水泥窑用耐火砖挂窑皮性能检测方法

摘要

本发明公开了一种水泥窑用耐火砖挂窑皮性能检测方法——静态剪切法，以及其原理、设备、试样、步骤和结果计算。该静态剪切法实验所需费用少、可操作性强、可量化，特别是其剪切位置适宜，在所选剪切范围内数据稳定、可重复性好，大大减小了误差带来的影响，能切实反映水泥窑用耐火砖的实际挂窑皮性能，充分利用现有耐火材料检测设备，进一步完善了现有耐火砖的性能检测方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种检测方法，具体涉及一种水泥窑用耐火砖挂窑皮性能检测方法。

背景技术

耐火砖作为水泥窑中常用的窑衬材料，是水泥窑系统不可缺少的结构材料和功能材料之一，它的设计和配置、施工和应用，以及相关的工艺和设备条件一起，共同对水泥窑的运转率、熟料产量，以及机组表面散热损失起决定性作用。

所谓的窑皮是附着在回转窑烧成带窑衬内表面的一层烧结熟料层，这种在耐火砖表面形成窑皮的能力，称为挂窑皮性。合适的挂窑皮性既可以保护耐火砖，降低窑衬消耗，充当传热介质，延长料在窑内反应时间，同时，又能储存热能，减少窑壳向周围的热损失，提高旋窑的热效率，进而对整个水泥窑工艺产生巨大的积极效果。因此，挂窑皮性是水泥回转窑烧成用耐火材料重要的性能之一，在水泥窑的运行过程中起有非常关键的作用。

由于各地原燃材料的质量状况及配料方案不同，窑皮与耐火砖热面的粘着强度也不同， 致使耐火砖的使用情况及效果千差万别。 过去，评价耐火砖热面与窑皮的粘着性，多以生产过程中的粘着情况来判断，如在点火运行初期，观察窑皮的粘着是否平整，粘着的难易及粘着层的厚度是否适中等，在运行一个周期停窑后， 实测窑皮的长度、厚度、平整性及窑皮自行垮落等情况； 有的则以耐火砖与窑皮界面的粘着面积大小来判断。 水泥企业使用以上方法对所选耐火砖的使用状况作出的定性评判，均不能准确、真实地体现出耐火砖的应用水平。因此，寻找能有效表征和量化水泥窑用耐火砖的挂窑皮性能检测方法成为亟需解决的问题。

近年来，国内外同行对于水泥窑用耐火砖挂窑皮性能检测方法进行了大量探索，大致可分为两种：动态法和一般静态法，其中动态法试验操作繁琐，且不能进行可量化检测；一般静态法无关影响因素多，实验可操作性不强，数据可重复性差，不能很好地反映水泥窑用耐火砖的实际挂窑皮性能。

发明内容

本发明目的在于提供一种可操作性强，可量化，数据重复性好的水泥窑用耐火砖挂窑皮性能检测方法——静态剪切法，该方法大大减小了误差带来的影响，能切实反映水泥窑用耐火砖的实际挂窑皮性能。

为方便量化挂窑皮性能，进一步定义，耐火砖挂窑皮力(Coating adherence strength of fire bricks)为规定尺寸的耐火砖试样，其单位面积的粘结面能够承受的最大剪切应力。

原理：在常温下，对已知尺寸的耐火砖试样以恒定缓慢的加荷速率施加负荷直至其粘结面断裂，根据试样粘结面断裂时所承受的最大载荷与粘结面面积的比值计算出耐火砖挂窑皮力。

本发明采用的技术方案包括以下步骤：

1. 耐火砖试样制备：

（1） 水泥生料浆配制：称取一定量的水泥生料，倒入研钵中研磨至全部通过0.088mm标准筛，再加入等量的丙三醇，混磨均匀后待用；

（2） 从待测耐火砖上切出长为50 mm、宽为 50 mm、高为120 mm的长方体3个，各边误差应不大于1 mm，长方体应边角垂直、无裂纹、表面平整、清洁；

（3） 如图1，于所切长方体的一个长方形面上，在其中一长边下端15~ 30 mm处取一点，另一长边上端相同距离处另取一点，划线连接两点，沿所述连线垂直于所述长方形面切出2块试块；同样方法，3个长方体均切出2块试块；将切好的试块置于电热鼓风干燥箱中105 ~115 ℃条件下干燥至恒重，然后冷却至室温；

（4） 取一定量水泥生料浆均匀涂抹在烘干后的1对耐火砖试块的斜切面上，如图2，粘结成原长方体状，并做成规定的1.5~2.5 mm砖缝，用刮刀刮去多余的料浆，组成1组试样；同样方法，共组成3组试样，其中所取水泥生料浆量不变。

2. 测试：

（1）待砖缝内料浆凝固后，将试样置于加热炉炉底，加热过程中按图2使用耐火砖支撑物保持试样粘结面水平放置，试样的加热包括以下步骤：

a) 加热炉炉底平撒上耐火细砂（高温下不与试样起作用）；

b) 将3组试样依次放入加热炉的均温带，试样间距及试样与均热板之间间距10~ 20 mm；无均热板时，试样与发热体之间的间距20~ 30 mm，且发热体的辐射热不直射试样的砖缝；

c) 加热时，炉内保持氧化气氛；按5 ℃/min的升温速率，加热至1450~1550 ℃后，保温3~5 h，停炉后自然冷却至室温；

（2） 用卡尺测量烧后耐火砖试样粘结面的纵向和横向尺寸各两处，精确到0.1 mm，求出每个方向尺寸的平均值，计算粘结面面积A；

（3） 将烧后试样立起，放置在加荷装置上下两块压板的中心位置，在试样与上下压板之间插入衬垫板；以0.05± 0.005 MPa/s的速率连续均匀地施加压力，直至试样的粘结面断裂，记录粘结面断裂时的最大载荷F。

3. 按下式计算耐火砖挂窑皮力：

设在耐火砖侧面长边上剪切位置为上下各X mm，则挂窑皮力为：

式中：σ_s为挂窑皮力，MPa；

F为耐火砖粘结面断裂时的最大载荷，N；

A为粘结面面积，mm²。

以3组试样的挂窑皮力平均值作为最终结果，结果保留一位小数，所取位数后的数字按GB/T 8170数值修约规则进行处理。 

本发明所述水泥生料粒度小于0.88 mm；所述丙三醇纯度为化学纯；所述耐火细砂为电熔刚玉砂。

本发明所述各步骤中所测数值均按GB/T 8170数值修约规则进行处理。

本发明技术方案中所用设备如下：  

1) 加荷装置：油压式或杠杆式试验机，能以恒定的速率对试样均匀加荷，可记录或指示其断裂载荷的仪器，测力示值误差应小于±2％；

2) 电热鼓风干燥箱：能控温在110 ℃±5 ℃；

3) 加热炉：使用温度≥ 1600℃，炉温分布均匀，控温精度在±10 ℃以内；

4) 游标卡尺：分度值0.05 mm；

5) 天平：最大量程500 g，分度值0.01 g；

6) 衬垫板：厚度为2 mm的硬纸板。

本发明的积极有益效果：      

[1]   本发明水泥窑用耐火砖挂窑皮性能检测方法采用“水泥生料+丙三醇”这种料浆组合可以还原耐火砖实际挂窑皮过程时所接触到的矿相，可以避免后续的熟料破碎和筛分过程的引入杂质问题，最大程度保留挂窑皮料的化学成分，即方便又可靠；可以避免水泥生料热处理后生成的游离氧化钙与水反应生成氢氧化钙（该反应会放出较大热量，不利于后续操作）；可以更加均匀地把生料涂抹到耐火试样的剪切面上，减少因生料分布不均而引起试样剪切强度数值的波动程度；

[2]   相比动态法挂窑皮性能检测方法，本发明所述静态剪切法具有可量化、实验操作简单、实验费用少的优点；相比一般静态法，本发明所述静态剪切法剪切位置适宜，可操作性强，且在所选剪切范围内数据稳定、可重复性好，大大减小了误差带来的影响，能切实反映水泥窑用耐火砖的实际挂窑皮性能，充分利用现有耐火材料检测设备，进一步完善了现有耐火材料的性能检测方法。

附图说明

图1 本发明耐火砖切割示意图。

图2 本发明加热过程中耐火砖试样放置方式示意图。

图2中，1为支撑物，2为耐火砖试样，3为试样粘结面。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例，以下实施例中所用原料均为市售。

实施例1

本实施例取矩耐火砖顶端5mm处作为剪切点，用于检测镁铬耐火砖采用以下步骤：

1. 耐火砖试样制备：

（1） 水泥生料浆配制：称取一定量的水泥生料，倒入研钵中研磨至全部通过0.088mm标准筛，再加入等量的丙三醇，混磨均匀后待用；

（2） 从待测耐火砖上切出长为50 mm、宽为 50 mm、高为120 mm的长方体3个，各边误差不大于1 mm，长方体边角垂直、无裂纹、表面平整、清洁；

（3）如图1，所切长方体的一个长方形面上，在其中一长边下端5 mm处取一点，另一长边上端5 mm处取另一点，划线连接两点，沿该线垂直于所述长方形面再切出2块试块；同样方法，3个长方体均切出2块试块；将切好的试块置于电热鼓风干燥箱中110℃条件下干燥至恒重，然后冷却至室温；

（4） 取一定量水泥生料浆均匀涂抹在烘干后的1对耐火砖试块的斜切面上，如图2，粘结成原长方体状，并做成规定的2 mm砖缝，用刮刀刮去多余的料浆，组成1组试样；同样方法，共组成3组试样，其中所取水泥生料浆量不变。

2. 测试：

（1）待砖缝内料浆凝固后，将试样置于加热炉炉底，过程中按图2使用耐火砖支撑物保持试样粘结面水平放置，试样的加热按以下步骤进行：

a) 加热炉炉底平撒上高温下不与试样起作用的耐火细砂；

b) 将3组试样依次放入加热炉的均温带，试样间距及试样与均热板之间间距均为10 mm；

c) 加热时，炉内保持氧化气氛；按5 ℃/min的升温速率，加热至1450 ℃后，保温5 h，停炉后自然冷却至室温；

（2） 用游标卡尺分别测量三个烧后耐火砖试样粘结面的纵向和横向尺寸各两处，精确到0.1 mm，求出每个方向尺寸的平均值，并分别计算出粘结面面积A，试样1： 49.1 mm×120.9 mm= 5936.2mm²，试样2： 50.2mm×120.5mm= 6049.1mm²，试样3： 49.5 mm×120.7 mm= 5974.7mm²；

（3） 将烧后试样立起来，放置在加荷装置WHY电子压力试验机的上下2块压板的中心位置；在试样与上下压板之间插入硬纸板；以0.05± 0.005 MPa/s的速率连续均匀地施加压力，直至试样的粘结面断裂，记录粘结面断裂时的最大载荷F，试样1为 4.50KN，试样2为4.72KN，试样3为4.70KN。 

3. 按下式计算耐火砖挂窑皮力：

试样1 σ_s= 690KPa   试样2 σ_s= 710 KPa   试样3 σ_s= 715KPa

平均挂窑皮力σ_s为705KPa。

实施例1~18

分别取镁铬砖、白云石砖、镁铝尖晶石砖，具体实施步骤与实施例1相同，各耐火砖挂窑皮力检测结果见下表：

表1 各耐火砖挂窑皮力检测结果

。

由表1看出， 各耐火砖挂窑皮力数据整体上由大到小的顺序为： 白云石砖＞镁铬砖＞尖晶石镁砖，结果与水泥回转窑衬里用砖的实际状况相吻合；其中各耐火砖剪切距离在15~30mm处数据比较稳定，各点测试值与平均值之间的误差不大于3.3%，测试过程中该范围内剪切点的误差对挂皮窑力结果数据大小影响不明显，不易造成误差，在工业生产中可以用来表征耐火砖的实际挂窑皮性能，具有实际的应用价值；耐火砖剪切距离＜15mm或＞30mm区域挂窑皮力数据波动较大，测试过程中该范围内剪切点的微小误差即可显著地影响挂皮窑力数据大小，极易带来较大误差，在工业生产中不能用来表征耐火砖的实际挂窑皮性能，没有实际的应用价值。

本发明水泥窑用耐火砖挂窑皮性能检测方法已通过具体实施例进行了描述，本领域技术人员可以借鉴本发明的内容适当改变原料、工艺条件等来实现其它目的，其相关改变都没有脱离本发明内容，所有类似的替换或改动对于本领域技术人员来说是显而易见的，都被视为本发明的范围之内。