紅柱石的粒度對莫來石_剛玉材料性能的影響

1、收稿日期:2004-12-12作者簡介:郭敬娜(1979,女,碩士研究生,主要研究方向?yàn)楦邷靥沾膳c耐火材料的應(yīng)用.文章編號:1001-6988(20050120004204紅柱石的粒度對莫來石-剛玉材料性能的影響郭敬娜1,林先橋1,王渝斌2(11武漢科技大學(xué)高溫陶瓷與耐火材料湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430081;21武漢威林爐襯材料有限責(zé)任公司,湖北武漢430081摘要:初步探討了不同粒度的紅柱石對莫來石-剛玉復(fù)合材料的燒結(jié)性能和熱膨脹性能的影響,并著重討論了隨著溫度的變化,紅柱石的粒度對莫來石-剛玉復(fù)合材料的體積效應(yīng)的影響規(guī)律。得出:隨著紅柱石顆粒變大,試樣的體積增大效應(yīng)越明顯,耐壓強(qiáng)度則

2、減小。加入紅柱石粒度大于015mm 的試樣在高于1500煅燒后具有莫來石化“潛能”。關(guān)鍵詞:粒度;紅柱石;莫來石;剛玉中圖分類號:T Q17511+2文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AE ffect of P article Size of Andalusite on Propertiesof Mullite-Corundum CompositesG UO Jing 2na 1,LI N X ian 2qiao 1,W ANG Y u 2bin 2(11The Hubei Province K ey Lab o f Refractory and Ceramic ,Wuhan Univer sity o f Sci

3、ence and Technology ,Wuhan 430081,China ;21Wuhan Winner Furnace Line Material Co.Ltd.,Wuhan 430081,China Abstract :This paper studied the effect of particle size of andalusite on properties of Mullite-corundum com 2posites.The results showed that with the increasing of particle size of andalusite th

4、e increasing of the bulk of the sam ple became apparent.But the code cross strength of the sam ple decreased.When the particle size of andalusite are greater then 0.5mm the saple fired at 1500have the “unequilibrium effect ”which can com posite mullite.K ey w ords :particle size ;andalusite ;Mullite

5、 ;corundum0概述近年來隨著高爐冶煉的強(qiáng)化,高爐的熱風(fēng)溫度也不斷提高,最高溫度區(qū)(頂部達(dá)1450以上,下部承受高溫荷重及周期性反復(fù)波動(一般為100120左右,對耐火材料的高溫蠕變性能、熱震穩(wěn)定性能、荷重軟化溫度均提出了高的要求。根據(jù)國內(nèi)外熱風(fēng)爐砌體的破損調(diào)查結(jié)果,人們對熱風(fēng)爐用耐火材料越來越注重其抗蠕變性能。由于密度的差異(紅柱石311313g/cm 3,莫來石3103g/cm 3,在高溫下紅柱石相變?yōu)槟獊硎瘯r,必然產(chǎn)生膨脹效應(yīng),由此可使用紅柱石作為添加劑。紅柱石在莫來石化過程中產(chǎn)生的體積膨脹率一般為3%5%。由于紅柱石的膨脹小,其莫來石化過程延續(xù)到耐火材料的整個使用周期,而且在這一

6、過程中,制品及其基料的性能不發(fā)生任何惡化1。本實(shí)驗(yàn)技術(shù)思路主要是:在莫來石-剛玉配料中加入紅柱石,利用其在使用或試驗(yàn)過程中發(fā)生不平衡反應(yīng),繼續(xù)莫來石化伴隨的膨脹,來補(bǔ)償高溫負(fù)荷下產(chǎn)生的收縮。4I ndustrial Furnace V ol.27N o.1Jan.20051實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)用主要原料有電熔白剛玉細(xì)粉、莫來石、紅柱石,其化學(xué)組成見表1。選用的莫來石的粒度分別為21mm、10.5mm?；|(zhì)部分采用電熔白剛玉,同時添加了SiO2微粉等結(jié)合劑。表1原料的化學(xué)質(zhì)量組成(%原料S iO2Al2O3Fe2O3CaO M gO K2O Na2O T iO2I L紅柱石39175581390152010

7、101390115010301150122莫來石42146541950145010701260133010311300109白剛玉981970122013001030102010250102101012將上述各原料按照不同的比例進(jìn)行配料,加入紅柱石的粒度分別為21mm、10.5mm、0.50.2mm、0.20.088mm以及<0.088mm(細(xì)粉,對應(yīng)的試樣分別記作1#、2#、3#、4#、5#,紅柱石的加入量分別為10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)。每組配料加水?dāng)嚢?min后,采用壓制成型的方法將原料壓成 36mm×36mm的試樣,然后將試樣110干燥24h后,分別在1300、1400、1500

8、、1600保溫3h煅燒。用游標(biāo)卡尺測量試樣燒前燒后的直徑,并計(jì)算試樣的燒后線變化率。根據(jù)國標(biāo)法規(guī)定的測試方法測定試樣的顯氣孔率、體積密度。用壓力試驗(yàn)機(jī)測定試樣的常溫耐壓強(qiáng)度。用XRD分析紅柱石燒后的相組成。2結(jié)果與討論211差熱分析本實(shí)驗(yàn)用Netzschsta-449C對5#試樣的基質(zhì)部分做熱分析,實(shí)驗(yàn)條件如下:升溫速度為5/min,從室溫升到1500。在試樣的煅燒過程中將發(fā)生如下反應(yīng):3(Al2O3SiO23Al2O32SiO2+SiO2(12SiO2+3Al2O33Al2O32SiO2(2式(1為紅柱石的分解反應(yīng),即一次莫來石化,此反應(yīng)伴隨的體積膨脹為3%5%。式(2為式(1反應(yīng)生成的Si

9、O2與試樣中的Al 2O3的反應(yīng),即二次莫來石化反應(yīng)。二次莫來石化反應(yīng)會產(chǎn)生較大的體積膨脹,一般為10%左右。圖1是試樣5#的基質(zhì)部分的DSC曲線圖。從圖中可以看出,隨著溫度的變化,曲線的波動比較大,在1200之后,曲線上出現(xiàn)了許多程度不等的吸熱峰,其中兩個比較大的吸熱峰是A和B。A峰出現(xiàn)在1300左右,B峰出現(xiàn)在1450左右。結(jié)合衍射圖3可知,在12001300之間的吸熱峰,是由于紅柱石的分解形成的。紅柱石細(xì)粉在1200左右開始分解,由峰值的大小可以推出,此時紅柱石的分解量不是很大,分解速度也不快。到1350時,現(xiàn)出了一個較大的吸熱峰,說明在這個溫度紅柱石的分解迅速進(jìn)行。隨著溫度的升高,到1

10、450時又出現(xiàn)了一個比較大的吸熱峰B峰,這個峰應(yīng)該是二次莫來石化形成的。圖15#試樣的基質(zhì)部分的DSC曲線通過對燒后紅柱石的分析可知,紅柱石分解后形成的SiO2為方石英和SiO2玻璃相。Saruhan2等認(rèn)為在方石英2Al2O3系統(tǒng)及SiO2玻璃2Al2O3系統(tǒng)中,莫來石化反應(yīng)開始于1470,開始時反應(yīng)速度較慢,然后隨著溫度的升高(<1570,反應(yīng)速度加快。最后,在1600以上,反應(yīng)物熔融產(chǎn)生液相,反應(yīng)速率再次加快。這個結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本上一致。所以在本次實(shí)驗(yàn)中當(dāng)加入紅柱石的粒度<0.088mm時,二次莫來石的形成在1450左右。但是,二次莫來石的形成還和原料的粒度有關(guān),一般來

11、說粒度越大,所需的形成溫度越高。212紅柱石的粒度對莫來石-剛玉材料熱膨脹性能的影響圖2是不同粒度的紅柱石對試樣的線膨脹率的5工業(yè)爐第27卷第1期2005年1月 影響。由圖可以看出,在1100之前,試樣的體積一直在連續(xù)膨脹,在11001300之間試樣的體積處于收縮階段,在1300之后試樣的體積又開始變?yōu)榕蛎?。由圖還可看出,隨著紅柱石的粒度的增大,試樣的線膨脹率也變大 。圖2紅柱石粒度對試樣的線膨脹率的影響Winter 和G hose (1979年曾測定了3由室溫至1000紅柱石晶胞參數(shù)的變化。研究結(jié)果表明,紅柱石晶胞在1000以下即已開始物理膨脹。莫來石、剛玉隨著溫度的升高,也會產(chǎn)生物理膨脹。

12、因此試樣在1100之前的體積膨脹應(yīng)該是試樣內(nèi)部顆粒自身膨脹產(chǎn)生的。在11001300之間的體積收縮可能是試樣中的低熔點(diǎn)雜質(zhì)生成了液相,試樣開始進(jìn)行燒結(jié),內(nèi)部有物質(zhì)遷移,使體積產(chǎn)生了收縮。1300之后,試樣的體積又開始膨脹,如前所述是由于試樣內(nèi)部發(fā)生了使體積膨脹的相變反應(yīng)。213紅柱石的粒度對莫來石-剛玉材料的燒結(jié)性能的影響紅柱石的粒度對莫來石-剛玉材料的燒后線變化率的影響規(guī)律見圖3。在試樣的煅燒過程中,試樣內(nèi)部將會發(fā)生使體積增大的相變反應(yīng),另外隨著煅燒溫度的提高,試樣的坯體會變得致密,體積產(chǎn)生收縮。所以燒結(jié)后試樣究竟是變大還是變小,要綜合考慮,如果以相變?yōu)橹鲗?dǎo),則表現(xiàn)為膨脹。如果以燒結(jié)為主導(dǎo),

13、 則表現(xiàn)為收縮。(a 不同溫度下紅柱石的粒度對試樣 的燒后線變化率的影響(b 不同溫度下紅柱石的粒度對試樣的耐壓強(qiáng)度的影響圖3紅柱石的粒度對試樣的燒結(jié)性能的影響圖3(a 為不同溫度下紅柱石的粒度對試樣的燒后線變化的影響。從圖可知,在14001500之間折線的傾斜率最大,而且燒后線變化率由負(fù)值變?yōu)檎?說明在這個溫度段試樣內(nèi)部發(fā)生了劇烈的體積膨脹反應(yīng)。由圖4(b 可知,在1500時,其它各個粒度的紅柱石顆粒均已大量分解,所以在這個溫度段內(nèi)由紅柱石分解產(chǎn)生的體積膨脹最大。另外,在這個階段試樣中莫來石合成劇烈,晶粒長大,也使體積迅速膨脹,基于以上兩方面的原因,試樣在這個溫度段以相變?yōu)橹?試樣的體積膨

14、脹最大。從圖3(a 中還可以發(fā)現(xiàn)在1500之前,加入紅柱石的粒度為0151.0m m 的試樣(2#的燒后線變化率最大。這是因?yàn)樵?500之前,粒度為0.51.0mm 的紅柱石的分解比粒度為21mm 的紅柱石的分解要多一些,所以體積膨脹要大一些。在15001600之間,加入紅柱石的粒度小于0.5mm 的試樣(3#、4#、5#,體積開始產(chǎn)生收縮。由圖4(c 可以看出,在1600燒后,D 、E 二種紅柱石的峰仍在迅速變?nèi)?說明在15001600煅燒時,相變反應(yīng)仍在迅速進(jìn)行,但是紅柱石的分解和二次莫來石的形成在1500之前已基本完成。因此在15001600時試樣的體積增大效應(yīng)不是很明顯,燒結(jié)效應(yīng)大于相

15、應(yīng)效應(yīng)。而對于加入紅柱石的粒度大于0.5mm 的試樣(1#、2#,體積仍然在膨脹,但是膨脹得不是很劇烈。在圖4(c 中B 、C 兩種紅柱石的主峰變化不是很大。說明粒度大于0.5mm 的紅柱石在高于6實(shí)驗(yàn)研究:紅柱石的粒度對莫來石-剛玉復(fù)合材料性能的影響1500的溫度煅燒后,分解已經(jīng)不是很明顯。所以當(dāng)試樣中紅柱石的粒度大于015mm 時,試樣在1500后仍有莫來石化反應(yīng)進(jìn)行,當(dāng)制品在高溫荷載下使用時, 可以提高制品的高溫強(qiáng)度。(a 1400 (b 1500 (c 1600A 未燒的紅柱石B 粒度為21mmC 粒度為10.5mmD 粒度為0.50.2mmE 粒度為0.20.088mmF 粒度<

16、;0.088mm圖4不同粒度的紅柱石在1400、1500、1600燒后的X R D 圖圖3(b 為紅柱石的粒度對試樣的耐壓強(qiáng)度的影響。燒后試樣的耐壓強(qiáng)度取決于顆粒內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間的結(jié)合力和相界面的結(jié)合力的大小。從圖可以看出加入紅柱石的粒度大于012mm 的試樣(1#、2#、3#的耐壓強(qiáng)度明顯小于加入紅柱石的粒度小于0.2mm 的試樣(4#、5#。這主要是因?yàn)楫?dāng)試樣中加入粒度比較大的紅柱石顆料時,試樣的體積膨脹較大,致使內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散。而加入紅柱石的顆粒的粒度小時,試樣的膨脹率小,有的甚至表現(xiàn)為收縮,此時試樣燒結(jié)致密,所以耐壓強(qiáng)度變大。表2為燒后試樣的體積密度和顯氣孔率。在13001600之間的不同溫度

17、下煅燒后,試樣的體積密度介于21212.27g/cm 3,顯氣孔率在24.97%27.48%之間。如表2所示,與試樣的收縮和膨脹無明顯的對應(yīng)關(guān)系。這可能是因?yàn)樵谠嚇拥撵褵^程中形成了閉口氣孔,從而使顯氣孔率及其對應(yīng)的體積密度與試樣的燒后線變化率無明顯的對應(yīng)關(guān)系。表2燒后試樣的物理性能處理溫度/紅柱石粒度/mm 體積密度/g cm -3顯氣孔率/%13002110.50.50.20.50.088<0.088 2.222.232.232.232.2227.3026.8326.9226.6927.4214002110.50.50.20.50.088<0.088 2.222.222.232

18、.212.2527.4827.1926.7226.5126.3915002110.50.50.20.50.088<0.08821262125212521232124251412611726162271042618616002110.50.50.20.50.088<0.0882127212521242123212424197261282615827101261493結(jié)論將紅柱石作為添加劑加入到莫來石-剛玉復(fù)合(下轉(zhuǎn)第14頁7工業(yè)爐第27卷第1期2005年1月項(xiàng)目”。該項(xiàng)目旨在中國示范并推廣一種基于市場的節(jié)能機(jī)制“合同能源管理”的成功經(jīng)驗(yàn),我國按市場經(jīng)濟(jì)運(yùn)作的“節(jié)能服務(wù)公司”(E MC

19、應(yīng)運(yùn)而生。E MC通過與節(jié)能改造的客戶簽訂節(jié)能服務(wù)合同,向客戶提供技術(shù)改造資金、能源效益審計(jì)、節(jié)能項(xiàng)目設(shè)計(jì)、原材料和設(shè)備采購、施工、培訓(xùn)、運(yùn)行維護(hù)、節(jié)能量檢測等一條龍綜合性服務(wù),通過與客戶分享項(xiàng)目投產(chǎn)后的節(jié)能效益來實(shí)現(xiàn)自身的滾動發(fā)展。我國是世界上僅次于美國的第二能源消費(fèi)大國,同時也是能源利用效率較低的國家。大量的典型案例研究和市場調(diào)查分析表明,目前在能源用戶中存在大量的技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)上合理的節(jié)能技改項(xiàng)目,這些項(xiàng)目完全可以通過商業(yè)性的以贏利為目的的E MC來實(shí)施。4.2國內(nèi)EMC在發(fā)展2001年7月北京神霧熱能技術(shù)有限公司參與組織策劃實(shí)施了國內(nèi)首例利用“國家經(jīng)貿(mào)委/世界銀行/全球環(huán)境基金/中國節(jié)

20、能促進(jìn)項(xiàng)目”辦公室專項(xiàng)節(jié)能改造資金1465萬人民幣(全部由世行提供,采用蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù),利用國外通用的E MC合同能源管理模式,在國內(nèi)大型特殊鋼企業(yè)湖北冶鋼集團(tuán)下屬的東鋼軋鋼廠650推鋼爐、大冶特殊鋼430推鋼爐的空氣、煤氣雙預(yù)熱的技改項(xiàng)目,實(shí)施方法為技術(shù)總負(fù)責(zé)、工程總承包、交鑰匙工程。目前,國家經(jīng)貿(mào)委正利用世界銀行的貸款和全球環(huán)境基金的贈款實(shí)施“國家經(jīng)貿(mào)委/世界銀行/全球環(huán)境基金中國節(jié)能促進(jìn)項(xiàng)目”。項(xiàng)目一期成立了三家(北京、遼寧、山東示范性的E MC。幾年來的實(shí)踐表明,“合同能源管理”機(jī)制在中國是可行的, E MC是可以盈利和發(fā)展的。但在E MC產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過程中還缺少國內(nèi)金融機(jī)構(gòu)的介

21、入,這是目前仍存在的一個障礙。因此在幫助有興趣的機(jī)構(gòu)了解“合同能源管理”的基本原理,借鑒己取得的經(jīng)驗(yàn)等方面還有大量的工作要做。世界銀行現(xiàn)正與國家經(jīng)貿(mào)委合作開發(fā)重要的項(xiàng)目二期工作,其目標(biāo)就是在我國通過新E MC的開發(fā)推廣,促進(jìn)E MC的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。目前眾多的節(jié)能環(huán)保技術(shù)公司作為世行/GEF中國節(jié)能項(xiàng)目辦“二期實(shí)施方案中”的工業(yè)窯爐、節(jié)能與環(huán)保及高溫空氣燃燒技術(shù)領(lǐng)域被推薦的制造廠商代表,都在積極申請加入二期的行列。從較成熟的市場經(jīng)濟(jì)國家的節(jié)能事業(yè)發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)和我國的實(shí)際情況來看,“合同能源管理”這種節(jié)能新機(jī)制同樣適于我國的實(shí)際情況,更適于節(jié)能環(huán)保技術(shù)公司在市場經(jīng)濟(jì)規(guī)范下的運(yùn)營和發(fā)展。因?yàn)樽龊霉?jié)能降耗工作,是貫徹落實(shí)“人口、資源、環(huán)境”可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一個重要組成部分,所以“合同能源管理”代表了現(xiàn)階段先進(jìn)生產(chǎn)力的發(fā)展要求。5結(jié)束語高溫空氣燃燒技術(shù)作為新一代全新的富于吸引力的高效、低污染燃燒技術(shù),在我國已逐步