氧化铁与球团矿回转窑耐火材料的作用机理研究.docx

氧化铁与球团矿回转窑耐火材料的作用机理研究聂建华，乔婉，张子洋，张寒，梁永和，崔艳光，孙吉瑶(武汉科技大学耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地，湖北武汉430081)摘要：采用SEM、XRD、DTA等测试技术研究了Fe2O3与球团矿回转窑用刚玉质和莫来石质耐火材料的作用机理。结果表明：Fe2O3与刚玉主要发生固溶反应，形成饱和的有限固溶体生长在耐火材料表面；莫来石在Fe2O3的作用下在1350℃开始分解成Al2O3和SiO2，随即Al2O3会与Fe2O3发生固溶反应，分解出的SiO2部分发生玻璃化转变。关键词：球团矿回转窑；作用机理；耐火材料；固溶中图法分类号：TQ175文献标识码：A文章编号：1002-185X(2011)S1-174-04回转窑球团工艺具有适应性强、生产能力大、工艺灵活等优点，实现了球团工业生产的连续化、大型化，成为我国球团矿生产的主要工艺[1]。但球团矿回转窑都存在着结圈的问题，随着多座大型球团矿回转窑的投产，结圈所带来的负面效应越显突出，结圈不仅使工艺制度失常、失控，增加设备负荷，导致球团质量、产量明显降低，浪费大量能源，而且对窑衬耐火材料的破坏十分严重，回转窑因结圈严重而导致耐火材料损坏所引起的检修频繁出现，已经成为抑制回转窑顺行的首要因素[2,3]。但是，由于结圈原因和过程十分复杂，目前对结圈形成机理的研究还不够充分，有研究认为球团矿回转窑内物料的主要物相氧化铁与回转窑内衬耐火材料发生反应并导致了结圈的形成[4]。为此，本研究从耐火材料的角度出发，研究了氧化铁与目前国内球团矿回转窑主要使用的刚玉质耐火材料和莫来石质耐火材料的作用机理，为工业生产中预防结圈提供理论依据。按物质的量Fe2O3:莫来石=1:1配取粉料置入陶瓷球磨罐球磨2h，在200MPa的压力将混合均匀的粉料压制成φ20mm×20mm的圆柱试样，将部分试样经1500℃×3h热处理后采用X’PertMPDPro型X射线衍射仪进行物相分析；将压制好的未烧的试样磨制成φ5mm质量为30mg的小薄片，采用NETZSCHSTA449C热分析仪在空气气氛条件下进行TG和DSC分析，升温区间为室温至1500℃，升温速率为15℃/min。2结果与讨论2.1Fe2O3对刚玉耐火材料的侵蚀图1是不同温度下铁精矿侵蚀刚玉坩埚的宏观剖面照片。由图1可见，刚玉坩埚在1500℃以下的试验温度下都没有发生明显的侵蚀现象，坩埚内孔表面的耐火材料基本保持完好，只是底部有不到2mm的渗透层。ab1实验将耐火原料按一定的粒度组成，加入适量结合剂，在200MPa压力下压制成φ50mm×50mm、内孔尺寸为φ20~30mm×25mm的坩埚；在110℃下干燥24h后经1500℃×3h的热处理制成坩埚；在每个坩埚内置入10g巴北铁精矿（TFe为65.47%）压实后，于1450℃×3h、1500℃×3h及1550℃×3h进行静态坩埚抗侵蚀试验，采用NANOSEM400NOVAFEI型场发射扫描电子显微镜观察刚玉、莫来石质耐火材料被氧化铁侵蚀后的显微结构形貌，采用PHOEN-EDX能谱分析仪对特征点进行能谱分析。图1不同温度下铁精矿侵蚀刚玉坩埚的宏观剖面照片Fig.1Profilephotographofcorundumcruciblesafterironoreerosiontestatdifferenttemperatures:(a)1500℃,3hand(b)1550℃,3h收稿日期：2011-02-18基金项目：武汉市青年科技晨光计划资助项目(20065004116-37)作者简介：聂建华，男，1974年生，博士,副教授，武汉科技大学材料与冶金学院183信箱，湖北武汉430081，电话：027刊1聂建华等：氧化铁与球团矿回转窑耐火材料的作用机理研究·175·刚玉和氧化铁晶体都属刚玉型结构，阳离子填充于三分之二的氧八面体空隙中，Fe3+和Al3+的半径差为18%，故Fe3+与Al3+易相互置换形成有限置换固溶体[5]，并且其结构稳定，而且固溶度随温度的升高而快速变大，所以铁精矿与刚玉的作用主要体现为Al2O3与Fe2O3相互固溶形成置换型有限固溶体。在没有回转窑内膨润土和煤灰等其它杂质的辅助作用下，单纯的铁精矿与刚玉耐火材料的固溶反应速率则主要取决于阳离子在固相中的扩散，因此其反应速率要慢很多。当试验温度提高到1550℃时，铁离子的活化能提高到可以跃迁能垒，进而更大程度地向材料中固溶，刚玉坩埚才出现了明显的侵蚀现象，表层基质部分已经严重变质，铁精矿与耐火材料紧密结合起来，其接触界面很难用肉眼区分开。图2是1500℃烧后的坩埚试样底部SEM显微形貌和能谱分析结果。由图2可见，在整个反应界面即没有玻璃相存在，也没有其它生成物出现。这是因为反应物纯度较高、杂质含量非