鋁矽碳化矽耐火材料在水泥迴轉窯中的應用
上世紀九十年代開始，隨著國內水泥工業的不斷發展，新型幹法水泥窯生產規模迅速擴大，迴轉窯生產越來越趨於大型化，3200t、5000t和5000t以上的迴轉窯越來越普遍，窯徑加大，窯速加快，這都給窯用耐火材料帶來了越來越苛刻的要求。這時鋁矽碳化矽耐火材料應運而生，開始作為一個商品名稱應用於水泥窯。隨著研究的深入和技術的推廣，鋁矽碳化矽耐火材料在水泥迴轉窯的應用得到快速發展，目前國內江蘇、河南、浙江等省已有多家耐火材料企業生產各種牌號的鋁矽碳化矽耐火材料，並申請了專利。不過由於各企業技術水平和差異，產品質量也各有不同。
鋁矽碳化矽耐火材料主要應用在大型水泥迴轉窯的前後窯口、上下過渡帶、次燒成帶、冷卻帶和分解帶等部位，可替代尖晶石磚和抗剝落高鋁磚等耐火材料。有的窯簡體除了長約20m的燒成帶用直接結合鎂絡磚、前後窯口各0.8m左右用澆注料外，全部採用鋁矽碳化矽耐火材料(圖1)。
圖1 鋁矽碳化矽耐火材料在水泥迴轉窯應用示意圖
水泥迴轉窯過渡帶承受的溫度在1400℃左右，預熱帶、冷卻帶等部位的溫度比過渡帶要低，燒成帶受窯皮保護，磚面的溫度也不高，而後過渡帶又處在輪帶附近，承受較強的機械應力，很不容易掛上窯皮，並且從生產工藝角度出發，也不希望後過渡帶有任何窯皮和結圈，以保證窯內良好的通風和物料反應空間，這樣該帶襯磚磚面的溫度也將達到1400℃左右。鋁矽碳化矽耐火材料的荷重軟化開始溫度在1500℃以上，可以滿足該帶磚的使用溫度要求，特別是製品結構緻密，由性能優異的礦物如莫來石、碳化矽組成，磚面可以形成連續的SiO2緻密層，阻止了氣體和熔融物的侵蝕。SiC的熱導率高，熱膨脹係數小，使得鋁矽碳化矽耐火材料的抗熱震性好。這些性能特點使鋁矽碳化矽耐火材料不易發生斷裂和剝落，保證了迴轉窯筒體的正常運轉，是過渡帶比較理想的窯用耐火材料。鋁矽碳化矽耐火材料由於具有優異的性能和合理的價格，其應用於水泥迴轉窯的腳步越來越快，正逐步取代原來配置的尖晶石磚、磷酸鹽結合高鋁磚和抗剝落高鋁磚等耐火材料。
水泥迴轉窯用耐火材料的損毀機理
(1)熱應力破壞
水泥迴轉窯中燃燒溫度最高可以達到1700℃，熟料的溫度最高也達到1400℃左右，物料隨著窯旋轉而不斷地翻動，當磚沒有窯皮保護時，磚面的溫度也會隨著窯的旋轉而發生變化，大約會產生200℃的周期性波動，頻繁變化的溫度使襯磚形成了溫度梯度，從而產生熱應力，過渡帶由於溫度變化比較激烈，不易掛上牢固的窯皮，這種作用最為明顯。當熱應力大於襯磚的強度時，磚就會發生破裂剝落。同時隨著水泥窯規模的增大，迴轉窯承受的高溫負荷也逐漸增大，也會促使耐火材料的損毀。因此，對水泥窯用耐火磚熱震穩定性的要求很高。
另外，開窯、停窯導致快速升溫、降溫，也會使磚面產生比較大的熱應力，使磚出現剝落開裂現象。
(2)機械應力破壞
水泥迴轉窯在運轉時，其內部的耐火磚主要受到剪切應力(沿窯的徑向)和擠壓應力(沿簡體方向)這兩種機械應力。
沿窯的徑向的剪切應力形成的來源主要是迴轉窯在運行過程中發生的機械應變。水泥迴轉窯的簡體經綸帶支撐在拖輪上，筒體很大的重量，筒體內的耐火磚、生料或熟料也會加大簡體的負荷，輪帶之間的簡體的橫截面會產生徑向橢圓變形，筒體的水平直徑與垂直直徑之間的相對差值可以達到0.3%，有時甚至可以達到0.6%左右。這樣筒體運轉中每轉一圈，筒體橢圓率都會發生周期性的變化，窯體襯磚也會受到筒體的周期性擠壓以及磚圈內部平衡應力的作用，在疲勞載荷的作用下發生損壞現象。隨著窯徑增大，轉速加快，這種作用還會加劇，燒成帶和過渡帶這種作用最為嚴重。
擠壓應力主要是由於兩個方面的因素：一是由於筒體與水平線成一定角度的傾斜，當窯運轉時窯內物料就會沿著窯尾到窯頭方向運動，這時窯內的耐火磚就會受到兩種作用力的共同作用，分別是物料運動產生的推力和自身重力產生的軸向壓力，導致磚體產生向窯頭方向滑動的趨勢;二是耐火磚高溫下發生熱膨脹形成的作用力，假如烘窯的溫度升高過快，導致耐火磚的膨脹速度大於窯筒體的膨脹速度，簡體就會在一定程度上阻礙耐火磚較快的膨脹從而產生較大的應力，嚴重時耐火磚甚至出現爆裂現象。
此外，製造和安裝過程中的誤差，拖輪調整不當以及窯基礎發生不均勻沉降等，也會使窯體的彎曲超過允許值，使簡體失去直線性和圓整性，產生的機械應力超過耐火材料的承受度後，就會導致襯磚發生鬆動、抽籤等現象。
水泥窯用耐火材料還會受到窯料的磨損，主要可以分為粘著磨損、磨粒磨損和腐蝕磨損三種。高溫情況下，粘著磨損是主要的破壞形式，在法向載荷作用下，窯料和耐火材料的接觸表面發生相對滑動，窯料將與其粘結的部分耐火材料剝離而發生破壞，主要發生在窯口澆注料部位。低溫情況下，磨粒磨損是主要的破壞形式，有鑿削式磨損。高應力碾壓式磨損和低應力擦傷性磨損三種磨損機理。磨蝕磨損是磨損與腐蝕同時作用，首先耐火材料的表面受磨損介質的作用產生溝槽或裂紋，腐蝕介質侵入受損材料表面，發生腐蝕反應，導致磨損部位的材料變質，然後這些因變質而缺乏耐磨性的部位被磨損介質除去，使得材料表面發生破壞。
(3)化學侵蝕
在高溫作用下，預分解窯中K2O、Na2O、KCl、SiO2等組分揮發後，又經預熱器、增溼塔、電收塵不斷蒸發凝結，多級收集，重新進入迴轉窯中。當窯內鹼、氯、硫的平衡建立後，上述揮發組分在窯內有很高的濃度，例如在大型預分解窯系統內，窯料的R2O的含量富集5倍，SO3含量和原料相比富集3~5倍，Cl-的含量甚至富集80~100倍。當窯料中含R2O>1%、C1->0.01%時，鹼性氧化物就會滲入到鋁矽系耐火材料內部，形成膨脹性的鉀霞石(K2OAl2O32SiO2)和白榴石(K2OAl2O34SiO2)，使磚發生「鹼裂」而損壞，溫度波動較大時，磚更容易開裂和剝落。當出窯熟料含鹼量過高時，水泥窯的普通黏土磚和高鋁磚也會由於「鹼裂」而產生損壞現象。
水泥生料溫度從常溫開始逐漸升高，當溫度達到500℃時，一些低融化合物開始出現熔融，隨著溫度的升高形成的液相量逐漸增多。當溫度接近900℃時，CaCO3開始分解生成CaO和CO2。在溫度為900~1100℃時，物料中就會形成鋁酸鈣(CaA)、矽酸二鈣(C2S)和鐵鋁酸四鈣(C4AF)，其含量在1200℃達到最大值。在1300℃矽酸三鈣(C3S)開始形成並且在1400℃以上達到最大值，至此熟料完全生成。這樣在窯內1300-1350℃的環境溫度下，具有強鹼性的熟料中的液相會與耐火磚中的酸性物質發生反應生成低熔點的中間相(硫酸鹽，矽酸鹽，鉀鈉鹽等)，這些中間相向磚中滲透，導致磚的結構疏鬆、變脆，進而發生剝落現象。
鋁矽碳化矽耐火材料在應用過程中的問題
鋁矽碳化矽耐火材料在使用過程中除了要承受機械應力和熱應力衝擊外，還要受到窯內鹼性氣氛和熟料的化學侵蝕。來自原料和燃料的K2O、Na2O、SO3和Cl-通過磚表面的釉層侵蝕襯裡後，磚就會遭到破壞。鹼和硫的摩爾比為1時將形成R2SO4，硫過剩時還形成二次CaSO4和2CaSO4K2SO4，鹼過剩時還會形成R2CO3和RCl。上述生成物中所有鹼鹽都將侵蝕襯裡，還原氣氛的存在更促進對襯裡的侵蝕。鹼鹽以氣相或液相滲入磚襯內孔隙，並與磚內組分進行反應並形成新礦物，例如鉀霞石(KAS2)、鈉霞石(NAS2)、白榴石(KAS4)等長石組礦物。上述新礦物均在磚體內膨脹，導致磚結構鬆弛，磚面層疏鬆剝落，這一現象統稱「鹼裂」，如果磚的緻密性不好，侵蝕就可能比較嚴重。
鋁矽碳化矽耐火材料中含有一定量的碳化矽，由於碳化矽的熱導率高，在500℃時達到64.4W/mK，到875℃時為41.4W/mK，因而鋁矽碳化矽耐火材料的熱導率也比較高。水泥窯過渡帶的溫度可以達到1400℃左右，由於沒有窯皮保護，磚面將直接承受高溫，筒體和火焰之間僅隔一層襯磚，比較高的導熱率會直接導致水泥窯的筒體溫度升高，甚至出現「紅窯」現象。因此，降低鋁矽碳化矽耐火材料的導熱係數可以減少熱量損失，有利於節約能源。