一、摘要：
　　 本文通过对耐磨骨料、耐磨填料、高温粘结剂以及耐磨材料的制做工艺的研究——试验——分析，从理论上解决了低温熔相法烧结耐磨陶瓷的可行性和实践性，通过这项技术充分利用了循环流化床锅炉燃烧循环系统的高温环境（900—1100℃）进行烧结，这种变有害为有利，变被动为主动的科学的逆向思维，具有很高的应用价值。利用我们生产的这种耐磨陶瓷材料，采用低温熔相法烧结技术能使捣打方法和预制砖块的方法形成整体性、结晶性，不仅解决了开裂、脱落的问题，而且也大大增加了其耐磨性能，减少了维修工作量、停炉时间和次数。通过两年多的使用，其结果是令人满意的。
关键词：
　 熔相法、耐磨骨料、耐磨填料、共熔性、结晶性、整体性
二、问题的提出
　 众所周知循环流化床锅炉技术是近二十年来迅速发展起来的一项高效低污染清洁燃烧技术。国际上这项技术在电站锅炉、工业锅炉和废弃物利用等领域已得到广泛的应用。国内在之方面的研究、开发和应用也是方兴未艾，已有近千台循环流化床锅炉投入运行或正在制造之中。可以预见，未来的几年将是循环流化床锅炉飞速发展的一个重要时期。但是这种锅炉存在的最大问题是磨损严重，尤其是循环流化床锅炉的水冷壁和燃烧循环系统的磨损更为严重。
1、耐热金属材料
　 耐高温耐磨铸钢虽然制做安装方便，但在高温工况中（1000℃以上），其耐磨性能大大降低，使用周期短而且造价昂贵。
2、非金属材料
　 目前在这方面所使用的非金属材料主要有刚玉砖、碳化硅砖、高铝砖以及硅酸盐材料的各种砖和捣打料（浇注料、可塑料）。非金属材料的显著特点是既耐高温又耐磨。一般地说非金属材料在1000℃ 左右正常使用，其耐磨性能接近于常温下的耐磨指标，是一种既廉价又耐高温耐磨的理想材料。
　 在国内制做方法主要有两种，其一捣打法（浇注料、可塑料），按一定配方的级配将刚玉砂或碳化硅砂、粉体材料、不锈钢纤维丝、固化剂和高温粘结剂捣打而成，这种方法可以捣打成各种形状，更适合于不定形制做，采用捣打刚玉的方法是借鉴于高温玻璃熔窑的施工方法，玻璃熔窑温度很高，一般都在1450℃以上，因此刚玉、碳化硅捣打料在此长期高温状态下，已形成熔相法烧结刚玉，整体性、结晶性能都非常好，可以说与烧结刚玉砖质量不相上下（因为烧结刚玉砖虽然在1600℃以上高温下进行烧结，但它是短时间烧结，因此整体性、熔相性、结晶性较差）。所以说在流化床锅炉的水冷壁以及燃烧循环系统内温度一般都在900—1100℃之间，所以刚玉捣打料不可能达到熔相法烧结，形成不了整体性和结晶性，仅靠磷酸粘结剂的粘结强度是不够的，尤其在长期高温下磷酸盐的粘结强度将下降到不足30%。因此捣打料（浇注料、可塑料）极易开裂脱落，这也是捣打料在水冷壁上使用的最大问题。其二是定型结构砖 烧结，即按图纸加工，用耐热不锈钢螺栓进行安装。优点是安装、维修更换方便，缺点是价格高，尤其当刚玉砖存在质量问题和不锈钢螺栓磨损后，刚玉砖掉落到沸腾炉床面上时，将对风帽、风碗（接管）加速磨损，如不能及时停炉将造成事故。
三、采用低温熔相法烧结耐磨陶瓷
　 鉴于上述存在的问题，我们做了大量的具有针对性的研究工作，如何能使捣打（浇注料、可塑料）方法的耐磨材料或者预制的砖块，在900—1100℃之间（也就是在循环流化床锅炉膛内）能够进行熔相法烧结，结晶成一整体，首先根据不同材质的低温共熔的属性，进行了材料的配方和制作工艺的试验。
1、配方的设计
　 非金属材料在不同的环境下能形成多种晶相，而不同晶相组成的材料其理化性能是千差万别的，例如金刚石的元素是C，当C粉在高温、高压和还原气氛下能生成金刚石晶体，而在常温、常压状态下生成的石墨，其硬度和耐磨性能是无法和金刚石相提并论的。所以说设计配方的出发点是如何能设计出在900—1100℃之间能形成低温共熔，又能在结晶剂的诱导下进行结晶。我们设计的主晶相为透辉石（Ca（Mg.Fe）［Si2O6］）和莫来石（3Al2O3.2SiO2)，主要成分为 CaO—MgO— Al2O3—SiO2 系，其中 MgO— Al2O3— SiO2 三元系统相图中的玻璃形成区域的含量范围在Al2O3：5—22%， SiO2：53—68%，MgO：20—42%。在 CaO— Al2O3— SiO2 三元系统相图中的玻璃形成区域的含量范围

 
是 CaO：20—70%， SiO2 ：0—40%，Al2O3：0—45%。以上两个玻璃形成区域也分别是低温共熔区域，当然也是析出透辉石（Ca（Mg.Fe）［Si2O6］）和莫来石（3Al2O3.2SiO2)主晶相区的化学组成。为了降低他们玻璃形成区的液相温度，我们增加了一定量的碱金属离子作为助熔剂，再加入晶核剂（结晶剂）。通过正交试验筛选出较好的配方组成。对该配方所做的式样进行理化性能指标测试，所得结果见下表一 ： 表一）

2、制作工艺
　 一副科学合理的配方故然重要，但如果没有一个相对应的制作工艺也是不能够实现的。
　 A、耐磨骨料的制作工艺：配料—混合—熔制—核化、保温—退火—破碎筛分
　 核化保温：核化保温是一个重要的工艺手段，这也是在试验过程中发现分析后得到的一个成果。核化保温是为了使耐磨骨料形成均匀致密的“结晶中心”或者说叫“晶芽”，为以后形成晶体或者说较快形成晶体作准备；而当核化温度偏高和保温时间较长时，耐磨骨料较早形成 晶体，这样不利于或者说不能实现低温熔相烧结耐磨陶瓷，因为一旦晶体形成后，它的熔相性 温度将大大提高，势必要提高低温烧结温度，也就是说在循环流化床锅炉内（900—1100℃）不能形成低温熔相法烧结耐磨陶瓷；而当核化保温的温度偏低和保温时间较短时，晶核剂不能充分核化生长出“晶芽”，这样不利于以后的晶体形成从而影响机械强度和耐磨性能。
　 熔制制度： 开始我们对所设计的配方没有进行熔化处理，直接在900—1100℃之间进行烧结，结果是不能形成低温烧结熔相现象，形成不了熔相性，就不可能形成整体性和结晶性，不仅强度不高，而且粘接强度仅停留在粘接剂产生的强度基础，和刚玉捣打料一样容易开裂、脱落。通过高温熔化处理，上述问题才得到解决。原因是原料按配方混合在一起，仅仅是固相接触，不可能是熔相接触。不能形成熔相接触，就形成不了“低温共熔”的状态。形成不了“低温共熔”必然导致烧结温度提高甚至达到1500℃才能实现熔相性接触，显然达不到解决问题的目的。
　 B、耐磨填料的制作工艺：配料—混合—熔制—退火—破碎—磨细
　 耐磨填料主要是充填在耐磨骨料之间，而且耐磨填料能和固化剂、高温粘接剂浸润搅合在一起，从而起到耐磨填料的作用，增加早期的粘结强度，在高温烧结时，首先耐磨填料实现熔相性，排除填料间和固料间的气体，近一步起到连接骨料间的桥架作用，当骨料中的晶体进一步发育长大时，首先以树枝状的“晶芽”趋向熔相后的填料中，逐渐使骨料与填料、骨料与骨料形成一个结晶的整体性，不仅增加了骨料的强度，更重要的是提高骨料间的整体强度，由初期靠粘结剂粘结起来的强度，在低温熔相法烧结中，形成了晶体之间的化学键力，这是质的飞跃。
　 C 、高温粘结剂
　 在粘结剂的选择上,我们做的探索不亚于对配方的研究,最终选择的粘结剂实际上是对配方的补充,因为我们选择的粘结剂不仅仅是它在常温时起到粘结作用,而且在低温熔相烧结时它又起到助熔剂和矿化剂的的作用,在结晶过程中它起到了降低晶体周边的粘度,更加促进了晶体生长。粘结剂重量的75%都参与熔相烧结和晶体生长，25%以气体的形式逸出。3、使用方法：可采用捣打（浇注料、可塑料）法和预制砖法，同前所述用低温熔相法烧结耐磨陶瓷按图加工成砖、块，不需要烧结，在进行预制砖安装时，砖与砖之间用耐磨填料胶泥（填料+粘结剂拌合而成）进行粘接。在锅炉使用进行煮炉时，也就是低温熔相法烧结耐磨陶瓷的过程。开始时，先在靠近炉膛（近火面）进行低温熔相烧结，随着使用时间的延长，低温熔相法烧结的程度近一步加深使其熔相性、整体性、结晶性越好。通过在贵州老屋基电厂35吨循环流化床锅炉上两年多的使用，其粘接性能和整体性非常好，用风镐把材料打下来进行化验分析（其性能指标均优于我们试验指标，见表一），在靠近水冷壁和中间层发现有5mm左右的球形晶体的形成，密度增加应该是在熔相法的过程中气体排出，在结晶过程中趋向最紧密堆积。更为有趣的是在表面形成一层富硅相，可能是靠近火焰温度高，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、钙的物质，由低温共熔原理外表面形成一层富含硅相物质层，也增加了耐磨陶瓷的耐磨性。
四、 结语 ：
　 本项技术已申请国家专利，并在循环流化床锅炉上得到实际应用，取得了良好的效果。为了使该项技术能得到更广泛的推广和应用，我们利用“低温熔相法烧结耐磨陶瓷”技术，可进行研制生产出功能性陶瓷，根据不同的环境和使用目的，可以生产出不同膨胀系数和导热系数的功能性陶瓷。当需要作为耐高温、耐磨损、隔热材料时，就设计出导热系数小的耐高温耐磨陶瓷；当需要高导热率时就设计出耐高温耐磨的高导热系数的高温耐磨陶瓷。本材料的基础组成与大多数的非金属材料在高温状态下都具有浸润性和粘接性，因此可作为非金属材料粘接剂，甚至可以焊接在金属件上。
参考文献：
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