近年來，隨著新型干法水泥窯向大型化方向發展，城市生活垃圾協同處理裝置配套使用，回轉窯系統的工藝溫度有了很大提升，窯內堿富集加劇。水泥窯中低溫區域，如分解爐、煙室、窯頭罩和篦冷機等部位，傳統配置的高鋁澆注料或高鋁碳化硅澆注料不能滿足工藝生產需要，在提高抗堿性、降低熱導率和筒體溫度等方面仍有很多研究工作需要開展。廢舊電瓷長期以來被作為工業垃圾處理，隨著陶瓷行業的發展，廢電瓷數量日益增長，妥善處理廢棄資源具有積極現實意義。本工作主要通過分析電瓷的理化性能、微觀結構，探討在低水泥澆注料中的使用性能，研制適用于水泥窯中低溫區的新型低水泥澆注料，同時促進工業廢棄資源合理利用。電瓷材料在我國應用較廣泛，用后的廢棄電瓷堆積成山，污染環境。而電瓷廢料中含有大量的Al2O3和SiO2，具有制備耐火材料所需的主要成分。電瓷一般分為低壓電瓷和高壓電瓷，其中低壓電瓷服役電壓通常在1000伏以下，在低壓通訊線路中應用廣泛[7]?；谖覈r工業的發展現狀，低壓電瓷的使用量逐年攀升。依據國家電網的數據統計，我國低壓電瓷的消耗量比高壓電瓷的消耗量高上2~4倍。高壓電瓷材料常用于高壓輸變電線路，其材質為無機絕緣材料。電瓷行業習慣將高壓電瓷分為普通電瓷和高強度瓷，高強電瓷材料又分為高硅質電瓷材料和鋁質電瓷材料。電瓷的化學組成見表1。
從化學成分來看，兩種電瓷均偏向于黏土材質，其中高壓電瓷接近焦寶石質，只是氧化鐵含量偏高。由于電瓷在生產過程中施釉，鉀鈉含量較高，且顆粒越小鉀鈉含量越高。受化學成分影響，即便采用高壓灌漿成型或等靜壓成型，電瓷體積密度仍不高，低壓電瓷明顯低于三級礬土標準體密(2.58g·cm-3)，高壓電瓷則較為接近。電瓷的物理性能見表2。
對低壓電瓷和高壓電瓷做顯微分析，由圖1至圖4可以看到，電瓷斷口則銳利，氣孔細小，分布廣泛、均勻。其中高壓電瓷氣孔孔徑約3~8μm，低壓電瓷氣孔孔徑約5~10μm。
電瓷利用還原焰燒成，燒成溫度1280~1350℃，通過差熱分析，在985.2和1384.7℃時有兩個放熱峰出現，分別與理論一次莫來石化和二次莫來石化的溫度區間吻合。分別對低壓電瓷和高壓電瓷做顯微分析，從圖5和圖8可以看到，電瓷中有大量莫來石相，且分布均勻。不同之處在于，低壓電瓷的莫來石晶相發育較小，玻璃相多，尚不能突破液相包裹。高壓電瓷中莫來石晶型粗大，交錯分布，在低倍電鏡下即可分辨。
從圖9、圖10衍射圖譜可以看到，低壓電瓷主晶相以莫來石、石英為主。高壓電瓷主晶相以剛玉、莫來石和石英為主，反應了兩種電瓷配方組分的不同。
結合電瓷的生產工藝、物相組成和微觀結構，認為電瓷材料是最早誕生的均化料，引領了近年來礬土均化料的理論和生產基礎，可稱之為黏土質低鋁莫來石均化料。所不同的是由于電瓷含有長石和釉料，使用溫度和使用條件受到一定限制。以特級高鋁礬土(≤1、1~3、3~5、5~8、≤0.074mm)、低壓電瓷(≤1、1~3、3~5、5~8mm)、高壓電瓷(≤1、1~3、3~5、5~8mm)、SiO2微粉(d50=0.15μm)、結合劑Secar68水泥(≤0.088mm)為原料，以低水泥高鋁澆注料為基礎配方，引入30%(w)電瓷骨料，分析試樣的燒后狀態、微觀結構。主要原料的化學組成見表3。
本試驗設計以低水泥高鋁澆注料為基礎配方，分別加入30%(w)低壓電瓷和高壓電瓷骨料，編號為試樣D1和試樣D2，實驗方案目標應用于水泥窯分解爐、煙室、窯頭罩和篦冷機等部位。配料按常規工藝混煉均勻后，外加6%~6.5%(w)的水攪拌3min，振動成型為40mm×40mm×160mm試樣，次日脫模后放入恒溫恒濕養護箱(25℃、濕度98%)中養護24h，在干燥箱內于110℃保溫24h。然后將試樣經1250、1300和1350℃保溫3h熱處理。按GB/T5988—2007檢測燒后線變化率。按GB/T2977—2000檢測體積密度、顯氣孔率。將尺寸φ50mm×50mm的試樣經1100℃保溫3h熱處理后，按YB/T2203—1998檢測荷重軟化開始溫度(T0.6)。將尺寸65mm×114mm×230mm的試樣經1100℃保溫3h熱處理后，按YB/T2206.2—1998檢測熱震穩定性。對試樣進行顯微結構分析(SEM)。從圖11、圖12可以看到，試樣D1經1250℃燒后，表面少量低壓電瓷爆裂，有釉斑熔融析出，且隨著溫度升高，上述現象略有增多，1350℃時局部有較明顯熔蝕現象。試樣D2經1250~1350℃燒后，沒有釉斑析出，外觀與普通澆注料一致。從化學成分看，低壓電瓷和高壓電瓷的鉀鈉含量均較高，分別為3.70%和2.73%(w)，而試樣D2燒后表面沒有釉斑析出，表明采用高溫釉燒成。
從試樣斷口看(見圖13、圖14)，試樣內部低壓電瓷和高壓電瓷外觀完好，沒有明顯低熔物，表明基質組分對電瓷顆粒起到了一定保護作用，在一定溫度范圍內，電瓷骨料具有安全使用的良好條件。
從燒后線變化率看(見圖15)，試樣D1和D2體積穩定性好，并無明顯收縮或膨脹，特別是試樣D2，在沒有莫來石或三石組分的情況下，仍具有較小的線收縮率。
上述結果表明，試樣D1和D2在中溫條件下具有良好的線變化率、體積穩定性和耐高溫性。其中應限制低壓電瓷在1300℃以下長期使用，避免試樣表面因長石造成瓷粒爆裂和熔融，同樣滿足水泥窯中低溫區的工藝要求。而試樣D2的荷重軟化溫度(T0.6)達到1462℃，則適用溫度范圍更寬，可以擴大研究應用領域。試樣D1和試樣D2的110℃烘干體積密度分別為2.45和2.51g·cm-3，替代特級高鋁礬土后(非等比例)，試樣體積密度則有較大幅度降低，這是由于高壓電瓷體積密度略低于三級礬土，而低壓電瓷則明顯低于三級礬土。從圖16可以看到，試樣烘干體積密度較特級高鋁試樣標準體密(2.70g·cm-3)分別降低9.3%和7.0%，下降幅度非常大。從節能降耗角度來看，材料體積密度越小，熱導率越低，對于降低窯爐熱損失有積極作用。
試樣D1和試樣D2經1300℃保溫3h熱處理后的SEM照片見圖17至圖22?？梢钥吹?，電瓷顆粒邊緣與基質界面清晰，由于電瓷致密，破碎面平整，與漿體親和力差，降低了基質結合強度。另一方面，電瓷氣孔分布極廣，斷面的微觀結構呈鋸齒狀，反而又促進了基質結合。試樣通過高溫煅燒，不同組分間熱膨脹系數差異性得到體現，電瓷顆粒周圍和基質交界處產生部分裂紋，有利于電瓷克服破壞性熱應力，提高熱震穩定性。而與基質同組分的莫來石顆粒周圍則緊密連接，體現出不同組分的結合特性。從組分間化合反應來看，試樣在1100℃以后，由于硅微粉熔融軟化，基質內部開始出現液相。由于煅燒時間短，硅微粉雖然對顆粒和氧化鋁微粉有浸潤，而電瓷或特級礬土個體仍處于較獨立狀態，不能形成穩定而明顯的二次莫來石結合。即便如此，電瓷作為富莫來石相，熱膨脹系數具有差異性，仍賦予試樣一定變化，對熱震的改善有積極作用，在此不以“瓷”來衡量電瓷，而是把它作為一種黏土質低鋁莫來石均化料對待。
以試樣D1和試樣D2做1100℃水冷熱震試驗，圖23是第28次時照片?？梢钥吹?，試樣裂紋較少且細小，沒有開口裂紋和掉塊現象，表現出良好的抗熱震性，一改傳統認為瓷類原料熱震穩定性差的觀點。當然，熱震性優劣需結合骨料級配、燒成溫度、強度、熱膨脹率和導熱系數等綜合因素考察，在特定使用條件下，可以通過技術調整改善，以達到綜合性能優良的目的。
圖23 試樣D1和試樣D2在1100℃水冷熱震照片電瓷材料作為優質耐火原料，是對傳統耐火原料的有益補充，在水泥窯低水泥澆注料中用于中低溫條件，有以下幾個特點：
(1)電瓷具有富莫來石相結構，氣孔分布均勻、氣孔率低、質地均勻，從成型工藝到微觀結構是礬土均化料的引領者，可定義為粘土質低鋁莫來石均化料。(2)電瓷在生產過程中施釉，低壓電瓷所用釉料熔點低，使用溫度受到限制，建議長期安全使用溫度在1300℃以下。高壓電瓷使用溫度高于1350℃，可拓寬使用領域。(3)在低水泥澆注料中，利用電瓷富莫來石結構，熱膨脹系數差異等特點，通過合理配比，可以獲得良好的體積穩定性和熱震穩定性。(4)低水泥電瓷澆注料具有體積密度小、導熱系數低的特點，能夠減少耐火材料使用消耗量，降低窯爐設備熱損失。(5)電瓷用于耐火材料，即可減少廢電瓷堆積，占用場地，產生資源浪費，通過替代鋁礬土，能夠減少礦產資源消耗和能源消耗，節能減排。
來源：濮陽濮耐高溫材料（集團）股份有限公司
