水泥窯協(xié)同處置技術(shù)實現(xiàn)了垃圾的“減量化、無害化、資源化”處置，并取得了良好的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效。但是，由于垃圾廢棄物中存在大量硫、堿、氯等有害成分，在水泥窯預(yù)熱器系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)富集，導(dǎo)致耐火磚易被侵蝕、剝落、損毀。目前，水泥回轉(zhuǎn)窯低溫區(qū)用鋁硅系產(chǎn)品如系列硅莫磚、抗剝落高鋁磚以及新型低鋁莫來石磚等，在原料選擇，理化性能等方面差異明顯。在本工作中，對上述不同產(chǎn)品的抗堿侵蝕性能進行對比，并結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)和物相組成分析，判斷其抗堿侵蝕性能優(yōu)劣，進而優(yōu)化水泥窯耐火材料選材及配置。

 

1、試驗

1）耐火磚選擇

選擇市售硅莫磚1680、硅莫磚1550、抗剝落高鋁磚JA、低鋁莫來石磚M55。樣磚的理化性能見表1。

表1：市售鋁硅系耐火磚理化指標

 

2）試樣制備及性能檢測

采用靜態(tài)坩堝法進行抗堿侵蝕試驗。從各樣磚上切下尺寸為80mm×80mm×80mm的樣塊，在中心位置鉆出φ36mm×40mm的圓柱形凹槽制成坩堝，再切取60mm×60mm×30mm薄板制成坩堝蓋，對坩堝和坩堝蓋進行烘干處理。向各坩堝中裝入20g市售化學(xué)純K2CO3，采用火泥將坩堝蓋與坩堝之間密封。整個坩堝在烘箱中于110℃烘干12h后置于電爐，并于1100℃保溫5h，待自然冷卻。通過觀察試樣的外觀評價試樣的抗堿侵蝕性能。取坩堝底部侵蝕后的區(qū)域進行微觀結(jié)構(gòu)和物相組成分析，從坩堝底部到磚樣底部每間隔5mm劃分區(qū)域（見圖1），采用EDS分析每個區(qū)域的K元素含量。利用X射線衍射儀檢測坩堝底部侵蝕變質(zhì)層0~10mm區(qū)域物相組成。

 

2、結(jié)果與討論

1）侵蝕試驗后的外觀分析

從4種坩堝堿侵蝕后外觀照片發(fā)現(xiàn)：硅莫磚1680、硅莫磚1550和低鋁莫來石磚M55無裂紋出現(xiàn)，抗堿侵蝕性能優(yōu)良；而抗剝落高鋁磚JA有貫穿性大裂紋出現(xiàn)，抗堿性能相對較差。

 

2）侵蝕后坩堝底部K元素分布

對坩堝底部緊靠各分區(qū)線分別進行EDS面掃描，測定K元素含量如圖2所示。從圖可以看出：不同樣磚的K元素分布狀態(tài)差異很大，其中，硅莫磚1680和硅莫磚1550中K元素含量變化曲線一致，含量大的在坩堝底部；隨著侵蝕深度增大，K元素含量急劇下降，深度到20mm之后，K元素含量接近1%（w），且不再變化?？箘兟涓咪X磚JA和低鋁莫來石磚M55中，K元素含量分布曲線較為相似?？箘兟涓咪X磚JA在0、5和10mm處的K元素含量比較高；低鋁莫來石磚M55中，K元素含量高點在0和5mm處。這兩種樣磚中K元素達到高值后，隨著遠離坩堝孔底部，K元素含量急劇下降；抗剝落高鋁磚JA在30mm后，鉀元素含量接近1%（w），且不再變化；低鋁莫來石磚M55在20mm后鉀元素含量接近1%（w），且不再變化。硅莫磚的抗堿侵蝕性能與碳化硅的引入及硅莫磚的顯氣孔率有關(guān)。碳化硅高溫下氧化生成的二氧化硅在耐火磚表面與碳酸鉀反應(yīng)生成玻璃相形成致密層，可有效抑制K元素的侵蝕滲透，使得K元素集中在磚表面區(qū)域?？箘兟涓咪X磚及低鋁莫來石磚有較高的顯氣孔率，氣孔為熔融態(tài)碳酸鉀提供了快速滲透通道。碳酸鉀沿氣孔進入磚內(nèi)部，一部分堿在高溫下與磚反應(yīng)形成霞石或白榴石等礦物，霞石或白榴石的生成產(chǎn)生大的體積膨脹造成磚體開裂；另一部分堿沿氣孔深入磚體內(nèi)部，并隨溫度降低沉積。當磚體外表面由于裂紋出現(xiàn)剝落時，K元素富集區(qū)溫度升高，與耐火材料發(fā)生反應(yīng)繼續(xù)生成霞石及白榴石礦物，造成磚體內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。顯氣孔率高的抗剝落高鋁磚在同一深度的K2O含量較顯氣孔率低的低鋁莫來石磚更高，且其K元素在表面區(qū)域富集量更大。

 

3）侵蝕層0~10mm區(qū)域微觀結(jié)構(gòu)及物相組成分析

硅莫磚1680

圖3為堿侵蝕后硅莫磚1680侵蝕層0~10mm區(qū)域不同倍數(shù)下的SEM照片。從圖3（a）觀察發(fā)現(xiàn)：接觸K2CO3的坩堝底部表層結(jié)構(gòu)致密，大顆粒邊緣部分區(qū)域出現(xiàn)裂紋。從圖3（b）觀察看出：基質(zhì)中礬土顆粒邊緣被侵蝕明顯，碳化硅無明顯變化。

 

圖4為硅莫磚1680侵蝕層0~10mm區(qū)域的XRD圖譜?？梢钥闯觯浩湮锵嘟M成主要為剛玉、莫來石和碳化硅，K元素存在于玻璃相中。可見在高溫下硅莫磚基質(zhì)中礬土易被堿侵蝕，礬土與碳化硅氧化生成的二氧化硅與鉀反應(yīng)生成液相，液相填充硅莫磚孔隙，封閉耐火磚與堿接觸區(qū)域的氣孔和裂隙，形成致密層，阻礙K元素進一步滲透。

 

·抗剝落高鋁磚JA

抗剝落高鋁磚JA堿侵蝕后坩堝底部0~10mm區(qū)域微觀結(jié)構(gòu)照片見圖5。從圖5（a）觀察發(fā)現(xiàn)：坩堝底部表層結(jié)構(gòu)變得致密，礬土顆粒被侵蝕現(xiàn)象明顯，基質(zhì)中顆粒結(jié)構(gòu)變得不明顯。從圖5（b）觀察看出：基質(zhì)顆粒邊緣變得非常模糊，氣孔或晶界填充大量的淺顏色新相?？箘兟涓咪X磚JA顯氣孔率高，碳酸鉀沿氣孔或晶界進入磚體侵蝕試樣內(nèi)部，侵蝕深度大。對侵蝕層進行物相分析，發(fā)現(xiàn)侵蝕層有鉀霞石生成（見圖6）。大量鉀霞石的生成造成體積膨脹，導(dǎo)致抗剝落高鋁磚產(chǎn)生大的貫穿裂紋。

 

圖6：抗剝落高鋁磚JA侵蝕層0~10mm區(qū)域的XRD圖譜

 

低鋁莫來石磚M55堿侵蝕后坩堝底部0~10mm區(qū)域微觀結(jié)構(gòu)照片見圖7。從圖7（a）可以看出：低鋁莫來石磚M55坩堝底部表層結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生少量的裂紋，結(jié)構(gòu)也變得致密，但與抗剝落高鋁磚差異較大。高倍下（見圖7（b））觀察，致密莫來石顆粒邊緣也產(chǎn)生較為明顯侵蝕，可見碳酸鉀對低鋁莫來石磚也形成一定侵蝕和滲透作用，但相對于抗剝落高鋁磚明顯改善。由衍射圖譜中（見圖8）可知：侵蝕層主要物相為莫來石和少量未發(fā)生轉(zhuǎn)化的紅柱石，同時也存在少量的鉀霞石。低鋁莫來石磚M55中采用的原料為莫來石均質(zhì)料和紅柱石為原料，莫來石均質(zhì)料結(jié)構(gòu)致密，含有一定量的高硅非晶相，高溫下鉀融入非晶相形成高黏度玻璃相；同時，紅柱石分解形成的非晶態(tài)SiO2吸收部分碳酸鉀也生成高黏度玻璃相，并由其封閉耐火磚侵蝕層，阻礙K元素的滲透。少量的碳酸鉀與莫來石反應(yīng)生成鉀霞石，鉀霞石的生成量低，產(chǎn)生的膨脹不足以破壞磚體結(jié)構(gòu)，因此，低鋁莫來石磚M55表現(xiàn)出良好的抗堿侵蝕性能。

 

3、結(jié)論

（1）硅莫磚1680、硅莫磚1550中因碳化硅加入及部分氧化成二氧化硅填充氣孔，可顯著降低堿的侵蝕，抗堿侵蝕性能優(yōu)良。堿侵蝕試驗后K元素主要集中在侵蝕面區(qū)域，隨著距離增加，K元素含量急劇下降。

 

（2）市售抗剝落高鋁磚JA的顯氣孔率高，抗堿侵蝕性能差，堿侵蝕深度達到10mm，侵蝕層中K元素含量（w）達到20%~25%，生成大量的鉀霞石導(dǎo)致磚體開裂。

 

（3）低鋁莫來石磚M55顯氣孔率低，所用莫來石均質(zhì)料和紅柱石原料結(jié)構(gòu)致密，基質(zhì)中一定數(shù)量的高硅非晶相可以吸收堿生成高黏度玻璃相進一步封閉氣孔，堿侵蝕深度只有5mm，堿侵蝕生成鉀霞石數(shù)量相對較少，不足以破壞磚體結(jié)構(gòu)，抗堿侵蝕性相對較好。