蒸发及表面石墨相析出的现象，上述碳化硅的氧化行为取决于骨料周围的氧分压大小。碳化硅骨料在材料中从边缘到中心的氧化行为依次为被动氧化、主动氧化和不氧化。碳化硅骨料的活性氧化削弱了碳化硅骨料与基质之间的结合，降低了材料的力学性能，影响材料的耐磨性能，其中在氧分压极低的区域发现碳化硅中硅元素的蒸发以及石墨相析出的现象。通过引入碳化硅细粉、单质硅粉等抗氧化剂，调节材料内部氧分压，可控制碳化硅骨料的氧化行为，优化骨料与基质之间的界面结合与气孔结构，材料的力学性能也得到提高。
　　2.高铝碳化硅耐火材料制备过程中通过优化单质硅粉的引入量，使其高温氧化过程产生一定的堵孔效应，降低了材料的平均孔径，同时赋予高铝碳化硅耐火材料优异的力学性能和抗碱侵蚀性能。高温下材料内引入的单质硅粉优先于碳化硅发生氧化，产生体积膨胀，堵塞气孔，通过优化单质硅粉的引入量，材料透气性能逐渐下降，同时碳化硅骨料与基质结合紧密。基于材料渗流理论分析，碱性蒸气在材料内部的渗流减弱，材料的抗侵蚀性能得到改善。
　　3.高铝碳化硅耐火材料制备过程中分别引入氧化铝微粉和硅微粉，改变了基质中铝硅摩尔比，影响着材料的微结构（气孔结构）、抗碱侵蚀性和高温性能。氧化铝微粉的引入在高温下促进了材料内部原位形成更多的莫来石，提高了材料的荷重软化温度，降低了材料的平均孔径，赋予了材料良好的高温和力学性能;硅微粉在高温和杂质的作用下会形成液相，不利于改善材料的气孔结构和荷重软化温度。在碱侵蚀过程中，碱性蒸气会与富铝基质反应形成含钾化合物，导致材料开裂并损毁;而富硅基质则会与碱性蒸气反应形成液相侵蚀产物，避免了由于含钾化合物形成导致的膨胀现象。当基质中铝硅摩尔比接近0.6时，材料具有良好的综合性能。
　　4.高铝碳化硅耐火材料制备过程中通过引入一定含量的红柱石，其一次莫来石化过程降低了材料的平均孔径，控制了碱侵蚀过程中产物的存在形式，提高材料的抗碱侵蚀能力。与高铝矾土熟料相比，红柱石在高温下发生一次莫来石化，莫来石相分布在非晶态二氧化硅体内，并伴随着一定量的体积膨胀。上述红柱石的反应过程和特殊结构，控制碱侵蚀过程中侵蚀产物的存在形式，避免侵蚀过程引起体积膨胀剥落现象的产生;一次莫来石化产生的体积膨胀效应，进一步降低材料的平均孔径，提高了材料的抗碱侵蚀能力。
　　5.高铝碳化硅耐火材料制备过程中以轻量莫来石骨料替代致密的矾土骨料，材料整体的导热系数显著下降;引入涂覆硅溶胶的轻量莫来石骨料，材料的抗碱性能大幅度提高。与含原始轻量骨料的试样相比，涂覆轻量骨料与基质具有良好的界面结合，赋予了材料更为优良的力学性能。在侵蚀过程中硅溶胶涂层可以阻止碱性蒸气向骨料内部渗透，避免膨胀开裂现象的产生，提高了材料的抗侵蚀能力。
　　6.在水泥回转窑过渡带用新型高铝基耐火材料开发以及制备过程中引入锆莫来石组分，并通过单质硅粉以及红柱石优化材料的基质组成，新型高铝基耐火材料整体的导热系数低于高铝碳化硅耐火材料，材料的抗碱侵蚀及耐磨性却不降低。高温下锆莫来石不像碳化硅组分可能产生氧化，与材料基体的化学相容性好，并且氧化锆相在磨损过程中产生微裂纹增韧效应，赋予材料良好的强度和耐磨性，含锆莫来石的高铝基耐火材料有望成为新型水泥回转窑过渡带耐火材料。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 前言

1．2 新型干法水泥生产技术现状与能耗概况

1．2．1 新型干法水泥生产的主要技术

1．2．2 新型干法水泥回转窑的工艺特点

1．2．3 水泥生产过程能耗概况

1．3 替代燃料的应用现状及对水泥回转窑窑衬的影响

1．3．1 替代燃料应用现状

1．3．2 替代燃料的应用对窑衬寿命的影响

1．4 水泥回转窑过渡带耐火材料研究进展

1．4．1 镁铬质耐火材料

1．4．2 方镁石-尖晶石耐火材料

1．4．3 高铝碳化硅耐火材料

1．5 耐火材料气相侵蚀研究进展

1．5．1 碱性蒸气侵蚀机理

1．5．2 提高材料碱蒸气侵蚀的途径

1．6 耐火材料轻量化研究进展

1．6．1 耐火材料隔热机理

1．6．2 轻量耐火材料研究进展

1．7 本论文的提出及主要研究内容

第二章 高铝碳化硅耐火材料制备过程中结构演变规律研究

2．1 实验

2．1．1 实验原料

2．1．2 实验方案及过程

2．1．3 结构分析与性能测试

2．2 结果与讨论

2．2．1 含抗氧化剂的高铝碳化硅耐火材料结构与性能

2．2．2 含板状刚玉的高铝碳化硅耐火材料结构与性能

2．3 本章小结

第三章 高铝碳化硅耐火材料气孔结构与抗碱侵蚀性能研究

3．1 实验

3．1．1 实验原料

3．1．2 实验方案及过程

3．1．3 结构分析与性能测试

3．2 结果与讨论

3．2．1 物理性能

3．2．2 物相分析

3．2．3 显微结构

3．2．4 气孔结构

3．2．5 抗碱侵蚀实验

3．2．6 讨论

3．3 本章小结

第四章 高铝碳化硅耐火材料基质铝硅摩尔比与抗碱侵蚀性能研究

4．1 实验

4．1．1 实验原料

4．1．2 实验方案及过程

4．1．3 结构分析与性能测试

4．2 结果与讨论

4．2．1 物理性能

4．2．2 物相组成

4．2．3 显微结构

4．2．4 荷重软化温度

4．2．5 抗碱侵蚀实验

4．3 本章小结

第五章 含红柱石的高铝碳化硅耐火材料的制备及抗碱侵蚀性能研究

5．1 实验

5．1．1 实验原料

5．1．2 实验方案及过程

5．1．3 结构分析与性能测试

5．2 结果与讨论

5．2．1 侵蚀后骨料显微结构

5．2．2 试样物理性能及显微结构

5．2．3 侵蚀实验

5．2．4 侵蚀机理

5．3 本章小结

第六章 含轻量莫来石骨料的高铝碳化硅耐火材料的制备及抗碱侵蚀性能研究

6．1 实验

6．1．1 实验原料

6．1．2 实验方案及过程

6．1．3 结构分析与性能测试

6．2 结果与讨论

6．2．1 物理性能

6．2．2 导热系数

6．2．4 显微结构

6．2．5 碱侵蚀实验

6．2．6 碱侵蚀机理分析

6．3 本章小结

第七章 新一代水泥回转窑过渡带用高铝基耐火材料制备及性能研究

7．1 实验

7．1．1 实验原料

7．1．2 实验方案及过程

7．1．3 结构分析与性能测试

7．2 结果与讨论

7．2．1 物理性能

7．2．2 导热系数

7．2．3 物相组成和显微结构

7．2．4 耐磨实验

7．2．5 抗侵蚀性能

7．2．6 讨论

7．3 本章小结

8．1 结论

8．2 后期工作展望

参考文献

本论文的创新点

附录

致谢