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采用纳米材料增韧提高浇注料在喷煤管使用中应力，提高使用寿命。......
目前的窑口及喷煤管部位主要以使用高性能浇注料为主。
窑口浇注料，一般是使用刚玉、莫来石及铝矾土级浇注料，使用寿命多数一般为3-10个月。大多数情况下，由于材料本身的质量限制及施工、操作等方面的原因，3-10个月就需要重新修筑。无法同冷却带砖保持同步，严重影响回转窑的生产效率。
回转窑转速为每分钟3-4周，也就是说，窑口浇注料每分钟要承受3-4次约1400℃的高温物料的加热、磨损。同时每分钟承受3-4次的冷热交替。反复的热应力导致材料产生裂纹、剥落，以及材料的结合强度降低，材料疏松。而浇注料的疏松又为水泥物料的侵蚀及磨损提供了前提，导致材料损毁加剧，寿命降低。
目前的喷煤管浇注料也多为刚玉、莫来石等材质，使用寿命一般为3-10个月，出现损毁也主要是热震性不好导致的剥落以及碱侵蚀、碱剥落等。
二、窑口及喷煤管用纳米强化增韧型浇注料的研制
1、窑口及喷煤管用纳米强化增韧型浇注料使用中的温度及应力场的计算机模拟
水泥窑窑口浇注料及喷煤管浇注料损毁的主要因素为热震损毁，而与热震损毁最直接相关的即是材料高温下的应力，较大的热应力将直接导致材料在冷热交替过程中的热震损毁。为此，我们首先借助于Ansys软件对该类材料高温下的温度及应力场分布进行计算机模拟，以便弄清楚该类材料的损毁原因。
1.1窑口用刚玉浇注料的温度及应力场
目前窑口常用的刚玉质浇注料使用中的温度场及热应力场如下图1、图2。
刚玉质浇注料的最大优点即是硬度高，强度大，耐磨性好，但是，该材料的韧性较差，也就是说，弹性模量高、泊松比较小；此外，该材料的高温线膨胀率较高，也将导致该材料的高温下的热应力较大。由图2看出，该浇注料使用中的最大应力为135MPa，而温度处于900-1300℃之间。135MPa的应力将使该温度下的刚玉质浇注料难以承受，导致材料的组织结构应力破坏，裂纹出现、强度降低，如此，将导致材料的抗磨损性降低，大裂纹的出现也将导致结构剥落损毁。这也就是尽管目前的刚玉质材料强度较高，但是使用寿命并不高的主要原因。
从上述刚玉质浇注料使用中的应力场看出，如果能够强化浇注料的韧性，降低材料的弹性模量，则浇注料的使用性能将得到大幅度的提高。我们知道，纳米材料可以明显改善材料的微观组织结构，强化材料的断裂韧性，所以，改善窑口及喷煤管浇注料的使用性能就可以通过引入少量的纳米氧化铝粉体来增加韧性。图3、图4即是以棕刚玉为主要原料，同时引入纳米氧化铝增韧的浇注料使用中的温度及应力场。表1为目前的刚玉质浇注料及纳米强化型浇注料的理化指标。
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理化指标 |
刚玉质浇注料 |
纳米强化型浇注料 | |
|
化学成分，% |
Al2O3 |
92.2 |
66.53 |
|
体积密度，g/cm3 |
3.0 |
2.8 | |
|
弹性模量,GPa |
19 |
8 | |
由图3、图4的温度场及应力场即可看出，纳米强化增韧型浇注料的最高应力仅仅为67.8MPa，同上述的窑口及喷煤管用刚玉质浇注料135MPa的应力相比降低了一半。而这个应力800-1200℃ 的温度范围内还是可以承受的，也不会出现类似于现有刚玉质浇注料的大的裂纹、结构剥落机耐磨损性降低等情况，这样就避免了剥落及过度磨损，如此，纳米强化增韧型的该类浇注料的使用寿命将大幅度提高。
1.2喷煤管浇注料的温度场及应力场
目前的以刚玉质浇注料（如表1中）施工的喷煤管的温度场及应力场图5、图6。
从图5及图6看出，刚玉质喷煤管使用中的最高应力为155MPa，类似于刚玉质窑口浇注料的高温应力。较高的热应力将使材料出现高温挤伤及断裂而导致过早损毁。图7即为目前的刚玉质浇注料使用中的损毁状况。热应力导致该喷煤管出现较多的径向、轴向裂纹。
纳米增韧型喷煤管浇注料的（如表1中）的温度及应力场如图8及图9。
同窑口一样，强化增韧后的喷煤管浇注料的高温应力明显降低，最大应力仅为51.1MPa，相当于原刚玉质浇注料的最高应力的1/3，所以，就增韧后的浇注料而言，其出现裂纹的可能性大大降低，从而避免了使用中的裂纹剥落，保持了材料的整体稳定性，这对充分发挥材料的有效使用量是非常关键的，也在一定程度上保证了高寿命。
2、碱渗透的抑制
窑口及喷煤管浇注料使用中除受到高温应力外，材料表面还主要受到碱气氛的侵蚀。浇注料因碱蒸汽的渗入形成霞石、白榴石等将使材料表面出现碱裂和剥落，导致其损毁加快，所以，增强窑口及喷煤管浇注料的使用寿命也要非常注重减缓碱蒸汽的渗入。
对于高氧化铝含量的刚玉质浇注料而言，其耐碱裂的性能相对要差些。图7为喷煤管用刚玉质浇注料的使用中的照片图，从图中看出，喷煤管浇注料外周因碱蒸汽的侵蚀而出现层状剥落损毁。
我们知道，作为耐碱侵蚀好的材料是低铝材料，由于Al2O3-SiO2系材料通过与碱蒸汽形成熔融釉层阻止其渗入，所以，该窑口及喷煤管浇注料也可以借鉴该原则。目前刚玉质浇注料及纳米增韧型浇注料的基质的化学分析如表2。
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化学成分，% |
刚玉质浇注料 |
纳米强化型浇注料 |
|
Al2O3 |
83.27 |
68.4 |
|
SiO2 |
3.93 |
28.5 |
无论对于窑口浇注料还是喷煤管浇注料，只要是不发生裂纹剥落，不产生碱侵蚀性层状剥落，其使用性能就能得到保证。这也是纳米强化增韧型浇注料研制的主要出发点。
研制后的纳米强化型浇注料及普通刚玉质浇注料的部分理化指标如表3。
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理 化 指 标 |
普通刚玉质浇注料 |
纳米强化型浇注料 | |
|
Al2O3 |
92.2 |
66.53 | |
|
抗折强度，MPa |
110℃×24h |
9.3 |
12.3 |
|
1100℃×2h |
11.5 |
14.3 | |
|
1500℃×2h |
13 |
18.6 | |
|
耐压强度，MPa |
110℃×24h |
108 |
140 |
|
1100℃×2h |
110 |
158 | |
|
1500℃×2h |
140 |
160 | |
|
烧后线变化，% |
1100℃×2h |
-0.3 |
0 |
|
1500℃×2h |
-0.59 |
-0.26 | |
|
弹性模量，GPa |
19 |
8 | |
三、使用实践
就目前水泥窑窑口及喷煤管浇注料而言，普遍采用刚玉系列浇注料；引入纳米强化该部位浇注料的性能还属首次。经过冀东水泥扶风有限责任公司等单位使用证明，该浇注料在4000吨/日的水泥窑上使用达到了14个月；在喷煤管上使用达到了10月的高纪录，目前仍在继续使用，其间不产生任何剥落损毁，表面光滑无裂纹，效果非常好。
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