在水泥生產(chǎn)過程中，水泥回轉(zhuǎn)窯某些部位和分解爐某區(qū)域往往發(fā)生結(jié)圈和結(jié)皮問題。它直接影響了水泥回轉(zhuǎn)窯的正常生產(chǎn)，降低了熟料產(chǎn)質(zhì)量，提高了工人勞動強度和熱耗。為解決和緩解結(jié)皮或結(jié)圈問題，國內(nèi)外水泥工作者作了深入的研究。本文側(cè)重介紹含鋯高鋁磚對抗結(jié)皮或結(jié)圈的作用機理研究以及有關試驗。
2 實驗室工作
試驗磚的研究與生產(chǎn)基于AI2O3-Zr02-Si02三元系相圖，要求含鋯高鋁磚荷重軟化溫度、熱震穩(wěn)定性、耐磨抗侵蝕、抗結(jié)皮、高溫強度等綜合特性優(yōu)異。
基于本研究為機理研究，側(cè)重材料應用后的內(nèi)在變化與外部條件結(jié)合的分析，故在材料研究與設計中，盡量采用已有成果精華與工藝，并根據(jù)我國耐火礦物原料與試驗廠礦的適用性、可靠性進行研究，故將材料設計組分選擇在Al2O3-ZrO2-SiO2三元系相圖中的Al2O3-ZrO2-A3S2相區(qū)4-Al2O3連線的上側(cè)。
2.1 材料設計原理
圖1為Al2O3-ZrO2-SiO2三元系相圖。在被選擇相區(qū)域，析晶路線如下：
L1>剛玉+L2
剛玉+Al2O3+L3
—剛玉+A3S2+ZrO2
主要高溫反應：
ZrSiO4+Al2O3→A3S2+ZrO2
礬土礦+ZrSi04 >A3S2+ZrO2+Al2O3+L4
由于熱力學與動力學的平衡與反應過程的滯后，在液相中可能存在未反應的ZrSi04。表1為原料的化學成分與物理指標。
表1 原料的化學成分與物理指標(wt%)
本材料設計基本思想是提高高鋁磚的韌性強度，液相粘度，從而有效地防止水泥熟料生成過程中對磚的化學侵蝕而引起的結(jié)皮或結(jié)圈問題。
圖1 Al2O3-ZrO2-SiO2三元系相圖
2.2 顆粒級配選擇與燒成曲線的研究制定
采用粗顆粒：中顆粒：細顆粒加細粉= 1:1:1，“粒徑差小，多級級配”工藝。細粉盡量細，粗顆粒粒徑上限不大于5mm。
將配料均勻混合，加適量添加劑，混碾、陳腐、機壓成型，干燥處理，最后置入窯中燒成。
燒成曲線的制定根據(jù)原料化學成分波動、礦物相特點、應用要求加以變化。試磚燒成曲線如圖2所示。
圖2 試磚燒成曲線
2.3 微觀結(jié)構與觀察分析
對試驗磚的反應層、過渡層、原磚層的變化進行了微現(xiàn)結(jié)構分析，包栝化學成分、巖相、電鏡、X-射線分析等。
圖3〜5、6~8、9~10，分別顯示了結(jié)構，礦物組成，形貌狀態(tài)的情況。
表2為各層的化學成分，從表2中可了解到因與熟料反應而產(chǎn)生的成分波動變化。
表2化學成分分析表(Wt%)
3結(jié)果與討論
3.1化學成分分析
樣磚表面觀察表明，反應層較薄，呈灰色，結(jié)構松散。過渡層厚度與其相近，均約5mm，呈棕褐色、較致密但無裂紋。反應層與過渡層結(jié)含松散。原磚層未變化。反應層、過渡層之間的界線分布均勻，幾乎是在同一平面上。這說明熟料對其侵蝕速度接近，也表明磚材質(zhì)地均勻。
從關鍵性的ZrO2成分變化上可以看到，△C/△h呈線性關系，時間推延但擴散速度不變，即擴散速度與臨界狀態(tài)一水浞熟料生產(chǎn)過程無關。這對材料的損壞，即使分層剝落時，也能在同一水平面上斷開是有利的，也說明材料的結(jié)構穩(wěn)定。
3.2 巖相分析，電鏡分析，X-射線分析如圖3-5所示，反應層變化較大，在該層發(fā)現(xiàn)了新的礦物相高熔點化合物CA6，同時發(fā)現(xiàn)β-Al2O3、α-Al2O3及極少量霞石。除了霞石對試磚產(chǎn)生有害影響外，前二者對水泥熟料進一步浸蝕磚面，與磚產(chǎn)生化學反應，強固粘結(jié)磚面均有阻礙作用。
圖3 反應層巖相分析照片圖
圖4 過渡層巖相分析照片圖
圖5 原磚層巖相分析照片圖
圖6 反應層電鏡分析照片
β-Al2O3在原料曠物相或試磚的礦物相中是不存在的，顯然它是由水泥生產(chǎn)過程中堿鹽的化學侵蝕反應轉(zhuǎn)化而來的。它會對提高試磚抗侵蝕能力產(chǎn)生有利影響。在過渡層中，K2O或Na2O與Al2O3-SiO2系統(tǒng)發(fā)生化學反應，產(chǎn)生霞石，但量很少，且結(jié)晶不成集合體。從過渡層整體表觀觀察，該層質(zhì)地較致密，未發(fā)生有“堿裂”的嚴重現(xiàn)象。這是由于大量的堿鹽被含ZrO2組分的液相所吸收，即使礦物相與堿鹽反應，ZrO2或ZrSiO4也能吸收。普通高鋁磚或磷酸鹽磚沒有這兩方面的障礙與阻滯作用，顯然會加速熟料液相和堿鹽直接與礦物相作用。這些磚的液相粘度小、無ZrO2或ZrSiO4的高抗堿侵蝕能力，必將容易引起和加速化學反應，易起結(jié)皮或結(jié)圈。可以認為結(jié)皮和結(jié)圈的產(chǎn)生，除了水泥生產(chǎn)本身工藝條件外，在相等條件下，即熟料液相或有害成分與耐火材料首先發(fā)生反應，然后滲透、擴散、繼而固結(jié)于耐火材料表面，在耐火材料沒有較強的抗侵蝕性、沒有“圍柵釉層”的情況下，固結(jié)物勢必會加快變厚，形成結(jié)皮和結(jié)圈。
電鏡分析與X-射線分析進一步從微觀結(jié)構、形貌、礦物組成等方面表明了反應層、過渡層、原磚層的物理化學變化結(jié)果，與巖相分析對照，最終達到了“合成分析”的目的。結(jié)果詳見圖3~10。
圖7 過渡層電鏡分析照片
圖8 原磚層電鏡分析照片
圖9 反應層X-射線分析照片
圖10 過渡層X-射線分析照片
4 原燃料、生料配方的變化對結(jié)圈的影響
廣州、琉璃河水泥廠對水泥生產(chǎn)工藝條件如原燃料、生料配方進行了相應的調(diào)整。從試驗報告數(shù)據(jù)中可以看出原料、燃料中的低熔點。
3 C11A7·CaF2凝結(jié)時間
C11A7·CaF2單礦的凝結(jié)時間與溫度、外加劑種類及摻量的關系見表3，水灰比均為0.35
表3 C11A7·CaF2單礦的凝結(jié)時間試驗結(jié)果
實驗結(jié)果證明，外加劑能有效地延緩C11A7·CaF2的凝結(jié)，摻量增加，顆粒間的分散越充分，對水分子的阻滯作用更大，凝結(jié)時間延長。不同的外加劑對于C11A7·CaF2的緩凝作用大小依次為：乙二胺四乙酸>丙三醇>木鈣+CaCO3>木鈣。復合外加劑(木鈣+CaC03)有較好的緩凝作用，并且，加入適量的CaC03有利于提高水泥石的強度。XRD分析結(jié)果表明，這是由于CaCO3的加入在漿體中形成了碳鋁酸鹽(C3A·CaCO3·11H20)。類似單硫型水化物，對凝結(jié)時間有強烈延緩作用。
表3說明C11A7·CaF2的凝結(jié)時間可以通過摻外加劑人為控制進行調(diào)節(jié)。從經(jīng)濟效益考慮，木鈣與CaC03價廉，且來源廣，是較好的外加劑。
C11A7·CaF2的凝結(jié)時間隨溫度的降低顯著延緩的現(xiàn)象表明以C11A7·CaF2為主要礦物的水泥適宜在低溫或負溫下施工。
5結(jié)論
(1)含鋯高鋁磚對減輕或緩解水泥窯的結(jié)圈或結(jié)皮有積極作用，效果比較明顯。
(2)緩解與減輕結(jié)圈的機理過程是ZrO2從原磚層擴散至過渡層、表面層，有效地形成“釉面圍播”，阻礙熟料一磚面反應、固結(jié)、加厚，磚的損壞呈正常損耗剝層脫落。
(3)試驗證實，緩減結(jié)圈和結(jié)皮的主攻技術方面應是調(diào)節(jié)和控制原燃料、生料配比，力求降低堿含量與熔劑含量。