基于渗流理论的水泥窑过渡带耐火材料微结构设计与调控

It is one of development directions for modern cement industry to adopt a large number of waste and living garbage as an alternative raw materials or fuel, which benefit to saving the energy, reducing the risks of waste and living garbage and make them to "resources". However, alkali, chloride and sulfur components from waste and living waste are circulated and enriched in cement rotary kiln, the erosion of refractories accelerate, and their service lives are shorten. Acoording to the gaseous alkali, chlorine and sulfur erosion in high temperature environment, the seepage flow behavior of gaseous alkali, chlorine and sulfur components in refractories are investigated, appropriate porous medium flow models will be established, and the correlation between gaseous alkali, chlorine and sulfur components seepage rate and the pore strcture, such as porosity, pore diameter, pore size and distribution, pore curve degree, hole connectivity and so on, will be revealed, and the optimization direction of material microstructure will be pointed out. The material compositions will be designed and optimized, the change of composition and microstructure of these refractories in the process of preparation and service will be investigated, whisker or plate flake crystal materials growth mechanism and corresponding physical and chemical conditions will be find out, and refractory composition design principle and microstructure control technology will be summarized at last, which provide theoretical guidance for the development of high performance and long life cement kiln refractory. At the same time, the results in the project benefit to solving the gaseous erosion problems in the blast furnaces, hot air stoves, all the oxygen burning glass kiln.

大量采用废弃物和生活垃圾作为替代原料或替代燃料是现代水泥工业发展的方向，既节约了能源，又实现了废弃物和生活垃圾的"无害化、资源化、减量化"处理。然而，来自废弃物和生活垃圾中的碱、氯、硫组分在水泥回转窑内循环富集，耐火材料蚀损加速，寿命缩短。针对高温环境中气态碱、氯、硫侵蚀问题，本项目拟研究气态碱、氯、硫组分在耐火材料中的渗流行为，建立合适的多孔介质渗流模型，揭示材料中显气孔率、孔径尺寸与分布、孔弯曲程度、孔连通度等孔结构参数与碱、氯、硫组分渗流速率之间的相关性，指明材料结构优化的方向；设计材料组分，研究耐火材料在制备和使用过程中的组成与微结构变化规律，探明材料气孔中晶须或板片状晶生长机理及相应的物理化学条件，形成耐火材料组成设计原则与微结构调控技术，为开发高性能、长寿命水泥窑耐火材料提供理论指导。同时，本项目研究对于解决高炉、热风炉、全氧燃烧玻璃窑用耐火材料高温气相侵蚀问题具有借鉴意义。

本项目针对水泥回转窑耐火材料遭受的气相侵蚀问题，设计了耐火材料渗流速率测试系统，建立了多孔介质渗流模型，分析了孔结构参数与渗流速率之间的关联性；选择高铝碳化硅材料和铝碳材料作为研究对象，系统研究了不同工艺条件下材料微结构的变化，探讨了材料微孔化所需的物理化学条件；设计了气相侵蚀模拟实验，分析侵蚀前后高铝碳化硅材料和铝碳材料相组成和显微结构变化，探讨了气相物质侵蚀的机理以及材料孔结构与材料抗侵蚀之间的相关性。气体在耐火材料内的渗流速率基本符合达西渗流定律，且随着材料平均孔径的降低，气体渗流速度下降。基于毛细管管径正态分布的多孔介质渗流模型计算表明，当毛细管管径平均尺寸减小时，材料的渗流速率迅速减小；当毛细管管径的平均值为30 µm时，毛细管管径分布的离散程度对材料的渗流速率影响较小；当毛细管管径进一步减小时，毛细管管径分布的离散程度对渗流流率的影响逐渐增大，当毛细管管径平均值为1µm时，毛细管中即使仅存在少量大尺寸的毛细管，也会对材料的总渗流流率产生较大贡献。在材料制备过程中利用Si粉与周围气氛中的氧气或氮气发生反应或引入SiO2、Al2O3等微粉填充到更细的孔隙中，可有效降低材料的平均孔径。对于高铝碳化硅材料，Si粉的引入还可以抑制SiC的主动氧化，在降低材料平均孔径的同时缩小了材料表层与中心区域的孔径分布差别。引入红柱石、蓝晶石或叶腊石粉体在烧成过程中转变成莫来石相会可带来一定的体积膨胀，并且原位分解出高活性的SiO2会与材料中的Al2O3组分形成二次莫来石，或与材料中的碳组分反应可生产SiC晶须，也可以进一步降低耐火材料的孔径尺寸。碱蒸气模拟侵蚀实验表明，随着耐火材料孔径尺寸的减小，材料侵蚀层逐渐变薄，侵蚀后K元素的含量及渗入深度降低，材料因侵蚀产物带来的开裂现象显著降低。综合上述结果认为，通过降低耐火材料中的孔径尺寸，特别是尽量减少材料中的大于1 µm孔可以有效地减少气体的侵蚀。本项目研究成果可以为水泥工业开发新型耐火材料提供理论指导和实验数据，同时对于解决高炉、石油焦煅烧炉、全氧燃烧玻璃窑等场合耐火材料高温侵蚀问题具有重要借鉴意义。