一种RKEF镍铁冶炼回转窑抗侵蚀防爆耐磨浇注料的制作方法

本发明属于无机非金属耐火材料，具体涉及一种基于镁铝尖晶石的用于回转窑矿热炉镍铁冶炼工艺中回转窑内衬的浇注料，更具体地，涉及一种具有抗侵蚀、防爆裂和耐磨性能的浇注料及其制备方法。

背景技术：

1、回转窑矿热炉（rotary kiln electric furnace，简称rkef）工艺是目前世界上处理红土镍矿生产镍铁合金的主流工艺，其产能占比超过全球镍铁总产能的三分之二。回转窑作为该工艺的核心设备之一，承担着红土镍矿的干燥、预热和预还原任务，窑内高温段温度可达1400～1500℃，物料在还原气氛下呈半熔状态，对内衬材料造成极为苛刻的服役条件。具体而言，回转窑内衬在工作过程中主要承受高温熔渣的化学侵蚀、物料的机械磨损、剧烈的热震冲击以及窑体转动产生的机械应力等多重破坏作用。其中，红土镍矿冶炼过程中产生的熔渣碱度高、粘度低、流动性强，对内衬材料具有较强的渗透性和侵蚀性，容易与耐火材料中的组分发生化学反应，导致材料结构破坏和性能劣化；同时，窑内大量矿粉和半熔态物料在窑体转动过程中持续对内衬表面产生冲刷和摩擦，造成材料的不断磨损和减薄；此外，回转窑频繁的启停操作以及窑内温度场的波动，使内衬材料反复承受冷热交替的热冲击，容易产生热应力裂纹并逐步扩展。

2、目前，镍铁回转窑所用耐火材料及配置方案基本沿袭了水泥回转窑的耐火材料和配置方式，内衬主要采用耐火砖砌筑或浇注料整体浇注两种方式。耐火砖砌筑方式虽然在某些特定部位仍在使用，但存在诸多难以克服的缺陷：砖缝是内衬结构的薄弱环节，高温熔渣和热气流容易沿砖缝渗入，导致砖体松动、抽签、掉砖甚至整环坍塌；异形部位需定制异形砖，成本高、周期长；且施工周期长，单台大型回转窑砖衬砌筑需20～30天，工序繁琐。浇注料整体浇注方式虽然在一定程度上改善了内衬的整体性，但现有浇注料产品仍存在诸多不足。

3、针对上述问题，本领域技术人员已进行了多方面的研究和改进。例如，中国专利cn110330347a公开了一种镍铁回转窑高温区窑衬材料，其原料包括骨料莫来石40～45wt%、骨料刚玉5～10wt%、粉料刚玉3～8wt%、粉料莫来石20～25wt%、粉料碳化硅3～8wt%、粉料蓝晶石3～8wt%、钢纤维1～2wt%、防爆纤维0.2～0.4wt%、纯铝酸钙水泥4～6wt%、硅微粉4～6wt%。该材料以莫来石和刚玉为主体系，虽添加了防爆纤维和钢纤维，但其颗粒级配未采用数学模型进行系统优化，骨料与基质之间的堆积密度尚有提升空间，且未采用镁铝尖晶石作为主要骨料，对镍铁渣的高温侵蚀抵抗能力有限。又如，中国专利cn113754415a公开了一种复合结合镍铁回转窑浇注料，采用高铝水泥和液体硅溶胶的复合结合方式，其原料包括矾土颗粒60～65%、矾土细粉20～27%、硅微粉3～6%、高铝水泥1～4%、膨胀剂2～5%、防爆剂0.1～0.5%、钢纤维1～3%、减水剂0.1～0.5%，外加液体硅溶胶8～12%。该浇注料以矾土为主体系，同样未采用镁铝尖晶石质骨料，颗粒级配未采用数学模型进行精确设计，且cao含量未作严格控制，高温下低熔相的产生可能影响材料的高温性能。再如，中国专利cn104150926a公开了一种镍铁回转窑出料口专用浇注料的制作方法，由铝矾土或刚玉骨料40～80%、电熔莫来石或刚玉细粉5～20%、氧化铝微粉3～10%、硅微粉3～10%、纯铝酸钙水泥1～8%、锆酸钙或锆英石3～30%配制而成，该浇注料主要针对出料口部位设计，未涉及回转窑全窑段的综合性能优化，且同样未采用镁铝尖晶石骨料体系。此外，现有技术中还有采用镁铝铁尖晶石砖砌筑回转窑特定区域的技术方案，但砖砌方式本身存在接缝多、整体性差的固有问题，无法实现内衬的一体化成型。

4、综上所述，现有镍铁回转窑用浇注料主要存在以下几方面的技术缺陷：主骨料体系以矾土、莫来石或刚玉为主，对镍铁渣的高温化学侵蚀抵抗能力不足，长期运行后易出现侵蚀穿透和结构松散化；颗粒级配缺乏系统的数学模型优化，粗细颗粒堆积不够紧密，材料致密度和耐磨性能有限；结合体系中cao含量较高，高温下易生成低熔相，损害材料的高温结构强度和抗热震性能；防爆措施主要依赖防爆纤维的单一手段，缺乏与颗粒级配、水分控制的系统性配合，升温烘烤过程仍存在爆裂风险；未形成针对回转窑全窑段工况特点的系统性材料解决方案。因此，开发一种高致密度、耐磨性强、抗渣侵蚀性能优良，同时具有良好排气能力与抗爆裂特性、适应回转窑矿热炉工艺回转窑热冲击与机械冲刷的浇注料，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有rkef镍铁冶炼回转窑用浇注料抗渣侵蚀能力不足、致密度偏低、高温性能不佳及升温过程易爆裂的技术问题，提供一种基于镁铝尖晶石的rkef镍铁冶炼回转窑抗侵蚀防爆耐磨浇注料及其制备方法。本发明以镁铝尖晶石为主骨料提升抗渣侵蚀能力，通过安德森模型精确设计颗粒级配（q=0.22～0.28）提升致密度与耐磨性，采用低水泥低cao结合体系结合铝硅比优化提升高温性能，并通过有机防爆纤维与级配、水分控制的系统性配合消除爆裂风险，从而实现浇注料综合性能的全面提升，有效延长回转窑内衬使用寿命。

2、为实现上述目的，本发明第一技术目的在于提供一种rkef镍铁冶炼回转窑抗侵蚀防爆耐磨浇注料，按重量份计其原料包括：

3、镁铝尖晶石质骨料 55～65份；

4、高铝质骨料 15～20份；

5、铝硅质细粉 25～40份；

6、超细活性粉 3～8份；

7、低水泥复合结合剂 2～6份；

8、有机防爆纤维 0.05～0.3份；

9、钢纤维 1～3份；

10、减水剂（三聚磷酸钠） 0.1～0.6份；

11、加水 4～5份。

12、所述镁铝尖晶石质骨料为主骨料。

13、所述浇注料的颗粒级配采用安德森模型设计，安德森方程为

ci=(

di/

dmax)

q×100%，其中d max=15mm，d min=0.2μm，分布系数q=0.22～0.28，d min取0.2μm，对应α-al2o3超细粉的最小粒径。该模型用于确定镁铝尖晶石质骨料中三个粒度规格的比例，而铝硅质细粉和超细活性粉在此骨料级配基础上外加填充，使整体粉料体系进一步逼近d min =0.2μm的安德森曲线。

14、经计算，当镁铝尖晶石骨料的粗粒（8～15mm）、中粒（3～8mm）、细粒（1～3mm）按28:35:37比例混合后，再外加28份铝硅质细粉（0.045～0.074mm）和5份α-al2o3超细粉（0.2～2μm）时，整体颗粒体系的累积粒度分布与安德森曲线（d min=0.2μm，q=0.26）的相关系数r2≥0.93，验证了该级配方案在骨料与细粉整体协同下仍能有效逼近安德森曲线。

15、以q=0.26为例，具体配比计算如下：

16、将镁铝尖晶石骨料筛分为三个粒级：细粒（1～3mm）、中粒（3～8mm）、粗粒（8～15mm）。设粗粒、中粒、细粒的质量分数分别为x、y、z（x+y+z=100%），使混合后骨料在筛孔尺寸d下的累积通过率c(d)满足安德森方程c(d)=(d/15)^0.26×100。

17、经计算，取粗粒（8～15mm）28份、中粒（3～8mm）35份、细粒（1～3mm）37份时，混合骨料的累积粒度分布与安德森曲线的相关系数r2≥0.95。

18、在此基础上，再外加铝硅质细粉（0.045～0.074mm）和超细活性粉（0.2～2μm），使整体粉料体系进一步逼近d min=0.2μm的安德森曲线。

19、优选地，所述镁铝尖晶石质骨料的粒度为1～15mm；所述高铝质骨料的粒度为1～8mm，al2o3含量≥75%；所述铝硅质细粉为0.074～0.045mm的熟铝矾土细粉与硅微粉的混合物，其中熟铝矾土细粉与硅微粉的重量比为4:1～8:1；所述超细活性粉为粒径0.2～2μm的α-al2o3，其中位粒径d50控制在0.8～1.2μm之间。

20、优选地，所述低水泥复合结合剂为铝酸钙水泥与活性氧化铝的混合物，cao含量≤1.0%，可在1100～1500℃下生成高稳定性耐火相结构。

21、优选地，所述有机防爆纤维为热塑性聚氨酯（tpu）纤维，熔融温度＜102℃，直径40μm，长度2.5mm，在升温初期熔融后形成排气通道；所述钢纤维为耐热不锈钢纤维，长度为25mm，其化学成分按质量百分比计为：c 0.24%、si 1.12%、mn 0.96%、ni 8.12%、cr 18.26%，余量为fe及不可避免的杂质。

22、优选地，所述浇注料的铝硅比（al2o3与sio2的质量比）控制在4.5:1～7:1范围内，可在高温下生成稳定的莫来石相和尖晶石相组合；所述浇注料的al2o3含量≥78%。

23、本发明的第二技术目的在于提供一种上述浇注料的制备方法，包括以下步骤：

24、s1：将配比量的镁铝尖晶石质骨料、高铝质骨料、铝硅质细粉、超细活性粉及低水泥复合结合剂投入混合机，强力混合8～15分钟，得到干混料。

25、优选地，s1中干混时间小于8分钟时细粉分散度不足；干混时间超过15分钟时，颗粒破碎率显著上升。在低水泥复合结合剂存在的条件下，8～15分钟的干混时间足以实现细粉均匀分散，同时颗粒破碎率可控制在可接受范围内。

26、s2：向步骤s1制备的干混料中加入钢纤维，以20～33r/min低速混合2～3分钟，使钢纤维均匀分散于干混料中。

27、s3：现场施工时，向步骤s2制备的混合料中加入配比量的水，同时加入有机防爆纤维及减水剂，搅拌5～8分钟，得到浇注料浆料。

28、优选地，s3中湿混时间小于5分钟时减水剂无法充分发挥作用，大于8分钟时钢纤维分布不均或表面涂层剥落。

29、s4：将步骤s3所得浇注料浆料浇注成型，养护24～48小时，自然干燥48～72小时，再按20～30℃/h升温至工作温度。所述自然干燥的终点为浇注料含水率≤1.5%。在潮湿环境下应适当延长干燥时间或辅以强制通风。

30、优选地，所述升温速率为20～25℃/h，在该速率下可避免因升温过快导致的水汽爆裂。

31、优选地，养护温度为20～30℃。当环境温度低于20℃时，应适当延长养护时间或采取保温措施；当环境温度高于30℃时，应注意覆盖保湿，防止表面过快干燥开裂。

32、进一步地，本发明还提供上述浇注料在rkef镍铁冶炼回转窑中作为内衬材料的应用。

33、本发明提供的技术方案，具有以下有益效果：

34、（1）致密度与耐磨性能显著提升。利用镁铝尖晶石质骨料与高铝骨料的协同匹配，并以安德森模型设计颗粒级配，使整体颗粒分布接近连续曲线，减少孔隙堆积空隙率，形成高致密的骨架结构，使浇注料在回转窑强冲刷工况下的耐磨体积损失明显降低。磨损体积可降至≤3.0cm³，较常规材料（约6.0cm3）降低50%。

35、（2）耐渣侵蚀能力增强。镁铝尖晶石骨料与铝硅质细粉中的莫来石相共同构建稳定的高温相结构，结合低cao（≤1.0%）的低水泥体系，显著降低渣与基体之间的反应活性，对镍铁冶炼渣的化学侵蚀表现出更高的抵抗能力，可有效抑制渣蚀穿透与结构松散化。

36、（3）高温结构强度与热震稳定性提升。低水泥复合结合剂减少了cao含量，在微观结构中生成更多稳定的高温相，使浇注料在高温载荷、温度波动条件下保持更强的结构稳定性。常温抗压强度（110℃×24h）≥125mpa，高温抗压强度（1300℃×3h）≥125mpa，较常规材料（约70～80mpa）显著提升。

37、（4）防爆裂性能显著改善。有机防爆纤维在升温初期熔融消失，形成均匀连通的微细排气通道，有效解决了低水泥体系排气困难的问题，显著降低因水汽压力积聚导致的爆裂风险，提升首次升温过程的材料安全性。

38、（5）抗裂与韧性增强。增强型钢纤维分布于整体基体中，可有效阻滞裂纹扩展并分散应力集中区。钢纤维与致密骨架协同，使浇注料在回转窑的机械冲击、载荷交变及热震作用下不易产生贯穿性裂纹，从而保持衬体整体性。

39、（6）施工适应性好、成型质量高。安德森级配设计使料体流动性与颗粒堆积稳定性兼顾，结合优化的加水量范围（4～5份），可获得更高的浇注致密性和更低的泌水风险。施工过程中不易出现离析、泌水和空洞，提高整体结构成型质量。

40、（7）使用寿命显著延长。由于在耐磨性、抗渣侵蚀性、热震稳定性和抗爆裂性能方面均实现实质性提升，衬体能够更长时间保持结构稳定性。与传统回转窑浇注料相比，整体使用寿命延长，可有效延长检修周期、降低运行成本。