在輕質(zhì)耐火材料中，以溫度在900℃〜1200℃的中溫隔熱材料用量最大最廣泛。漂珠磚是這一檔輕質(zhì)磚的杰出代表。由于漂珠磚生產(chǎn)簡(jiǎn)單，強(qiáng)度高，保溫性能好，幾乎替代了硅石和輕質(zhì)粘土磚，占據(jù)了絕大部分輕質(zhì)磚市場(chǎng)，目前生產(chǎn)用漂珠是從粉煤灰中分選出來(lái)的，分選難度大，效率低，且只占粉煤灰重量的1〜5%。大部分熱電廠由于煤種及鍋爐燃燒方式等原因沒(méi)有漂珠，這樣漂珠來(lái)源有限，難以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，致使價(jià)格高達(dá)800~1000元/t，給生產(chǎn)漂珠磚廠家造成很大經(jīng)濟(jì)壓力。我們?cè)诔晒ρ芯科榇u的基礎(chǔ)上，直接利用電廠優(yōu)質(zhì)粉煤灰制備出粉煤灰輕質(zhì)隔熱耐火磚。
輕質(zhì)耐火磚對(duì)粉煤灰質(zhì)量的要求
粉煤灰主要成分為氧化硅、氧化鋁，其次是游離炭，礦物組成主要是具有較高硬度和熔點(diǎn)的玻璃體(約占70-80%)及少量結(jié)晶礦物石英和莫來(lái)石與磁鐵礦，容重一般為650- 750kg/3。
根據(jù)煤的品種和燃燒條件等差異，粉煤灰的性狀和物理化學(xué)性質(zhì)也有很大差異。從化學(xué)成分及礦物組成看，選擇低鐵(Fe2O3<5%)、低碳(C<8%)、高Al2O3含量的優(yōu)質(zhì)粉煤灰制輕質(zhì)隔熱耐火磚是可行的。
粉煤灰顆粒主要由多孔玻璃體及少量結(jié)晶體和未燃炭組成，容重較輕，制輕質(zhì)磚時(shí)不需要象制輕質(zhì)粘土磚那樣加大量木屑來(lái)減輕容重，而制品的強(qiáng)度則較高，粉煤灰顆粒均勻有序，不需破碎、粉磨等工序，可以直接利用，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單。
粉煤灰是由瘠性很強(qiáng)的細(xì)粉組成，活性很低，彼此間粘結(jié)性極差，如果按常規(guī)加粘土結(jié)合，由于粘土容重大、結(jié)合力低，需加大粘土量，才能使其結(jié)合。根據(jù)試驗(yàn)，粘土加入量> 30%，磚坯燒后強(qiáng)度才能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，這樣增加了制品的容重和導(dǎo)熱系數(shù)，且收縮大，易產(chǎn)生裂紋。由于粉煤灰中含炭量高，未燃炭大都疏松多孔，磚坯成型烘干后強(qiáng)度很低，因此，尋找一種既有常溫粘結(jié)強(qiáng)度，又有高溫結(jié)合強(qiáng)度的復(fù)合粘結(jié)劑就成為生產(chǎn)中的關(guān)鍵。
試驗(yàn)與結(jié)果
原料
采用的濕排灰，在110℃烘干，化學(xué)成分見(jiàn)表1，粒度與容重見(jiàn)表2。
表1 粉煤灰化學(xué)成分(%)
表2 粉煤灰粒度與容重
配比
摻灰量為60~90%，為減輕體積密度而加入珍珠巖、木屑、硅石或漂珠，其加入量為10〜30%。選用自配的含SiO2的復(fù)合粘結(jié)劑，加入量為5〜10%。該粘結(jié)劑既有常溫及烘干的結(jié)合力，又有高溫?zé)Y(jié)強(qiáng)度。
生產(chǎn)工藝
配料與成型根據(jù)產(chǎn)品牌號(hào)進(jìn)行配料，在攪拌機(jī)中先干混2分鐘，然后加入復(fù)合粘結(jié)劑和水，一般機(jī)壓成型混料水分為15-20%，手工成型混料水分為20-30%，混合后泥料經(jīng)困料或不經(jīng)困料均可成型。成型采用雙面加壓，加壓速度要緩慢。
干燥與燒成 磚坯成型后放置一天，然后進(jìn)行干燥，干燥時(shí)先低溫，后逐漸升溫至110℃充分干燥，干燥后的磚坯在復(fù)合結(jié)合劑的作用下，強(qiáng)度很高。
干燥磚坯在推板窯或隧道窯中燒成階段：
(a) 低溫階段，即室溫〜300℃左右。此階段主要排除磚坯中的機(jī)械結(jié)合水和吸附水。由于磚坯入爐前曾經(jīng)過(guò)干燥，且粉煤灰為瘠性料，故這一階段可以快速升溫。
(b) 氧階段，即 300℃-950℃。600℃以上，炭素氧化，為保證炭素充分燃燒和氣體排放，此階段要緩慢升溫并適當(dāng)保溫，否則會(huì)造成制品黑芯。
(c) 高溫?zé)呻A段，即950℃-1150℃。此階段粉煤灰產(chǎn)生液相，同時(shí)結(jié)合劑中的無(wú)定型SiO2也出現(xiàn)液相，磚坯收縮，產(chǎn)生結(jié)合強(qiáng)度。此階段升溫速度應(yīng)緩慢。
結(jié)果
燒后制品外觀顏色均勻漂亮，邊角整齊，松木坪電廠灰制品呈淡黃色，青山熱電廠灰制品呈深黃色，無(wú)裂紋和崩失現(xiàn)象，斷面組織均勻，其性能指標(biāo)如表3，導(dǎo)熱系數(shù)與強(qiáng)度方面都超過(guò)粘土輕質(zhì)磚國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
表3 輕質(zhì)隔熱耐火磚性能
分析與討論
成型時(shí)的分層現(xiàn)象
粉煤灰輕質(zhì)隔熱耐火磚采用手工成型，往往會(huì)產(chǎn)生分層現(xiàn)象，降低了磚坯的成品率。作者認(rèn)為，這主要是由于粉煤灰顆粒很細(xì)，混合泥料是氣量較高的三相體系，受壓縮的這部分氣體會(huì)產(chǎn)生膨脹，因而破壞了磚坯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。同時(shí)，濕混合料中絕大部分固體顆粒都呈粉狀，對(duì)壓制力的傳遞比較緩慢，物料中的內(nèi)摩擦阻力較大，因而壓制力在磚坯內(nèi)傳遞時(shí)的衰減也較大，若用瞬時(shí)壓制成型法不易壓得均勻密實(shí)。只有在配料中加入一些珍珠巖、硅石等粗顆粒起骨架和排氣作用，同時(shí)，成型時(shí)加壓速度要緩慢并雙面加壓，才能減少分層現(xiàn)象。
含碳量對(duì)制品強(qiáng)度的影響
將青山灰進(jìn)行篩分與水洗，制成含碳量不同體積密度為0.8g/cm3的輕質(zhì)磚，其對(duì)應(yīng)的常溫耐壓強(qiáng)度如表4，從中可以看出，含碳量對(duì)制品的強(qiáng)度影響非常顯著，粉煤灰含碳量越高，制品的強(qiáng)度越低。這是由于碳粒疏松多孔，顆粒一般較粗，成為微骨料，但它本身的耐壓強(qiáng)度很低，同時(shí)又沒(méi)有化學(xué)活性，不能與結(jié)合劑反應(yīng)，磚坯的強(qiáng)度低，在燒成過(guò)程，碳粒被燒掉，留下大量空隙，故成品強(qiáng)度大大降低。制輕質(zhì)磚一般要求粉煤灰含碳量應(yīng)< 8%。
表4 磚坯含碳量對(duì)輕質(zhì)磚抗壓強(qiáng)度影響
熱震穩(wěn)定性
粉煤灰輕質(zhì)磚比漂珠磚的抗熱震穩(wěn)定性好得多，漂珠磚在800℃空冷10分鐘的次數(shù)為0，而粉煤灰輕質(zhì)磚可達(dá)到30次。這是由于粉煤灰的物理性質(zhì)、化學(xué)成分和礦物組成等均類(lèi)似于顆粒形態(tài)多種多樣所致。未燃碳在磚坯鍛燒過(guò)程中被燒掉，留下部分氣孔，這些都有利于制品受急冷急熱時(shí)消除內(nèi)應(yīng)力。從而有較好的抗冷熱沖擊力。漂珠磚主要礦物是空心球形玻璃體，它的脆性大，球內(nèi)被封閉的氣體受冷熱沖擊力作用迅速膨脹，產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致脆裂。
市場(chǎng)與效益
粉煤灰，而粉煤灰是工業(yè)廢渣，用它制輕質(zhì)耐火磚，成本低，制品的性能可與漂珠磚媲美，其抗熱震穩(wěn)定性方面遠(yuǎn)優(yōu)于漂珠磚，不僅可用在冶金、化工、機(jī)械、水泥等工業(yè)窯爐的保溫層，還可用于電爐等的工作層。如按輕質(zhì)耐火磚的價(jià)格代替用量很大的漂珠磚，產(chǎn)品市場(chǎng)廣闊，經(jīng)濟(jì)效益明顯。
我國(guó)目前粉煤灰年排量過(guò)億噸，綜合利用率僅為26%，大部分粉煤灰堆存須修建排渣場(chǎng)或倒入江河湖海。我國(guó)目前粉煤灰堆存量已達(dá)4億噸，占用耕地約80萬(wàn)公頃，利用粉煤灰制造輕質(zhì)耐火磚，則開(kāi)辟了一條粉煤灰綜合利用的新途徑。
結(jié) 論
利用優(yōu)質(zhì)粉煤灰制輕質(zhì)耐火磚，原料來(lái)源廣，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，粉煤灰利用率高，產(chǎn)鋁強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)超過(guò)輕質(zhì)粘土磚的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，抗熱震穩(wěn)定性遠(yuǎn)優(yōu)于漂珠磚，成本低，是替代漂珠磚的理想材料，市場(chǎng)前景好。
影響粉煤灰輕質(zhì)隔熱耐火磚開(kāi)發(fā)的最重要因素是粉煤灰質(zhì)量，應(yīng)選擇高氧化鋁含量、低鐵(Fe2O3<5%)、低碳(C<8%)粉煤灰，并選用結(jié)合力強(qiáng)，且隨溫度升高具有連續(xù)結(jié)合強(qiáng)度的復(fù)合膠結(jié)劑與合適的成型燒成工藝是生產(chǎn)粉煤灰輕質(zhì)磚的關(guān)鍵。