煤矸石在高強(qiáng)耐堿澆注料中的應(yīng)用研究

近年來，種種原因造成的干法水泥窯內(nèi)預(yù)熱器、篦冷機(jī)及窯頭罩內(nèi)的堿富集越來越嚴(yán)重，其內(nèi)耐火材料被堿、氯、硫等成分侵蝕后會(huì)形成堿裂，被煙氣沖刷后很容易剝落，嚴(yán)重影響了水泥窯系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，研制性能優(yōu)異的耐堿澆注料對(duì)水泥工業(yè)的發(fā)展具有非常重要的意義。

煤矸石在高強(qiáng)耐堿澆注料中的應(yīng)用研究

煤矸石是采煤和洗煤過程中排出的固體廢棄物，通常棄置不用，占用大片土地。煤矸石中的硫化物逸出或浸出會(huì)污染大氣、農(nóng)田和水體，而且矸石山還會(huì)自燃發(fā)生火災(zāi)，或在雨季崩塌，淤塞河流造成災(zāi)害。為了消除污染，我國(guó)自上世紀(jì)60年代起，開始對(duì)煤矸石加以處理和利用。煤矸石的主要化學(xué)成分是鋁硅系，特別是豐富的硅含量，使其可用在耐堿澆注料中。目前，煤矸石作為一種耐火原料的骨料用于制備水泥窯用高強(qiáng)耐堿澆注料還未見報(bào)道。本文將燒后的煤矸石破碎成顆粒作為骨料，替代焦寶石顆粒來研制新型耐堿澆注料，并取得了理想的效果。

實(shí)驗(yàn)

1.原料

以燃燒后的煤矸石（0mm~8mm）和焦寶石（0mm~8mm）為骨料；以硅微粉、焦寶石微粉，軟質(zhì)粘土粉為基質(zhì)， C50-G7鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑，三聚磷酸鈉為分散劑，主要原料的化學(xué)組成見表1。

2.實(shí)驗(yàn)方案

固定基質(zhì)的種類和加入量，固定結(jié)合劑用量，只改變骨料的種類，研究煤矸石替代焦寶石后對(duì)澆注料性能的影響。本實(shí)驗(yàn)所用原料配比見表2。

3.性能檢測(cè)

按照表2的配方準(zhǔn)確稱量所需原料，然后各加入0.3％的三聚磷酸鈉分散劑，加水后攪拌均勻，然后放入模具中，在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)成型，制成40mm×40mm×160mm的樣塊，自然養(yǎng)護(hù)24h后脫模，經(jīng)110℃24h烘干后，再在1000℃3h條件下處理，測(cè)定試樣的體積密度、顯氣孔率，以及烘干及燒后的冷態(tài)強(qiáng)度。

將材料制成70mm×70mm×70mm且成型面具有Φ22mm×25mm圓孔的坩堝并烘干，稱取14g無水碳酸鉀置于圓孔內(nèi)，用50mm×50mm×6mm的蓋子蓋好，置于加熱爐中，以6℃/min的升溫速率升溫至1100℃，并保溫5h。自然隨爐冷卻后將坩堝切開觀察澆注料的堿侵蝕情況。
結(jié)果與分析

1.物理性能結(jié)果分析

采用焦寶石骨料和煤矸石骨料的試樣的常溫性能指標(biāo)對(duì)比見表3。由表3可知，在110℃烘干后，用煤矸石做骨料的樣品的顯氣孔率略低于焦寶石做骨料的樣品，而體積密度和常溫強(qiáng)度則略高。這主要是由于煤矸石骨料的顆粒形貌優(yōu)于焦寶石，更利于顆粒的緊密堆積所致。

在1100℃煅燒后，樣品的顯氣孔率均有所增大，而體積密度則均有所降低，這主要是由于鋁酸鹽水泥水化產(chǎn)物脫水所致。煅燒后樣品的耐壓強(qiáng)度有所降低，而抗折強(qiáng)度則有所提高。耐壓強(qiáng)度的降低主要是由于材料脫水后孔隙率增大所致，而抗折強(qiáng)度的增大主要是澆注料基質(zhì)中的粘土開始燒結(jié)，有部分莫來石晶粒開始形成，對(duì)澆注料起到了明顯的強(qiáng)化和韌化作用，有利于提高試樣的力學(xué)性能。采用煤矸石做骨料的樣品常溫力學(xué)性能優(yōu)于焦寶石骨料的樣品，則可能是煤矸石骨料的反應(yīng)活性高于焦寶石骨料，基質(zhì)部分與骨料間的反應(yīng)結(jié)合更牢固所致。

2.耐堿實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

兩組試樣做完耐堿實(shí)驗(yàn)后的坩堝切開見下圖。對(duì)比下面的照片可以看出，兩個(gè)試樣經(jīng)過高溫堿侵蝕后均沒有出現(xiàn)明顯可見的裂紋，說明兩個(gè)樣品均具有優(yōu)良的耐堿性能。2#坩堝（煤矸石）孔邊緣比1#坩堝（焦寶石）孔邊緣更平直、更清晰、侵蝕更少，說明采用煤矸石做骨料的坩堝耐堿性更佳。煤矸石相對(duì)于焦寶石而言，具有更高的SiO2含量，SiO2含量的提高有利于改善材料的耐堿性能。原因可能是堿氣與澆注料中高SiO2含量的原料反應(yīng)生成KAS4和KAS6，這些堿鋁硅化合物呈玻璃熔融體，形成較致密的結(jié)構(gòu)，阻止了堿的進(jìn)一步侵蝕，從而保護(hù)了耐火材料。

綜上所述，可以得出以下結(jié)論：一是煤矸石的應(yīng)用，明顯減低了澆注料的顯氣孔率，提高了澆注料的110℃和1100℃的燒后強(qiáng)度；二是相對(duì)焦寶石而言，采用煤矸石做骨料的澆注料具有更優(yōu)異的耐堿性能；三是煤矸石可以作為耐堿澆注料的骨料，資源綜合利用。