近年来，随着新型干法水泥窑向大型化方向发展，城市生活垃圾协同处理装置配套使用，回转窑系统的工艺温度有了很大提升，窑内碱富集加剧。水泥窑中低温区域，如分解炉、烟室、窑头罩和篦冷机等部位，传统配置的高铝浇注料或高铝碳化硅浇注料不能满足工艺生产需要，在提高抗碱性、降低热导率和筒体温度等方面仍有很多研究工作需要开展。废旧电瓷长期以来被作为工业垃圾处理，随着陶瓷行业的发展，废电瓷数量日益增长，妥善处理废弃资源具有积极现实意义。本工作主要通过分析电瓷的理化性能、微观结构，探讨在低水泥浇注料中的使用性能，研制适用于水泥窑中低温区的新型低水泥浇注料，同时促进工业废弃资源合理利用。电瓷材料在我国应用较广泛，用后的废弃电瓷堆积成山，污染环境。而电瓷废料中含有大量的Al2O3和SiO2，具有制备耐火材料所需的主要成分。电瓷一般分为低压电瓷和高压电瓷，其中低压电瓷服役电压通常在1000伏以下，在低压通讯线路中应用广泛[7]。基于我国农工业的发展现状，低压电瓷的使用量逐年攀升。依据国家电网的数据统计，我国低压电瓷的消耗量比高压电瓷的消耗量高上2~4倍。高压电瓷材料常用于高压输变电线路，其材质为无机绝缘材料。电瓷行业习惯将高压电瓷分为普通电瓷和高强度瓷，高强电瓷材料又分为高硅质电瓷材料和铝质电瓷材料。电瓷的化学组成见表1。
从化学成分来看，两种电瓷均偏向于黏土材质，其中高压电瓷接近焦宝石质，只是氧化铁含量偏高。由于电瓷在生产过程中施釉，钾钠含量较高，且颗粒越小钾钠含量越高。受化学成分影响，即便采用高压灌浆成型或等静压成型，电瓷体积密度仍不高，低压电瓷明显低于三级矾土标准体密(2.58g·cm-3)，高压电瓷则较为接近。电瓷的物理性能见表2。
对低压电瓷和高压电瓷做显微分析，由图1至图4可以看到，电瓷断口则锐利，气孔细小，分布广泛、均匀。其中高压电瓷气孔孔径约3~8μm，低压电瓷气孔孔径约5~10μm。
电瓷利用还原焰烧成，烧成温度1280~1350℃，通过差热分析，在985.2和1384.7℃时有两个放热峰出现，分别与理论一次莫来石化和二次莫来石化的温度区间吻合。分别对低压电瓷和高压电瓷做显微分析，从图5和图8可以看到，电瓷中有大量莫来石相，且分布均匀。不同之处在于，低压电瓷的莫来石晶相发育较小，玻璃相多，尚不能突破液相包裹。高压电瓷中莫来石晶型粗大，交错分布，在低倍电镜下即可分辨。
从图9、图10衍射图谱可以看到，低压电瓷主晶相以莫来石、石英为主。高压电瓷主晶相以刚玉、莫来石和石英为主，反应了两种电瓷配方组分的不同。
结合电瓷的生产工艺、物相组成和微观结构，认为电瓷材料是最早诞生的均化料，引领了近年来矾土均化料的理论和生产基础，可称之为黏土质低铝莫来石均化料。所不同的是由于电瓷含有长石和釉料，使用温度和使用条件受到一定限制。以特级高铝矾土(≤1、1~3、3~5、5~8、≤0.074mm)、低压电瓷(≤1、1~3、3~5、5~8mm)、高压电瓷(≤1、1~3、3~5、5~8mm)、SiO2微粉(d50=0.15μm)、结合剂Secar68水泥(≤0.088mm)为原料，以低水泥高铝浇注料为基础配方，引入30%(w)电瓷骨料，分析试样的烧后状态、微观结构。主要原料的化学组成见表3。
本试验设计以低水泥高铝浇注料为基础配方，分别加入30%(w)低压电瓷和高压电瓷骨料，编号为试样D1和试样D2，实验方案目标应用于水泥窑分解炉、烟室、窑头罩和篦冷机等部位。配料按常规工艺混炼均匀后，外加6%~6.5%(w)的水搅拌3min，振动成型为40mm×40mm×160mm试样，次日脱模后放入恒温恒湿养护箱(25℃、湿度98%)中养护24h，在干燥箱内于110℃保温24h。然后将试样经1250、1300和1350℃保温3h热处理。按GB/T5988—2007检测烧后线变化率。按GB/T2977—2000检测体积密度、显气孔率。将尺寸φ50mm×50mm的试样经1100℃保温3h热处理后，按YB/T2203—1998检测荷重软化开始温度(T0.6)。将尺寸65mm×114mm×230mm的试样经1100℃保温3h热处理后，按YB/T2206.2—1998检测热震稳定性。对试样进行显微结构分析(SEM)。从图11、图12可以看到，试样D1经1250℃烧后，表面少量低压电瓷爆裂，有釉斑熔融析出，且随着温度升高，上述现象略有增多，1350℃时局部有较明显熔蚀现象。试样D2经1250~1350℃烧后，没有釉斑析出，外观与普通浇注料一致。从化学成分看，低压电瓷和高压电瓷的钾钠含量均较高，分别为3.70%和2.73%(w)，而试样D2烧后表面没有釉斑析出，表明采用高温釉烧成。
从试样断口看(见图13、图14)，试样内部低压电瓷和高压电瓷外观完好，没有明显低熔物，表明基质组分对电瓷颗粒起到了一定保护作用，在一定温度范围内，电瓷骨料具有安全使用的良好条件。
从烧后线变化率看(见图15)，试样D1和D2体积稳定性好，并无明显收缩或膨胀，特别是试样D2，在没有莫来石或三石组分的情况下，仍具有较小的线收缩率。
上述结果表明，试样D1和D2在中温条件下具有良好的线变化率、体积稳定性和耐高温性。其中应限制低压电瓷在1300℃以下长期使用，避免试样表面因长石造成瓷粒爆裂和熔融，同样满足水泥窑中低温区的工艺要求。而试样D2的荷重软化温度(T0.6)达到1462℃，则适用温度范围更宽，可以扩大研究应用领域。试样D1和试样D2的110℃烘干体积密度分别为2.45和2.51g·cm-3，替代特级高铝矾土后(非等比例)，试样体积密度则有较大幅度降低，这是由于高压电瓷体积密度略低于三级矾土，而低压电瓷则明显低于三级矾土。从图16可以看到，试样烘干体积密度较特级高铝试样标准体密(2.70g·cm-3)分别降低9.3%和7.0%，下降幅度非常大。从节能降耗角度来看，材料体积密度越小，热导率越低，对于降低窑炉热损失有积极作用。
试样D1和试样D2经1300℃保温3h热处理后的SEM照片见图17至图22。可以看到，电瓷颗粒边缘与基质界面清晰，由于电瓷致密，破碎面平整，与浆体亲和力差，降低了基质结合强度。另一方面，电瓷气孔分布极广，断面的微观结构呈锯齿状，反而又促进了基质结合。试样通过高温煅烧，不同组分间热膨胀系数差异性得到体现，电瓷颗粒周围和基质交界处产生部分裂纹，有利于电瓷克服破坏性热应力，提高热震稳定性。而与基质同组分的莫来石颗粒周围则紧密连接，体现出不同组分的结合特性。从组分间化合反应来看，试样在1100℃以后，由于硅微粉熔融软化，基质内部开始出现液相。由于煅烧时间短，硅微粉虽然对颗粒和氧化铝微粉有浸润，而电瓷或特级矾土个体仍处于较独立状态，不能形成稳定而明显的二次莫来石结合。即便如此，电瓷作为富莫来石相，热膨胀系数具有差异性，仍赋予试样一定变化，对热震的改善有积极作用，在此不以“瓷”来衡量电瓷，而是把它作为一种黏土质低铝莫来石均化料对待。
以试样D1和试样D2做1100℃水冷热震试验，图23是第28次时照片。可以看到，试样裂纹较少且细小，没有开口裂纹和掉块现象，表现出良好的抗热震性，一改传统认为瓷类原料热震稳定性差的观点。当然，热震性优劣需结合骨料级配、烧成温度、强度、热膨胀率和导热系数等综合因素考察，在特定使用条件下，可以通过技术调整改善，以达到综合性能优良的目的。
图23 试样D1和试样D2在1100℃水冷热震照片电瓷材料作为优质耐火原料，是对传统耐火原料的有益补充，在水泥窑低水泥浇注料中用于中低温条件，有以下几个特点：
(1)电瓷具有富莫来石相结构，气孔分布均匀、气孔率低、质地均匀，从成型工艺到微观结构是矾土均化料的引领者，可定义为粘土质低铝莫来石均化料。(2)电瓷在生产过程中施釉，低压电瓷所用釉料熔点低，使用温度受到限制，建议长期安全使用温度在1300℃以下。高压电瓷使用温度高于1350℃，可拓宽使用领域。(3)在低水泥浇注料中，利用电瓷富莫来石结构，热膨胀系数差异等特点，通过合理配比，可以获得良好的体积稳定性和热震稳定性。(4)低水泥电瓷浇注料具有体积密度小、导热系数低的特点，能够减少耐火材料使用消耗量，降低窑炉设备热损失。(5)电瓷用于耐火材料，即可减少废电瓷堆积，占用场地，产生资源浪费，通过替代铝矾土，能够减少矿产资源消耗和能源消耗，节能减排。
来源：濮阳濮耐高温材料（集团）股份有限公司
