窯口耐火澆注料的使用壽命對整條水泥生產(chǎn)線的運(yùn)轉(zhuǎn)周期有著至關(guān)重要的影響。回轉(zhuǎn)窯窯口澆注料在使用過程中，除了要承受1400℃以上的高溫以外，還需要承受急冷急熱氣流沖擊，高溫水泥熟料磨損和高溫有害氣體堿腐蝕等機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力和化學(xué)侵蝕的破壞，使用條件十分苛刻，要求窯口澆注料必須具有良好的抗熱震性、耐磨性和耐堿性。目前窯口澆注料在材質(zhì)上廣泛采用剛玉-莫來石質(zhì)、剛玉-尖晶石質(zhì)以及鋼纖維增強(qiáng)的耐火澆注料，為了提高窯口澆注料的抗侵蝕性和抗熱震性，往往還加入部分碳化硅。窯口澆注料能夠形成整體內(nèi)襯，但由于其是一種脆性材料，難以像采用磚砌的轉(zhuǎn)窯筒體一樣能夠適應(yīng)一定程度的形變，在應(yīng)力作用下容易開裂，因此提高窯口澆注料的韌性對于改進(jìn)其使用壽命十分有利。黑剛玉是一種以α-Al2O3和鐵鋁尖晶石為主礦相的灰黑色結(jié)晶體，其特點(diǎn)是Al2O3含量較低，并有一定量以不同價(jià)態(tài)形式存在的鐵，因而具有硬底適中、韌性高、耐高溫、熱態(tài)力學(xué)性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，多數(shù)用于磨料當(dāng)中。針對黑剛玉的性能特點(diǎn)和窯口澆注料的性能要求，本文以剛玉-莫來石質(zhì)窯口澆注料為基礎(chǔ)，采用黑剛玉作為部分原料，研究了不同粒度的黑剛玉及其加入量對窯口澆注料性能的影響。

1.1 原料及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中所用主要原料有：燒結(jié)莫來石(2.73g·cm-3，粒度包括8～5、5～3、3～1mm)、棕剛玉(3.92g·cm-3，粒度包括3～1、≤1、0.074mm)、黑剛玉(3.71g·cm-3，粒度包括3～1、≤1、0.074mm)、碳化硅(粒度包括≤1、0.074mm)、α-Al2O3微粉、二氧化硅微粉和鋁酸鈣水泥，外加劑包括減水劑和防爆纖維。主要原料的化學(xué)組成如表1所示，配料組成見表2所示。

表1 主要原料的化學(xué)組成

表2 試驗(yàn)配料組成

1.2 試樣制備及性能檢測

將各種原料按比例混合均勻，加水5.6%(w)攪拌后經(jīng)震動成型，室溫下養(yǎng)護(hù)24h后脫模，試樣分別經(jīng)不同溫度處理后，檢測試樣的體積密度(YB/T5200—1993)、耐壓強(qiáng)度(GB/T5072—2008)、抗折強(qiáng)度(GB/T3001—2007)、線變化率(GB/T5988—2007)。

2.1 黑剛玉不同加入量對窯口澆注料性能的影響

以不加入黑剛玉的試樣為基礎(chǔ)，分別以等量的≤1mm黑剛玉替代≤1mm的棕剛玉，試樣的性能指標(biāo)如圖1-4所示。

從圖1可以看出，隨著≤1mm黑剛玉加入量的增加，試樣的體積密度呈現(xiàn)下降趨勢，這是由于黑剛玉的體積密度比棕剛玉低所產(chǎn)生的?？紤]到顆粒級配因素，試驗(yàn)中當(dāng)≤1mm黑剛玉含量增加到25%(w)時(shí)，試樣中未加入≤1mm的碳化硅，相當(dāng)于≤1mm黑剛玉全部替代了≤1mm的棕剛玉和≤1mm的碳化硅，具體配比見表2所示，而黑剛玉的體積密度大于碳化硅體積密度，因此試樣體積密度有所提高。

從圖2可以看出，加入≤1mm黑剛玉5%(w)的試樣經(jīng)不同溫度處理后比未加黑剛玉的試樣的常溫抗折強(qiáng)度有所提高，而≤1mm黑剛玉加入量(w)在5%～20%的范圍內(nèi)，隨著黑剛玉加入量的增加，110℃下保溫24h后試樣的抗折強(qiáng)度變化趨勢不明顯，這是由于在110℃保溫24h條件下試樣的強(qiáng)度主要由水泥結(jié)合劑提供。經(jīng)過1100℃保溫3h和1350℃保溫3h處理后試樣的常溫抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，抗折強(qiáng)度主要受基質(zhì)與骨料之間的結(jié)合程度影響，斷裂過程多數(shù)是骨料顆粒自身的破壞，而不是顆粒從基質(zhì)中的拔出效應(yīng)，抗折強(qiáng)度的變化反應(yīng)了基質(zhì)與骨料之間結(jié)合的強(qiáng)弱。

從圖3可以看出，加入≤1mm黑剛玉5%(w)的試樣比未加黑剛玉試樣的常溫耐壓強(qiáng)度降低，而隨著黑剛玉加入量增加，常溫耐壓強(qiáng)度出現(xiàn)先增加后減小的趨勢。經(jīng)110℃保溫24h處理后的試樣耐壓強(qiáng)度受結(jié)合劑作用和緊密堆積程度的影響，在相同質(zhì)量配比的條件下，黑剛玉的加入引起緊密堆積程度變化，從而引起耐壓強(qiáng)度變化[6]。在試驗(yàn)條件下，當(dāng)≤1mm黑剛玉加入量(w)在10%左右時(shí)，經(jīng)過1100℃保溫3h和1350℃保溫3h處理后的試樣常溫耐壓強(qiáng)度最大，這與試樣中的反應(yīng)程度和顆粒緊密堆積情況有關(guān)[7]。澆注料作為一種非均質(zhì)材料，抗折強(qiáng)度比耐壓強(qiáng)度更容易受到裂紋和不均勻性等微觀結(jié)構(gòu)的影響。

從圖4加熱永久線變化可以看出，加入≤1mm黑剛玉5%的試樣比未加黑剛玉試樣的線收縮明顯增加，說明試樣中出現(xiàn)了明顯的燒結(jié)反應(yīng)。經(jīng)1100℃保溫3h熱處理后的試樣線變化都呈現(xiàn)收縮特征，隨著黑剛玉加入量(w)在5%～20%的范圍內(nèi)增加，收縮率逐漸減小。經(jīng)1350℃保溫3h處理后的試樣在≤1mm黑剛玉加入量(w)為5%～20%的范圍內(nèi)，呈現(xiàn)先收縮后膨脹的特征，這與試樣中的物相反應(yīng)情況有關(guān)[8]，說明黑剛玉在試樣中先生成低熔點(diǎn)液相產(chǎn)生體積收縮，隨著黑剛玉含量的增加，再生成新的物相產(chǎn)生膨脹，具體物相需要進(jìn)一步分析確認(rèn)。≤1mm黑剛玉加入量(w)為25%的試樣線變化出現(xiàn)波動，主要是由于黑剛玉替代了碳化硅，碳化硅對試樣的線變化也會產(chǎn)生影響，碳化硅在高溫條件下部分發(fā)生氧化生成二氧化硅，進(jìn)而反應(yīng)產(chǎn)生莫來石，產(chǎn)生一定程度的體積膨脹效應(yīng)，同時(shí)也說明了碳化硅對試樣的體積效應(yīng)要大于黑剛玉。體積膨脹效應(yīng)也導(dǎo)致經(jīng)1350℃保溫3h處理后試樣的常溫耐壓強(qiáng)度隨著黑剛玉加入量的增加而降低。常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度容易受微觀缺陷影響，相較而言，加熱永久線變化作為一項(xiàng)宏觀評價(jià)指標(biāo)更能客觀反應(yīng)出試樣燒結(jié)后的狀態(tài)，綜合考慮窯口澆注料的使用條件以及抗熱震、強(qiáng)度等性能要求，≤1mm黑剛玉的加入量(w)在15%左右為宜。

2.2 黑剛玉不同粒度對窯口澆注料性能的影響

試驗(yàn)中以≤0.074、≤1、1～3mm這3種粒徑規(guī)格的黑剛玉，加入量(w)為15%替代同等規(guī)格的棕剛玉，配比如表2所示，試樣性能檢測結(jié)果如表3所示?？梢钥闯觯?種不同規(guī)格的黑剛玉在相同加入量的條件下對體積密度影響不大。結(jié)合常溫抗折強(qiáng)度、常溫耐壓強(qiáng)度和加熱永久線變化的檢測結(jié)果可知，加入≤0.074mm黑剛玉的試樣在1100℃保溫3h和1350℃保溫3h條件下的反應(yīng)程度相對劇烈，這是由于粉料的反應(yīng)活性比顆粒高，但反應(yīng)不利于強(qiáng)度的提高，過度反應(yīng)使試樣中產(chǎn)生了陶瓷化，脆性程度增加，引起強(qiáng)度降低[9]。而當(dāng)加入1～3mm的黑剛玉時(shí)，1100℃保溫3h處理后的試樣的線收縮率大大降低，1350℃保溫3h處理后試樣的線變化則為收縮，說明試樣中的反應(yīng)程度比較微弱。因此根據(jù)不同粒度的黑剛玉在窯口澆注料中的反應(yīng)程度和強(qiáng)度變化特征，黑剛玉的加入以≤1mm為宜。

(1)加入≤1mm的黑剛玉能夠提高試樣的常溫抗折強(qiáng)度和常溫耐壓強(qiáng)度，但隨著加入量的增加，經(jīng)過1100℃保溫3h和1350℃保溫3h處理后的試樣強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢。黑剛玉在試樣中先生成低熔點(diǎn)液相產(chǎn)生體積收縮，隨著黑剛玉含量的增加，再生成新的物相產(chǎn)生膨脹。

(2)在相同加入量的條件下，≤0.074mm的黑剛玉比≤1和1～3mm的反應(yīng)活性大，造成1100℃保溫3h后試樣的線收縮和1350℃保溫3h后試樣的線膨脹增加，但反應(yīng)程度增加造成強(qiáng)度的降低。