摘要:采用納米材料增韌提高澆注料在噴煤管使用中應(yīng)力，提高使用壽命。
一、窯口及噴煤管用澆注料的使用現(xiàn)狀及損毀機(jī)理
目前的窯口及噴煤管部位主要以使用高性能澆注料為主。
窯口澆注料，一般是使用剛玉、莫來石及鋁礬土級(jí)澆注料，使用壽命多數(shù)一般為3-10個(gè)月。大多數(shù)情況下，由于材料本身的質(zhì)量限制及施工、操作等方面的原因，3-10個(gè)月就需要重新修筑。無法同冷卻帶磚保持同步，嚴(yán)重影響回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)效率。
回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速為每分鐘3-4周，也就是說，窯口澆注料每分鐘要承受3-4次約1400℃的高溫物料的加熱、磨損。同時(shí)每分鐘承受3-4次的冷熱交替。反復(fù)的熱應(yīng)力導(dǎo)致材料產(chǎn)生裂紋、剝落，以及材料的結(jié)合強(qiáng)度降低，材料疏松。而澆注料的疏松又為水泥物料的侵蝕及磨損提供了前提，導(dǎo)致材料損毀加劇，壽命降低。
目前的噴煤管澆注料也多為剛玉、莫來石等材質(zhì)，使用壽命一般為3-10個(gè)月，出現(xiàn)損毀也主要是熱震性不好導(dǎo)致的剝落以及堿侵蝕、堿剝落等。
二、窯口及噴煤管用納米強(qiáng)化增韌型澆注料的研制
1、窯口及噴煤管用納米強(qiáng)化增韌型澆注料使用中的溫度及應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算機(jī)模擬
水泥窯窯口澆注料及噴煤管澆注料損毀的主要因素為熱震損毀，而與熱震損毀最直接相關(guān)的即是材料高溫下的應(yīng)力，較大的熱應(yīng)力將直接導(dǎo)致材料在冷熱交替過程中的熱震損毀。為此，我們首先借助于Ansys軟件對(duì)該類材料高溫下的溫度及應(yīng)力場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，以便弄清楚該類材料的損毀原因。
1.1窯口用剛玉澆注料的溫度及應(yīng)力場(chǎng)
目前窯口常用的剛玉質(zhì)澆注料使用中的溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力場(chǎng)如下圖1、圖2。
圖1 剛玉質(zhì)澆注料使用中的溫度場(chǎng)????
圖2 剛玉質(zhì)澆注料使用中的應(yīng)力場(chǎng)
剛玉質(zhì)澆注料的最大優(yōu)點(diǎn)即是硬度高，強(qiáng)度大，耐磨性好，但是，該材料的韌性較差，也就是說，彈性模量高、泊松比較小；此外，該材料的高溫線膨脹率較高，也將導(dǎo)致該材料的高溫下的熱應(yīng)力較大。由圖2看出，該澆注料使用中的最大應(yīng)力為135MPa，而溫度處于900-1300℃之間。135MPa的應(yīng)力將使該溫度下的剛玉質(zhì)澆注料難以承受，導(dǎo)致材料的組織結(jié)構(gòu)應(yīng)力破壞，裂紋出現(xiàn)、強(qiáng)度降低，如此，將導(dǎo)致材料的抗磨損性降低，大裂紋的出現(xiàn)也將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剝落損毀。這也就是盡管目前的剛玉質(zhì)材料強(qiáng)度較高，但是使用壽命并不高的主要原因。
從上述剛玉質(zhì)澆注料使用中的應(yīng)力場(chǎng)看出，如果能夠強(qiáng)化澆注料的韌性，降低材料的彈性模量，則澆注料的使用性能將得到大幅度的提高。我們知道，納米材料可以明顯改善材料的微觀組織結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化材料的斷裂韌性，所以，改善窯口及噴煤管澆注料的使用性能就可以通過引入少量的納米氧化鋁粉體來增加韌性。圖3、圖4即是以棕剛玉為主要原料，同時(shí)引入納米氧化鋁增韌的澆注料使用中的溫度及應(yīng)力場(chǎng)。表1為目前的剛玉質(zhì)澆注料及納米強(qiáng)化型澆注料的理化指標(biāo)。
表1 剛玉質(zhì)澆注料及納米強(qiáng)化型澆注料的理化指標(biāo)
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理化指標(biāo) |
剛玉質(zhì)澆注料 |
納米強(qiáng)化型澆注料 | |
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化學(xué)成分，% |
Al2O3 |
92.2 |
66.53 |
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體積密度，g/cm3 |
3.0 |
2.8 | |
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彈性模量,GPa |
19 |
8 | |
圖3 納米增韌型澆注料的溫度場(chǎng)
圖4 納米強(qiáng)化型澆注料的應(yīng)力場(chǎng)
由圖3、圖4的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)即可看出，納米強(qiáng)化增韌型澆注料的最高應(yīng)力僅僅為67.8MPa，同上述的窯口及噴煤管用剛玉質(zhì)澆注料135MPa的應(yīng)力相比降低了一半。而這個(gè)應(yīng)力800-1200℃ 的溫度范圍內(nèi)還是可以承受的，也不會(huì)出現(xiàn)類似于現(xiàn)有剛玉質(zhì)澆注料的大的裂紋、結(jié)構(gòu)剝落機(jī)耐磨損性降低等情況，這樣就避免了剝落及過度磨損，如此，納米強(qiáng)化增韌型的該類澆注料的使用壽命將大幅度提高。