一、摘要：
　　 本文通過對耐磨骨料、耐磨填料、高溫粘結劑以及耐磨材料的制做工藝的研究——試驗——分析，從理論上解決了低溫熔相法燒結耐磨陶瓷的可行性和實踐性，通過這項技術充分利用了循環(huán)流化床鍋爐燃燒循環(huán)系統(tǒng)的高溫環(huán)境（900—1100℃）進行燒結，這種變有害為有利，變被動為主動的科學的逆向思維，具有很高的應用價值。利用我們生產的這種耐磨陶瓷材料，采用低溫熔相法燒結技術能使搗打方法和預制磚塊的方法形成整體性、結晶性，不僅解決了開裂、脫落的問題，而且也大大增加了其耐磨性能，減少了維修工作量、停爐時間和次數。通過兩年多的使用，其結果是令人滿意的。
關鍵詞：
　 熔相法、耐磨骨料、耐磨填料、共熔性、結晶性、整體性
二、問題的提出
　 眾所周知循環(huán)流化床鍋爐技術是近二十年來迅速發(fā)展起來的一項高效低污染清潔燃燒技術。國際上這項技術在電站鍋爐、工業(yè)鍋爐和廢棄物利用等領域已得到廣泛的應用。國內在之方面的研究、開發(fā)和應用也是方興未艾，已有近千臺循環(huán)流化床鍋爐投入運行或正在制造之中�？梢灶A見，未來的幾年將是循環(huán)流化床鍋爐飛速發(fā)展的一個重要時期。但是這種鍋爐存在的最大問題是磨損嚴重，尤其是循環(huán)流化床鍋爐的水冷壁和燃燒循環(huán)系統(tǒng)的磨損更為嚴重。
1、耐熱金屬材料
　 耐高溫耐磨鑄鋼雖然制做安裝方便，但在高溫工況中（1000℃以上），其耐磨性能大大降低，使用周期短而且造價昂貴。
2、非金屬材料
　 目前在這方面所使用的非金屬材料主要有剛玉磚、碳化硅磚、高鋁磚以及硅酸鹽材料的各種磚和搗打料（澆注料、可塑料）。非金屬材料的顯著特點是既耐高溫又耐磨。一般地說非金屬材料在1000℃ 左右正常使用，其耐磨性能接近于常溫下的耐磨指標，是一種既廉價又耐高溫耐磨的理想材料。
　 在國內制做方法主要有兩種，其一搗打法（澆注料、可塑料），按一定配方的級配將剛玉砂或碳化硅砂、粉體材料、不銹鋼纖維絲、固化劑和高溫粘結劑搗打而成，這種方法可以搗打成各種形狀，更適合于不定形制做，采用搗打剛玉的方法是借鑒于高溫玻璃熔窯的施工方法，玻璃熔窯溫度很高，一般都在1450℃以上，因此剛玉、碳化硅搗打料在此長期高溫狀態(tài)下，已形成熔相法燒結剛玉，整體性、結晶性能都非常好，可以說與燒結剛玉磚質量不相上下（因為燒結剛玉磚雖然在1600℃以上高溫下進行燒結，但它是短時間燒結，因此整體性、熔相性、結晶性較差）。所以說在流化床鍋爐的水冷壁以及燃燒循環(huán)系統(tǒng)內溫度一般都在900—1100℃之間，所以剛玉搗打料不可能達到熔相法燒結，形成不了整體性和結晶性，僅靠磷酸粘結劑的粘結強度是不夠的，尤其在長期高溫下磷酸鹽的粘結強度將下降到不足30%。因此搗打料（澆注料、可塑料）極易開裂脫落，這也是搗打料在水冷壁上使用的最大問題。其二是定型結構磚 燒結，即按圖紙加工，用耐熱不銹鋼螺栓進行安裝。優(yōu)點是安裝、維修更換方便，缺點是價格高，尤其當剛玉磚存在質量問題和不銹鋼螺栓磨損后，剛玉磚掉落到沸騰爐床面上時，將對風帽、風碗（接管）加速磨損，如不能及時停爐將造成事故。
三、采用低溫熔相法燒結耐磨陶瓷
　 鑒于上述存在的問題，我們做了大量的具有針對性的研究工作，如何能使搗打（澆注料、可塑料）方法的耐磨材料或者預制的磚塊，在900—1100℃之間（也就是在循環(huán)流化床鍋爐膛內）能夠進行熔相法燒結，結晶成一整體，首先根據不同材質的低溫共熔的屬性，進行了材料的配方和制作工藝的試驗。
1、配方的設計
　 非金屬材料在不同的環(huán)境下能形成多種晶相，而不同晶相組成的材料其理化性能是千差萬別的，例如金剛石的元素是C，當C粉在高溫、高壓和還原氣氛下能生成金剛石晶體，而在常溫、常壓狀態(tài)下生成的石墨，其硬度和耐磨性能是無法和金剛石相提并論的。所以說設計配方的出發(fā)點是如何能設計出在900—1100℃之間能形成低溫共熔，又能在結晶劑的誘導下進行結晶。我們設計的主晶相為透輝石（Ca（Mg.Fe）［Si2O6］）和莫來石（3Al2O3.2SiO2)，主要成分為 CaO—MgO— Al2O3—SiO2 系，其中 MgO— Al2O3— SiO2 三元系統(tǒng)相圖中的玻璃形成區(qū)域的含量范圍在Al2O3：5—22%， SiO2：53—68%，MgO：20—42%。在 CaO— Al2O3— SiO2 三元系統(tǒng)相圖中的玻璃形成區(qū)域的含量范圍

 
是 CaO：20—70%， SiO2 ：0—40%，Al2O3：0—45%。以上兩個玻璃形成區(qū)域也分別是低溫共熔區(qū)域，當然也是析出透輝石（Ca（Mg.Fe）［Si2O6］）和莫來石（3Al2O3.2SiO2)主晶相區(qū)的化學組成。為了降低他們玻璃形成區(qū)的液相溫度，我們增加了一定量的堿金屬離子作為助熔劑，再加入晶核劑（結晶劑）。通過正交試驗篩選出較好的配方組成。對該配方所做的式樣進行理化性能指標測試，所得結果見下表一 ： 表一）

2、制作工藝
　 一副科學合理的配方故然重要，但如果沒有一個相對應的制作工藝也是不能夠實現(xiàn)的。
　 A、耐磨骨料的制作工藝：配料—混合—熔制—核化、保溫—退火—破碎篩分
　 核化保溫：核化保溫是一個重要的工藝手段，這也是在試驗過程中發(fā)現(xiàn)分析后得到的一個成果。核化保溫是為了使耐磨骨料形成均勻致密的“結晶中心”或者說叫“晶芽”，為以后形成晶體或者說較快形成晶體作準備；而當核化溫度偏高和保溫時間較長時，耐磨骨料較早形成 晶體，這樣不利于或者說不能實現(xiàn)低溫熔相燒結耐磨陶瓷，因為一旦晶體形成后，它的熔相性 溫度將大大提高，勢必要提高低溫燒結溫度，也就是說在循環(huán)流化床鍋爐內（900—1100℃）不能形成低溫熔相法燒結耐磨陶瓷；而當核化保溫的溫度偏低和保溫時間較短時，晶核劑不能充分核化生長出“晶芽”，這樣不利于以后的晶體形成從而影響機械強度和耐磨性能。
　 熔制制度： 開始我們對所設計的配方沒有進行熔化處理，直接在900—1100℃之間進行燒結，結果是不能形成低溫燒結熔相現(xiàn)象，形成不了熔相性，就不可能形成整體性和結晶性，不僅強度不高，而且粘接強度僅停留在粘接劑產生的強度基礎，和剛玉搗打料一樣容易開裂、脫落。通過高溫熔化處理，上述問題才得到解決。原因是原料按配方混合在一起，僅僅是固相接觸，不可能是熔相接觸。不能形成熔相接觸，就形成不了“低溫共熔”的狀態(tài)。形成不了“低溫共熔”必然導致燒結溫度提高甚至達到1500℃才能實現(xiàn)熔相性接觸，顯然達不到解決問題的目的。
　 B、耐磨填料的制作工藝：配料—混合—熔制—退火—破碎—磨細
　 耐磨填料主要是充填在耐磨骨料之間，而且耐磨填料能和固化劑、高溫粘接劑浸潤攪合在一起，從而起到耐磨填料的作用，增加早期的粘結強度，在高溫燒結時，首先耐磨填料實現(xiàn)熔相性，排除填料間和固料間的氣體，近一步起到連接骨料間的橋架作用，當骨料中的晶體進一步發(fā)育長大時，首先以樹枝狀的“晶芽”趨向熔相后的填料中，逐漸使骨料與填料、骨料與骨料形成一個結晶的整體性，不僅增加了骨料的強度，更重要的是提高骨料間的整體強度，由初期靠粘結劑粘結起來的強度，在低溫熔相法燒結中，形成了晶體之間的化學鍵力，這是質的飛躍。
　 C 、高溫粘結劑
　 在粘結劑的選擇上,我們做的探索不亞于對配方的研究,最終選擇的粘結劑實際上是對配方的補充,因為我們選擇的粘結劑不僅僅是它在常溫時起到粘結作用,而且在低溫熔相燒結時它又起到助熔劑和礦化劑的的作用,在結晶過程中它起到了降低晶體周邊的粘度,更加促進了晶體生長。粘結劑重量的75%都參與熔相燒結和晶體生長，25%以氣體的形式逸出。3、使用方法：可采用搗打（澆注料、可塑料）法和預制磚法，同前所述用低溫熔相法燒結耐磨陶瓷按圖加工成磚、塊，不需要燒結，在進行預制磚安裝時，磚與磚之間用耐磨填料膠泥（填料+粘結劑拌合而成）進行粘接。在鍋爐使用進行煮爐時，也就是低溫熔相法燒結耐磨陶瓷的過程。開始時，先在靠近爐膛（近火面）進行低溫熔相燒結，隨著使用時間的延長，低溫熔相法燒結的程度近一步加深使其熔相性、整體性、結晶性越好。通過在貴州老屋基電廠35噸循環(huán)流化床鍋爐上兩年多的使用，其粘接性能和整體性非常好，用風鎬把材料打下來進行化驗分析（其性能指標均優(yōu)于我們試驗指標，見表一），在靠近水冷壁和中間層發(fā)現(xiàn)有5mm左右的球形晶體的形成，密度增加應該是在熔相法的過程中氣體排出，在結晶過程中趨向最緊密堆積。更為有趣的是在表面形成一層富硅相，可能是靠近火焰溫度高，由熔相性可知，外表面具有一定的粘度，矸石灰主要是富含硅、鈣的物質，由低溫共熔原理外表面形成一層富含硅相物質層，也增加了耐磨陶瓷的耐磨性。
四、 結語 ：
　 本項技術已申請國家專利，并在循環(huán)流化床鍋爐上得到實際應用，取得了良好的效果。為了使該項技術能得到更廣泛的推廣和應用，我們利用“低溫熔相法燒結耐磨陶瓷”技術，可進行研制生產出功能性陶瓷，根據不同的環(huán)境和使用目的，可以生產出不同膨脹系數和導熱系數的功能性陶瓷。當需要作為耐高溫、耐磨損、隔熱材料時，就設計出導熱系數小的耐高溫耐磨陶瓷；當需要高導熱率時就設計出耐高溫耐磨的高導熱系數的高溫耐磨陶瓷。本材料的基礎組成與大多數的非金屬材料在高溫狀態(tài)下都具有浸潤性和粘接性，因此可作為非金屬材料粘接劑，甚至可以焊接在金屬件上。
參考文獻：
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