新型干法水泥窑的碱蚀起因于挥发性组分的循环富集,以及碱对铝硅质耐火材料的侵蚀。
水泥窑使用的原料和燃料中含有K、Cl、S等挥发性元素,这些挥发性元素在高温带被蒸发,冷凝在低温区的窑料上,经预热器和电收尘器层层收捕后,又随窑料进入高温带再次挥发,直至达到平衡。平衡建立后,K2O可富集5倍;SO3可富集3~5倍;Cl可以富集80~100倍。所以,新型干法水泥窑内,特别是窑的预热系统中窑料的碱含量很高。
K2O可以和铝硅质耐火材料中的SiO2(石英、方石英、鳞石英)、3SiO2·2Al2O3(莫来石)或刚玉等矿物反应,形成钾长石、白榴石和钾霞石。这些反应有很大的体积反应。反应伴随着很大的膨胀和热-机械应力,使耐火材料发生碱裂而损坏。
耐碱砖的耐碱机理可以根据K2O-Al2O3-SiO2三元相图进行解释。
K2O-Al2O3-SiO2三元相图的莫来石初晶空间附近存在刚玉、钾霞石、白榴石、钾长石等几种矿物。由此,不难根据有关矿物的分子式和密度推算化学反应的体积效应。
K2O分子量等于94.20,反应前为气态。石英SiO2的分子量为60.09,相对密度等于2.65。莫来石3SiO2•2A12O3的分子景为426.06,相对密度等于3.03。钾长石K2O•A12O3•6SiO2的分子量为556.70,相对密度等于2.57。白榴石K2O•Al2O3•4SiO2的分子量为436.52,相对密度等于2.47。钾霞石K2O•Al2O3•2SiO2的分子最为316.34,相对密度等于2.59。由此不难推算出,氧化铝含量越高、氧化硅含量越低,生成物的铝硅比越大,化学反应伴随的膨胀越大。如果其他条件相同,氧化铝含量越高,也就越容易发生碱裂。
其次,看一下有关物系的三相共存温度。石英-莫来石钾长石系统三相共存点的温度为985℃;莫来石-钾长石-白榴石三相共存点的温度为1140℃;莫来石-白榴石-刚玉三相共存点的温度则高达1315℃。随氧化铝含量增高,出现液相的温度增高,碱蚀反应伴随的膨胀应力难以被松弛,碱蚀的危害增大。
所以,铝硅质耐火材料中氧化铝含量越高、氧化硅含量越低,碱蚀反应式(1)〜式(3)所生成三元化合物的铝硅比越小,不仅反应伴随的膨胀大,而且产生的应力又不容易被松弛。所以,铝硅质耐火材料的氧化铝含量越高,也就越没有耐碱性。图2显示了氧化物含量对耐碱性的影响。
氧化铝含量50%的样品受到严重碱侵蚀,试样几乎崩溃;氧化铝含量40%的试样受到侵蚀小得多,试样仅发生了不大的膨胀;氧化铝含量30%的受到的侵蚀最为轻微,膨胀很小。氧化铝含量>35%以后,耐碱性就可能受到影响。氧化铝含量<25%以后,不仅耐髙温性能不佳,且因试样含有过多石英类物质,热震稳定性也受到影响。一般情况下,耐碱砖氧化铝含量的下限为25%,上限为40%。
水泥窑用系列耐碱砖是中国建筑材料科学研究院于20世纪80年代研制的耐火材料。至今,水泥窑用耐碱砖的理化性能没有太大变化.
普通耐碱砖是采用烧结法制备的标准型产品。髙强型是采用磷酸结合制备的不烧制品。该制品的耐压强度和抗热震性很好。耐压强度下限为60MPa,热震稳定性下限25次,都明显高于普通耐碱砖。但是,高强型制品的耐火度和荷重软化温度较低。隔热型耐碱砖就是氣化铝含量25%〜40%的隔热砖。拱顶型耐碱砖的氧化铝含量稍高,因而具有稍高一点的荷重软化温度和耐压强度指标。
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