煤矸石在高强耐碱浇注料中的应用

近年来，种种原因造成的干法水泥窑内预热器、篦冷机及窑头罩内的碱富集越来越严重，其内耐火材料被碱、氯、硫等成分侵蚀后会形成碱裂，被烟气冲刷后很容易剥落，严重影响了水泥窑系统的安全稳定运转。因此，研制性能优异的耐碱浇注料对水泥工业的发展具有非常重要的意义。
　　煤矸石是采煤和洗煤过程中排出的固体废弃物，通常弃置不用，占用大片土地。煤矸石中的硫化物逸出或浸出会污染大气、农田和水体，而且矸石山还会自燃发生火灾，或在雨季崩塌，淤塞河流造成灾害。为了消除污染，我国自上世纪60 年代起，开始对煤矸石加以处理和利用。煤矸石的主要化学成分是铝硅系，特别是丰富的硅含量，使其可用在耐碱浇注料中。目前，煤矸石作为一种耐火原料的骨料用于制备水泥窑用高强耐碱浇注料还未见报道。本文将烧后的煤矸石破碎成颗粒作为骨料，替代焦宝石颗粒来研制新型耐碱浇注料，并取得了理想的效果。
　　实验
　　1.原料
　　以燃烧后的煤矸石（0mm~8mm）和焦宝石（0mm~8mm）为骨料；以硅微粉、焦宝石微粉，软质粘土粉为基质，C50-G7 铝酸钙水泥为结合剂，三聚磷酸钠为分散剂，主要原料的化学组成见表1。
　　2.实验方案
　　固定基质的种类和加入量，固定结合剂用量，只改变骨料的种类，研究煤矸石替代焦宝石后对浇注料性能的影响。本实验所用原料配比见表2。
　　3.性能检测
　　按照表2 的配方准确称量所需原料，然后各加入0.3%的三聚磷酸钠分散剂，加水后搅拌均匀，然后放入模具中，在振动台上振动成型，制成40mm×40mm×160mm 的样块，自然养护24h 后脱模，经110℃24h 烘干后，再在1000℃3h 条件下处理，测定试样的体积密度、显气孔率，以及烘干及烧后的冷态强度。
　　将材料制成70mm×70mm×70mm 且成型面具有Φ22mm×25mm 圆孔的坩埚并烘干，称取14g 无水碳酸钾置于圆孔内，用50mm×50mm×6mm 的盖子盖好，置于加热炉中，以6℃/min 的升温速率升温至1100℃，并保温5h。自然随炉冷却后将坩埚切开观察浇注料的碱侵蚀情况。
　　结果与分析
　　1.物理性能结果分析
　　采用焦宝石骨料和煤矸石骨料的试样的常温性能指标对比见表3。由表3 可知，在110℃烘干后，用煤矸石做骨料的样品的显气孔率略低于焦宝石做骨料的样品，而体积密度和常温强度则略高。这主要是由于煤矸石骨料的颗粒形貌优于焦宝石，更利于颗粒的紧密堆积所致。
　　在1100℃煅烧后，样品的显气孔率均有所增大，而体积密度则均有所降低，这主要是由于铝酸盐水泥水化产物脱水所致。煅烧后样品的耐压强度有所降低，而抗折强度则有所提高。耐压强度的降低主要是由于材料脱水后孔隙率增大所致，而抗折强度的增大主要是浇注料基质中的粘土开始烧结，有部分莫来石晶粒开始形成，对浇注料起到了明显的强化和韧化作用，有利于提高试样的力学性能。采用煤矸石做骨料的样品常温力学性能优于焦宝石骨料的样品，则可能是煤矸石骨料的反应活性高于焦宝石骨料，基质部分与骨料间的反应结合更牢固所致。
　　2.耐碱实验结果分析
　　两组试样做完耐碱实验后的坩埚切开见下图。对比下面的照片可以看出，两个试样经过高温碱侵蚀后均没有出现明显可见的裂纹，说明两个样品均具有优良的耐碱性能。2#坩埚（煤矸石）孔边缘比1#坩埚（焦宝石）孔边缘更平直、更清晰、侵蚀更少，说明采用煤矸石做骨料的坩埚耐碱性更佳。煤矸石相对于焦宝石而言，具有更高的SiO2 含量，SiO2 含量的提高有利于改善材料的耐碱性能。原因可能是碱气与浇注料中高SiO2 含量的原料反应生成KAS4 和KAS6，这些碱铝硅化合物呈玻璃熔融体，形成较致密的结构，阻止了碱的进一步侵蚀，从而保护了耐火材料。
　　综上所述，可以得出以下结论：一是煤矸石的应用，明显减低了浇注料的显气孔率，提高了浇注料的110℃和1100℃的烧后强度；二是相对焦宝石而言，采用煤矸石做骨料的浇注料具有更优异的耐碱性能；三是煤矸石可以作为耐碱浇注料的骨料，资源综合利用。