引言根据我国污染防治法的规定，危险废弃物（危废）是具有腐蚀性、毒性、易燃性、反应性或感染性等危险特性的固体废物，会对环境或人体健康造成有害影响，可能造成土壤和水的污染。焚烧法具有处理速度快、显著减量化、无害化以及余热资源化等优点，是国内外较为通用的处置技术[1]。目前，固废焚烧炉类型主要有机械炉排式、流化床式、热解式、回转窑式和等离子体焚烧炉[2-4]。回转窑具有自动化程度高、对固废热值要求低、工作效率高、处理量大等特点[2]。焚烧时，危废在窑体内不停翻滚被干燥后，有机物和可燃物被热解和燃烧，在二燃室内再经高温焚烧去除二噁英[4]。由于危废来源不固定，其热值、燃烧和热解产物的特性存在较大差别，对耐火材料的侵蚀机理不同。衬体易受到高温、腐蚀性气体和碱蒸汽的侵蚀，易导致耐火材料的损毁剥落，被迫进行停窑检修。高温烧成耐火砖的生产周期较长，临时检修时不能及时供货，严重影响焚烧系统的正常运行。目前，回转窑焚烧炉内衬主要以耐酸、耐碱侵蚀性好的高铝质、刚玉砖、铬刚玉砖为主，高铝质、铬刚玉质浇注料仅用于窑头和窑尾。为了解决危废焚烧用回转窑内衬材料寿命低、维修频繁等问题，以刚玉基浇注料为研究对象，分别制备刚玉莫来石质、铬刚玉质、锆刚玉质和刚玉尖晶石浇注料，研究其物理性能和抗侵蚀性能，旨在为工业危废焚烧用回转窑耐火材料的研发提供参考。1试验方法试验原料为：ω(Al2O3)≥85％的5~8 mm特级矾土颗粒；ω(Al2O3)≥99％的电熔白刚玉，粒度为1~3 mm、0~1 mm和小于0.074 mm；ω(Al2O3)≥95％的棕刚玉，粒度为3~5 mm、1~3 mm；ω(Al2O3)≥70％的莫来石，粒度为5~8 mm、3~5 mm、1~3 mm；ω(Al2O3)≥99％的氧化铝微粉，d50=2 μm；ω(Al2O3)=70.3％、ω(CaO)=29.1％的铝酸钙水泥；ω(Cr2O3)≥98％氧化铬粉，粒度小于0.044 mm；ω(SiO2)≥97％的氧化硅微粉，d50=0.15 μm；ω(ZrO2)≥65.0％的锆英石粉，粒度小于0.044 mm；ω(Al2O3)=77.12％、ω(MgO)=21.57％的电熔尖晶石粉，粒度小于0.044 mm。刚玉莫来石浇注料、铬刚玉浇注料、锆刚玉浇注料和刚玉尖晶石浇注料的配比组成如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.022.T001表1刚玉莫来石浇注料、铬刚玉浇注料、锆刚玉浇注料和刚玉尖晶石浇注料的配比组成试样编号浇注料材质特级矾土棕刚玉白刚玉莫来石微粉+水泥氧化铬粉锆英石粉尖晶石粉A刚玉莫来石3020201515000B铬刚玉203527015300C铬刚玉203521015900D锆刚玉203518015390E刚玉尖晶石203518015309%按照配比进行称料，将称好的物料在搅拌机中干混合3 min，缓慢加水后混合3 min，将混合好的物料分别振动成型为40 mm×40 mm×l60 mm条形试样和Φ100 mm×80 mm（孔径Φ50 mm×50 mm）坩埚抗渣试样，在室温下养护24 h脱模，110 ℃干燥24 h，将试样置于电炉中升温至1 450 ℃保温3 h，随炉自然冷却后取出，用于性能测试。按照《致密定形耐火制品体积密度、显气孔率和真气孔率试验方法》（GB/T 2997—2015）、《耐火材料 压蠕变试验方法》（GB/T 5073—2005）、《耐火材料 常温抗折强度试验方法》（GB/T 3001—2017）、《耐火材料 加热永久线变化试验方法》（GB/T 5988—2022）、《耐火浇注料抗热震性试验方法（水急冷法）》（YB/T 2206.2—1998）分别测定试样的体积密度、显气孔率、常温耐压强度、常温抗折强度、线变化率和热震稳定性。利用静态坩埚法测定试样的抗渣性，将40 g工业固废置于坩埚中并用陶瓷盖密封坩埚，1 450 ℃保温5 h，随炉温自然冷却到常温，沿坩埚的中心线将坩埚剖开，观察试样块的侵蚀情况。采用扫描电镜对试样进行显微结构和形貌观察。实验用炉渣组成（质量百分比M）为：MAl2O3 29.09%、MSiO2 16.35%、MCaO 13.36%、MMgO 2.46%、MTiO2 4.25%、MNa2O 0.74%、MK2O 0.51%、MFe2O3 11.09%、MCr2O3 4.22%、MSO3 2.86%、MP2O5 3.31%、MBaO 1.72%、MNaCl 10.04%。2结果与讨论2.1试样的物理性能5种刚玉基浇注料试样的常规物理性能如图1所示。图15种刚玉基浇注料试样的常规物理性能10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.022.F1a110.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.022.F1a210.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.022.F1a310.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.022.F1a4由图1(a)和(b)可知，1 450 ℃烧后试样的体积收缩和显气孔率均呈增大的趋势，刚玉-莫来石质浇注料的气孔率最低（14.90%），线收缩率最大（-0.43%），含9%氧化铬的浇注料试样烧后收缩率最小（-0.20%）、气孔率最大（17.20%），因为5种试样均为水泥结合含氧化硅微粉的浇注料，经高温烧后水合物脱水排出气体，导致试样的显气孔率增大、基质材料烧结引起体积收缩。由图1(c)和(d)可知，1 450 ℃烧后试样的常温抗折强度和耐压强度较110 ℃干燥后均大幅增加，氧化铬含量为9%的试样抗折强度和耐压强度最大；添加锆英石的试样常温强度最低。主要原因是高温下氧化铬与氧化铝反应形成固溶体，将刚玉颗粒和基质结合[5]；添加锆英石试样的强度相对较低，由高温下锆英石分解使材料结构疏松以及氧化锆与氧化铝膨胀系数的差异产生裂纹引起[6]。5种刚玉基浇注料试样的热震稳定性对比如图2所示。试样经1 100 ℃水冷1次后，刚玉莫来石、铬刚玉和刚玉尖晶石试样的强度保持率较低，分别为36.6%、28.1%、27.9%，试样的热震稳定性相对较差；添加锆英石的试样强度保持率最高为51.7%，因为高温下锆英石分解生成的SiO2向外迁移形成气孔吸收热应力，分解生成的氧化锆相变产生微裂纹，改善了试样的热震稳定性[7-8]。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.022.F002图25种刚玉基浇注料试样的抗热震性对比刚玉莫来石质浇注料烧后气孔率最低，收缩率最大；添加锆英石有利于试样的抗热震性，但不利于浇注料的烧结，显气孔率升高、强度降低；加入氧化铬粉有助于试样强度提高，但对热震稳定具有不利影响。2.2抗渣性能5种刚玉基浇注料试样渣侵蚀后坩埚剖面照片如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.022.F003图35种刚玉基浇注料试样渣侵蚀后坩埚剖切照片1 450 ℃渣侵蚀后所有坩埚试样的外观完整，无开裂和变形，坩埚内有少量残渣。A试样坩埚被熔渣严重侵蚀，结构疏松，骨料呈孤立状，熔渣渗透深度约12 mm，表明其抗渣性较差。B试样坩埚的熔渣渗透深度约4 mm，其抗渣性较好。C试样坩埚被熔渣侵蚀较轻微，渣渗透深度约1 mm，抗渣性最好。D试样坩埚的熔渣渗透深度约6 mm，其抗渣性较刚玉-莫来石试样有所提高。E试样坩埚试样的熔渣渗透深度约3 mm，抗渣性也较好。加入氧化铬、尖晶石和锆英石均提高了刚玉基浇注料的抗渣侵蚀性能，其中添加9%氧化铬的试样抗侵蚀性能最好，其次添加尖晶石的试样抗侵蚀性较好。2.3试样的显微结构分析侵蚀后A试样的SEM照片如图4所示。图4中各点的EDS分析结果如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.022.F004图4侵蚀后A试样的SEM照片10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.022.T002表2图4中各点的EDS分析结果编号MAl2O3MSiO2MCaOMMgOMTiO2MR2OMFe2O3MMnO133.3640.059.142.013.392.747.710.82234.6339.358.501.983.133.127.560.80332.6141.669.882.013.862.575.970.81469.2020.773.850.891.220.902.540.28570.3719.484.18—2.570.842.56—674.9617.582.72—1.790.702.24—%可以将渣侵蚀后试样分为渣层、侵蚀层、过渡层和原砖层。侵蚀层结构相对致密，成分中CaO、Fe2O3和R2O含量较高；过渡层结构较疏松，气孔较多，过渡层中CaO、SiO2、Fe2O3、R2O含量降低，Al2O3含量明显提高；原砖层中Al2O3含量进一步提高，CaO来自加入的水泥。侵蚀后C试样的SEM照片如图5所示。侵蚀后试样渣层结构致密，图5各点的EDS分析结果如表3所示。试样点成分由Ca、Al、Si、Ti、K、Na、Fe、O组成，可知其由钙长石、含铁尖晶石等组成。侵蚀层（约为1 mm）结构相对疏松，层中CaO、SiO2、Fe2O3含量较高；过渡层（约为1.5 mm）中气孔较多，CaO、SiO2、Fe2O3、R2O含量降低，Al2O3含量明显提高；原砖层中Al2O3、Cr2O3含量（图中灰白色）高。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.022.F005图5侵蚀后C试样的SEM照片10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.022.T003表3图5各点的EDS分析结果编号MAl2O3MSiO2MCaOMMgOMTiO2MCr2O3MR2OMFeOMMnO137.3139.755.740.920.791.083.1510.470.79237.9639.656.611.181.031.093.038.930.72339.6538.667.571.531.621.092.456.870.57432.6741.4310.122.902.181.371.797.070.46545.129.244.462.283.3531.070.922.910.65642.5710.147.03—1.6836.740.540.870.43%刚玉莫来石浇注料由于材料内低熔点相含量高，使其结构致密，显气孔率最低，但其易与熔渣反应被侵蚀掉，引起结构的疏松，因此其抗渣侵蚀较差。铬刚玉浇注料较难烧结，显气孔率较高，试样中的Cr2O3与Al2O3反应生成Al2O3-Cr2O3固溶体，使试样的强度明显提高，其次Cr2O3可与熔渣中的Fe2O3和MgO等反应生成熔点较高的复合尖晶石相，填充于气孔中，起阻塞气孔通道的作用[9]，可以阻止渣的侵蚀，Cr2O3含量9%的试样抗侵蚀性能高于Cr2O3含量3%的试样，因此其抗渣的侵蚀性能较好。添加锆英石时，高温下锆英石分解生成的ZrO2晶粒，抗侵蚀性能优良，不与熔渣发生反应，但锆英石在晶型转变的过程中形成裂纹，使试样的烧结性能下降，强度降低，但对提高抗热震性有利；但抗侵蚀时，熔渣通过裂纹侵蚀基质中的Al2O3和SiO2，生成低熔点物相，因此其抗侵蚀性能提高幅度不大，但仍优于刚玉莫来石质浇注料。刚玉尖晶石浇注料的显气孔率较高，但电熔尖晶石具有良好的抗侵蚀性能，与熔渣反应不明显，因此其抗炉渣的侵蚀性能好[10]。3结语文中对比刚玉基浇注料的常温性能、热震稳定性和抗渣性，刚玉莫来石浇注料容易烧结，但易于熔渣反应，抗侵蚀性能最差；加锆英石的浇注料气孔率高、强度相对较低，抗炉渣的侵蚀性能有所提高，但具有良好的热震稳定性；刚玉尖晶石浇注料的显气孔率较高，抗侵蚀性能较好；铬刚玉浇注料具有较高的强度和较好的抗渣侵蚀性能，且Cr2O3含量越高其抗侵蚀性能越好。因此，含氧化铬的刚玉基浇注料是危废焚烧回转窑较好的候选材料，有望用于回转窑取得优异的使用效果。