1 前言

某公司用回轉窯燒制Mg O含量30%左右的鎂質料，回轉窯燒成帶長度20～30 m，燒成溫度1 470℃左右，筒體表皮溫度300～310℃。回轉窯使用65%～75%高鋁磚壽命不到20 d，使用80%高鋁磚壽命30 d左右，由于耐材侵蝕嚴重，導致窯爐檢修頻繁，嚴重影響產品質量及生產效率。為此，尋求適合回轉窯的非鎂質耐火材料，確保回轉窯使用壽命達到半年以上。

2 煅燒鎂質料回轉窯耐火材料的使用工況

回轉窯生產的鎂質料的成分見表1，顯微結構見圖1。

表1 鎂質料的化學成分（質量分數）%  

2.1 回轉窯原使用80%高鋁磚的應用分析

圖2為80%高鋁磚使用30 d后的特征，從用后磚的表面看，主要表現為滲透、侵蝕嚴重。

圖1 鎂質原料微觀結構及元素分析  

圖2 80%高鋁磚使用后特征  

對該回轉窯原用高鋁磚理化性能進行分析，性能指標見表2。  

表2 高鋁磚的理化性能  

采用靜態坩堝法對80%高鋁磚進行抗侵蝕試驗[1]。將鎂質料填充于試樣中，按一定升溫速率升溫至1 500℃保溫3 h后隨爐自然冷卻至室溫，沿試樣中心線切開。

2.2 回轉窯原使用80%高鋁磚的損毀分析

2.2.1 高鋁磚的損毀性能分析

從表2高鋁磚的理化性能可以看出，該材料氣孔率高，荷重軟化開始溫度僅有1 418℃，遠遠低于燒成帶1 450～1 470℃的工作溫度，耐材在使用過程中的軟化變形、侵蝕加劇；從磚的重燒線變化率可以看出，該80%高鋁磚在高溫下為收縮趨勢，極易造成磚縫隙的擴大，影響窯體的整體結構，加速耐材損毀。結合圖2的抗侵蝕試驗表征，試樣表面反應后疏松多孔，并呈現明顯的滲透現象，這說明在高溫狀態下，隨液相量不斷產生并沿磚縫隙進行滲透、侵蝕，增大了侵蝕面積，加劇了損毀速度，導致回轉窯的整體性破壞、壽命短。

2.2.2 高鋁磚的損毀機理分析

(1）化學侵蝕作用。從表1可以看出，該回轉窯生產的是鎂質料，以Mg O、Si O2為主。由Mg O+Si O2為主的二元體系發生如下的化學反應：

在窯爐運行過程中以Mg O、Si O2為主的原料與富Al的耐材接觸后，即Mg O和Si O2的系統中引入Al2O3時，即形成Mg O-Si O2-Al2O3三元體系。當2Mg O·Si O2與Al2O3接觸時，在1 250℃以上即可生成堇青石（2Mg O·2Al2O3·5Si O2），生成的堇青石會在1 460℃分解熔融。而在此三元體系中，Al2O3不但會與Mg O組分反應生成Mg Al2O4（尖晶石），而且會與Si O2組分反應生成Al6Si O13（莫來石）。

伴隨著尖晶石的生成，會發生5%～8%的體積膨脹。結合界面反應導致的液相熔融，造成耐火材料變質、損毀，最終影響窯爐的整體使用壽命。

(2）機械應力作用。回轉窯的斜度3%～5%，生產過程中回轉窯按一定的轉速運轉，窯內的耐火材料不僅受到慣性力作用呈向下運動的趨勢，同時也受到了筒體的壓應力、物料的沖刷磨損等作用，導致耐材損毀。

3 試驗

3.1 回轉窯用耐火材料應具備的性能

根據煅燒鎂質料的成分、使用環境及燒成溫度，通過對回轉窯使用高鋁磚的損毀分析，煅燒鎂質料回轉窯用耐火材料需具備致密、高強度、高荷重軟化溫度等性能，且對所煅燒的鎂質原料具有良好的抗侵蝕性、掛窯皮性能好等特點。

3.2 選材

根據客戶對鎂質耐材抗剝落不好、價格高且不適合目前此回轉窯的需求，本試驗從鋁硅系為主體的相關耐材中選擇，分別選擇了莫來石紅柱石磚[2]、高鋁碳化硅磚、特種高鋁磚、剛玉尖晶石磚等材質試樣，理化性能見表3。然后使用靜態坩堝法進行抗侵蝕性能分析比較。將鎂質料填充于試樣中，按一定升溫速升溫至1 500℃保溫3 h后隨爐自然冷卻至室溫，沿試樣中心線切開，研究不同類型耐火材料對鎂質材料的抗侵蝕能力。  

表3 4種耐火材料的理化性能指標  

圖3為4種材質的靜態坩堝法侵蝕斷面，表4為侵蝕及滲透數據分析。

圖3 4種材質的靜態坩堝法侵蝕斷面  

3.3 抗侵蝕結果與討論

從表4數據可以看出，抗侵蝕能力為4#>2#>3#>1#>80%高鋁磚，抗滲透能力為2#>1#>3#>80%高鋁磚>4#。

(1)1#試樣是莫來石紅柱石材質，鎂質料高溫下與磚反應，表面生成白色絮狀反應層，該材質Si O2含量較高，反應溫度為1 200～1 300℃，Si O2、Al2O3和Mg O之間加速反應生成堇青石，隨著溫度繼續升高，生成的堇青石在1 450℃時發生分解熔融，析出大量過冷液相附著于物料表面造成侵蝕，該材質的抗侵蝕能力一般，但由于致密程度高，使其具有良好的抗滲透能力。

(2)2#試樣為高鋁碳化硅磚，引入碳化硅后，表層Si C氧化生成Si O2膜的致密保護層，阻止了鎂質材料對磚的進一步侵蝕滲透，因此該材質的抗侵蝕性能及抗滲透效果較好。

(3)3#試樣為特種高鋁磚，物料表面呈白色，侵蝕、滲透現象較輕，該高鋁磚內部生成剛玉-莫來石復相結構，莫來石相提高了網絡結構緊密度，提高了抗滲透性，剛玉相起到抵抗侵蝕作用，耐材表面與鎂質材料在高溫狀態下接觸反應，呈熔融狀態，在析晶后附著于耐材表面，形成類似窯皮的結構層，可有效阻止耐材進一步侵蝕反應，綜合評價抗侵蝕及滲透能力為較好且成本最低。  

表4 侵蝕及滲透數據  

(4)4#試樣為剛玉尖晶石磚，抗侵蝕較好，但抗滲透能力差且成本高。

綜合評價4種材質的抗侵蝕能力、成本，優先選擇高鋁碳化硅磚及特種高鋁磚，但從導熱性能及性價比角度分析，高鋁碳化硅的導熱系數及價格高于特種高鋁磚，因此最終選擇特種高鋁磚。熔融后的鎂質料與特種高鋁磚反應的特征可以看出具有良好的掛窯皮能力。

3.4 特種高鋁磚的性能優化

為了更好滿足煅燒鎂質料回轉窯的使用環境，對特種高鋁磚的指標及工藝進行了優化。通過優化基質A/S比，生成剛玉-莫來石復相結構，莫來石相提高了網絡結構緊密度，提高了抗滲透性，剛玉相起到抵抗侵蝕作用。重新優化的特種高鋁磚理化性能優良（見表5），且具有較好的抗侵蝕及滲透能力（見表6）。  

表5 優化后特種高鋁磚的理化指標  

表6 優化前后的特種高鋁磚侵蝕及滲透數據  

使用靜態坩堝法對優化后的特種高鋁磚進行抗侵蝕性能分析，具有良好的抗侵蝕能力，見圖4。

圖4 優化后的特種高鋁磚靜態坩堝法侵蝕試驗斷面  

4 產品的應用效果

(1）跟蹤客戶特種高鋁磚使用情況，截至2021年5月，回轉窯已經正常運行900 d，使用壽命大幅提高，使用中未出現因侵蝕、剝落、掉磚等現象造成停窯檢修情況，生產效率及產品質量得到了保障，贏得了客戶的高度認可。

(2）該特種高鋁磚熱導率適中并具有較好的掛窯皮能力，回轉窯燒成帶筒體表皮溫度約240℃，比以前溫度降低60℃左右。一方面防止筒體溫度過高而引起的塑形變形，降低了回轉窯運行安全風險；另一方面隨筒體表面的散熱損失的減少，不但實現了節能降耗的目的，而且工作現場環境得到改善。

(3）對已經使用900 d的特種高鋁磚進行微觀分析。通過對反應層放大56倍進行觀察，利用EDS掃描分析，可以發現宏觀下以Mg與Si為主的鎂質料對特種高鋁磚沒有出現任何的滲透反應。

通過對用后特種高鋁磚反應層與侵蝕層繼續放大分析，發現在耐材反應層表面K、Na含量富集，形成液相保護層，避免耐材被進一步侵蝕。當對反應層放大300×時，可以清晰觀察到耐材與鎂質原料在運行過程中反應變化情況（左側為原磚層，中間為侵蝕層，右側為變質層）。通過測量發現，形成的液相保護層厚度約150～300μm。耐材內部未受到鎂質原料的侵蝕與破壞，根據對該特種高鋁磚的使用現狀進行評估，使用壽命預計可達到5 a以上。

5 結語

通過靜態坩堝法模擬使用溫度及環境，對莫來石紅柱石磚、高鋁碳化硅磚、剛玉尖晶石磚、特種高鋁磚4種類型鋁硅系耐火材料進行抗鎂質料侵蝕試驗，經過對比分析，最終選擇抗侵蝕性能良好、性價比優良的特種高鋁磚。經客戶實際生產使用，使用壽命大幅超過預期，且節能降耗明顯，有效解決了窯爐使用壽命短的問題，生產效率及產品質量得到了保障，贏得了客戶的高度認可。