窑炉内衬通常使用致密和多孔耐火材料。尖晶石轻质耐火材料保留了工作和保温两种特性。多层耐火材料，其不同层中的造孔剂和烧结助剂的量也不同。在保温层和工作层之间的中间层的连接是有气孔率梯度的。1550℃烧结并保温3h后的试样具有良好的耐压强度(92.43MPa)、低显气孔率(8.72%)，其工作层具有良好的抗水泥熟料侵蚀(适宜强度31.72MPa)，保温层的热导率低(0.146W/m·K)。这些结果促进了轻质多层耐火材料在水泥窑中的应用。

通常窑炉内衬需要两种耐材，一种为致密耐材，即工作层，直接与钢水、气体或水泥熟料接触。因此，所用耐材需具备高耐火度、低气孔率、高强度、高抗热震性、良好的抗侵蚀性;另一种为保温层，即隔热衬，阻止热损失。为了保温，需使用低热导率(高气孔率)及适宜强度的耐材，砌筑在工作层后。这两层通常用铝酸钙水泥粘结。保温层和工作层分开应用会增加窑炉的重量以及耐材内衬的厚度。

目前的工作是寻找一种新的方法，以研制一种新的多层尖晶石耐材，要将致密和多孔这两个特性保留下来。废弃谷壳灰(RHA)和稻糠分别作为烧结助剂和造孔剂。重点是给出多层耐材制备工艺参数、物理-机械性能和热性能。

01 实验过程

1、材料

所用原料为活性氧化铝(99%)、氧化镁(99%)和熔融尖晶石(98%)。粗尖晶石颗粒通过钢研钵破碎，用高能球磨细磨成不同粒径以获得更好的堆积密度。废弃谷壳灰(RHA)和稻糠从当地磨坊收集。将RHA在马弗炉中于600℃热处理2h后通过60μm筛，此RHA保留了超过93%的无定形二氧化硅。采用混合研磨机将稻糠磨细后通过60μm筛。

2、多层耐材制备

制备了5层(A、B、C、D和E)尖晶石耐材。A层和E层分别是致密层(工作层)和多孔层(保温层)，B、C和D层是A层和E层的中间层。首先，根据不同层制备原料，在转速为100r/min的球磨机中干混20min，最后加2%水在玛瑙研钵中再混合10min。将半湿混合物注入钢模中(5cm×5cm×6cm)，用于制备多层耐材试样，如图1所示。在填模时用普通纸张分离不同层材料，不同层材料的化学成分和尺寸列于表1。采用单轴液压机，以100MPa压力压制混合物。半成品在电炉中于110℃干燥6h。之后将干燥试样置于电马弗炉中，以2℃/min加热到500℃，以5℃/min加热到1500℃。根据致密气孔率和多孔层，优化保温时间，保温时间分别为1h、2h、3h和4h，生产多层尖晶石耐材。

3、特性

依据ASTMC20和ASTMC133测定显气孔率(AP)和体积密度(BD)，并测定耐压强度。进行XRD射线衍射分析，通过扫描电子显微镜(SEM)测定不同层的表面形态，通过热导率仪测定不同层在室温下的热导率。通过膨胀计测定A层、C层和E层的线性热膨胀系数，温度范围为100～1200℃，加热速率为3℃/min。

02 结果和讨论

1、工艺参数的优化

图2示出了多层耐材试样图像。通过层间隙可以观察到没有中间层的试样出现了裂纹[在致密层A和多孔层E之间，如图2(a)所示]。A层和E层不同的化学成分显示出不同的热行为。因此，层之间的应力逐渐形成，温度升高导致裂纹产生。然而，通过致密层A和多孔层E之间中间层(B、C和D)的结合，解决了这一问题。中间层有助于降低A层至E层成分的多样性，逐渐形成了成分的梯度变化。因此，层之间的热错配被降低，也导致裂纹产生趋势的降低。有中间层的试样没有发现裂纹，如图2(b)所示。

通常，水泥窑最高烧成温度为1400～1500℃，将多层试样的烧结温度调整到1550℃。另一个原因是，通过降低气孔率增强烧结动力学，保温层E的保温性能有可能被降低的可能性。水泥窑中多层试样在保温期间，不可能性将保温层的温度提高到1550℃，因为其本身就是置于工作层A之后。因此，通过应用发现E层并没有降低保温的趋势。

表2列出了1550℃下不同保温时间，致密层A和多孔层E的显气孔率(AP)。发现，RHA和稻糠对A层和E层显气孔率的影响非常之大。RHA在A层中具有烧结助剂的作用，保温1h后显气孔率达20.68%。相反，用稻糠替代RHA的E层，显著地影响到了气孔的产生，保温1h显气孔率达54.85%。观察到，随保温时间的增加，A层显气孔率逐渐减低。保温时间增加，原子通常开始彼此扩散。1000℃以上，含有RHA的二氧化硅开始和Al2O3及MgO反应，有助于填充晶粒间空隙，使不同的尖晶石颗粒连接在一起。当保温时间由3h增加到4h时，A层的显气孔率略有降低(约0.5%)。另一方面，E层的显气孔率显著降低(约21%)。这可能是由于尖晶石原子的相互扩散。因此，3h保温时间足以烧结5cm×5cm×1.5cm试样。但是，这一最佳时间随层尺寸的变化而改变。表2列出了在1550℃下保温3h,A层至E层试样的体积密度。体积密度从A到E是降低的，这是由于前者气孔增加，减少了烧结助剂。

A层和E层显示出不同的收缩，会影响到耐材的最终形状，这可以通过改变模具尺寸来解决。长方形多层耐材坯体的模具尺寸示于图2(c)，其中致密层一侧的模具宽度要稍高于多孔层和中间层，压制后，坯体试样致密一侧将比多孔一侧厚。烧结期间，不同层通过不同收缩达到相同的厚度。

2、多层砖的特性

图3示出了在1550℃烧结并保温3h后的A层和E层的XRD分析谱图。两层中均有尖晶石晶相存在，未检出一些未反应的Al2O3和MgO。然而在A层的XRD图谱中观察到有一些强度非常低的莫来石(3Al2O3·MgO)和镁橄榄石(2MgO·SiO2)，这可能是由于含二氧化硅RHA的存在(5%)。高温下，此二氧化硅和活性氧化铝及氧化镁反应形成相应的相。莫来石和镁橄榄石相具有极佳的特性，因此，这两相不可能削弱尖晶石耐材性能。E层的XRD图谱中没有发现含有机化合物的稻糠。

图4示出多层试样在1550℃烧结并保温3h后不同层的表面形态。发现，从A层至E层，气孔数量和气孔体积同时稳步增加。由于稻糠的存在，其数量从B层至E层增加。高温下，稻糠燃烧有助于产生气孔。另一个原因是烧结助剂(RHA)数量的减少。因此，尖晶石颗粒之间的结合网络减弱，气孔增加。A层至E层气孔率逐渐增加是因为中间层在系统中建立了一个气孔率梯度，它有助于降低层和层之间的热错配及裂纹产生的可能性。同时，在A层高倍放大SEM图像中没有发现尖晶石颗粒边界有玻璃相，这意味着RHA二氧化硅完全转变成了莫来石相和镁橄榄石相。

烧后试样的耐压强度、室温下热导率和收缩值列于表2。由于其均匀的显微结构和低气孔率，A层显示出较高强度。相反地，E层的强度则明显低，大量的连接气孔的存在是导致低强度的主要原因。一般情况，强度和气孔率之间的关系是对立的，也就是高气孔率归因于低强度值。气孔导致大量裂纹的产生。耐压强度31.72MPa对于保温耐材而言足够抵抗其自身荷载。E层的气孔率影响到热导率。气孔率有助于降低E层的热导率，并增强了保温性能。

热膨胀系数值由A层到E层稍有降低，这是由于超过85%相(理论上)，即所有层都是尖晶石(热膨胀系数为7.6×10-6℃)。其他相，如莫来石的热膨胀系数为(4.5～6.5)×10-6℃，镁橄榄石的热膨胀系数为12.9×10-6℃。E层的热膨胀系数稍微降低是由于其高的气孔率。热膨胀系数与气孔率为反比关系。每一层几乎相近的热膨胀系数值降低了热应力产生的可能性。

A层显示出高的收缩值，高于E层。因此，没有中间层时，A层对E层施加压应力，E层对A层施加拉应力。因此，裂纹沿层与层之间产生。中间层的收缩值介于A层和E层之间，有助于降低应力值，使分布于层之间的断裂应力降低，产生无裂纹密度梯度。

03 结论

通过改变层内RHA和稻糠数量，在1550℃烧结并保温3h制备了多层轻质尖晶石耐材。中间层有效地建立起了气孔率梯度，阻止了裂纹的产生。A层中5%RHA的存在(没有稻糠)降低了显气孔率达8.72%，而E层则因5%稻糠的存在(没有RHA)显气孔率为47.53%。工作层即A层气孔率较低，机械强度较高，具有良好的抗水泥侵蚀性。保温层(即E层)显示出低的热导率和适宜的强度。这些结果使水泥工业可以在窑中应用多层轻质耐材。