紅柱石對(duì)礬土燒結(jié)性能分析

/細(xì)粉紅柱石對(duì)礬土燒結(jié)性能的影響分析摘要以紅柱石和礬土為主要原料,粘土為燒結(jié)劑,紙漿廢液為結(jié)合劑。在142０℃×3ｈ燒成制度下，研究了紅柱石的細(xì)粉加入量對(duì)材料線(xiàn)變化率、耐壓強(qiáng)度和抗急冷急熱性能的影響.結(jié)果表明：在1420℃×3h條件下，紅柱石分解出的針狀莫來(lái)石晶體交結(jié)呈網(wǎng)絡(luò)狀,強(qiáng)化了材料的組織結(jié)構(gòu)，改善了材料的物理性能。本試驗(yàn)中紅柱石細(xì)粉的合適加入量為10～15％.關(guān)鍵詞紅柱石；礬土;燒成制度；莫來(lái)石前言礬土抗酸、堿性熔渣侵蝕性強(qiáng),高溫機(jī)械強(qiáng)度大，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、有色等行業(yè)，但其抗急冷熱能力差、高溫體積穩(wěn)定性不好，導(dǎo)致材料的變形和剝落，降低材料的使用壽命。目前國(guó)內(nèi)基本采用加入人工合成莫來(lái)石的方法來(lái)克服其缺點(diǎn),然而人工合成莫來(lái)石的價(jià)格高,材料成本高,限制了人工合成莫來(lái)石的使用。紅柱石屬熱蝕變礦物，雜質(zhì)含量低，在1350~１５00℃可分解成莫來(lái)石(3Al2O3·２SiO２)和SiO2，并伴隨著3~5％的體積膨脹［１],由于體積膨脹，可抵消其他原料在高溫下的體積收縮，對(duì)材料的高溫體積穩(wěn)定性非常有利，能保持材料在使用中的外形尺寸準(zhǔn)確;生成的莫來(lái)石熱膨脹率小，針、柱狀晶型形成的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)對(duì)材料的熱震性和高溫力學(xué)性能非常有利。本文通過(guò)在礬土中引入紅柱石，研究了紅柱石細(xì)粉的燒結(jié)性能對(duì)礬土材料性能的影響,為紅柱石的利用開(kāi)發(fā)和提高礬土材料性能的研究作了一些基礎(chǔ)工作.１原料紅柱石礦選用河南西峽,其主要礦物為紅柱石，含少量石英質(zhì)礦物等雜質(zhì),其化學(xué)組成見(jiàn)表1。礬土選用山西陽(yáng)泉的特級(jí)料，其主要礦物為剛玉和少量莫來(lái)石,雜質(zhì)含量低,燒結(jié)良好,體積密度3.3g／cm3,耐火度大于1790℃，化學(xué)成分如表1。粘土為軟質(zhì)粘土,其主要礦物為高嶺石，雜質(zhì)含量高，起燒結(jié)劑和部分結(jié)合劑作用，化學(xué)成分如表1。表１原料化學(xué)成分Ｔabｌe1Ｃhemicalcoｍpositionofraｗmatｅrｉals項(xiàng)目ＡＬ2O３SｉO2ＭｇOCaOK2OＮａ2OＦｅ2Ｏ３TiＯ2紅柱石59。0２37．84０。140。３６0.180.121。５00．2１礬土8７。348。200．１20.20o．140。111.202．30粘土37．６0４８。１30.34０.460.750.62１．63０。562實(shí)驗(yàn)2.1粒度配比：在保持一定的強(qiáng)度下，增加配料中＞１mm的顆粒含量，可以有效阻礙細(xì)粉中微細(xì)裂紋的擴(kuò)展,提高材料的抗急冷急熱性能[2];采用粗、中、細(xì)三級(jí)顆粒配比，以粗粒和細(xì)粒比例較大,中粒比例較少,以實(shí)現(xiàn)顆粒料的密集堆積，提高材料的致密度和材料的抗力學(xué)性能.2.2細(xì)粉的配比細(xì)粉對(duì)材料的燒結(jié)結(jié)合和高溫性能非常重要，為了保證細(xì)粉中莫來(lái)石的最大生成量,從Al2O３—SiO２二元系可知:細(xì)粉化學(xué)成分應(yīng)按Aｌ2Ｏ3含量68~7５％,SｉＯ2含量3２～25%進(jìn)行配比，但在實(shí)際燒結(jié)中由于二氧化硅的少量揮發(fā)和還原［3］;以及和基質(zhì)中的堿金屬氧化物作用形成低熔點(diǎn)化合物而損耗，從而使Ａl2O３含量相對(duì)升高出現(xiàn)過(guò)剩，導(dǎo)致剛玉相增加,而莫來(lái)石量減少，所以實(shí)驗(yàn)中Al2O3含量應(yīng)低于理論值約為60～65%。作為結(jié)合劑的粘土主要是保證試樣的成型和降低燒結(jié)溫度，要求其具有良好的塑性和結(jié)合性，但用量應(yīng)嚴(yán)格限制在3～5％，一方面：其雜質(zhì)多,易形成低融物；另一方面,本身大量的SiＯ2存在,再加上紅柱石轉(zhuǎn)化成成莫來(lái)石（3Aｌ２Ｏ3·2SiＯ2）分離出的SiO2，會(huì)導(dǎo)致游離ＳiO2含量過(guò)剩，對(duì)高溫性能不利。２。3試樣的制備：將紅柱石和礬土加工成３~2mm、2~１mm、1~０。1mm顆粒，粘土和礬土共同磨粉<0。044mm。原料配好后壓制成ф50mm×5０mｍ試樣，于1１０℃干燥2４h。2.3燒成１3５０～１500℃為紅柱石莫來(lái)石化轉(zhuǎn)化期，14０0℃為劇烈轉(zhuǎn)化期[4]。為提高莫來(lái)石的生成量，本試驗(yàn)將燒成定為1420℃×3h。燒成后試樣的性能測(cè)試包括體積密度、線(xiàn)變化率、耐壓強(qiáng)度和抗急冷急熱性能（1100℃水冷次數(shù)）。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論3。1試樣的物理性能燒后試樣斷面結(jié)構(gòu)致密，外觀沒(méi)有膨脹變形和熔化過(guò)熔現(xiàn)象,燒成試樣的物理性能見(jiàn)表2。表2試樣的物理性能Taｂｌｅ.2Pｈysiｃａlpｒopｅrtｉesoｆtｈespecimｅnｓ項(xiàng)目紅柱石（%）體積密度(g/ｃｍ３）燒后線(xiàn)變化(％)耐壓強(qiáng)度(Ｍpa）抗急冷急熱性(次）０2.85－0．１５５71252.54—0.13６0１6102.5０—０。2167.42６１52。４70．038７.6322０２．４０0.1260.5293．2試樣的顯微組織結(jié)構(gòu)顯微結(jié)構(gòu)中，小顆粒的紅柱石已基本完全莫來(lái)石化.大顆粒紅柱石的莫來(lái)石化反應(yīng)邊比較明顯,莫來(lái)石均呈針狀、柱狀晶體,沿紅柱石顆粒裂隙由于莫來(lái)石化的膨脹作用而有明顯的破裂現(xiàn)象(見(jiàn)圖1-ａ），偶而可見(jiàn)一些粗大的莫來(lái)石柱狀晶體，可能系重結(jié)晶或二次莫來(lái)石晶體。細(xì)粉中分布著許多莫來(lái)石針狀小晶體，與顆粒紅柱石的莫來(lái)石化晶體呈相互交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖１-ｂ）,強(qiáng)化了細(xì)粉與顆粒的結(jié)合程度,試樣結(jié)構(gòu)致密,玻璃相和氣孔較少，細(xì)粉的強(qiáng)化和莫來(lái)石骨架顆粒的發(fā)育對(duì)試樣的物理性能有利。(a）莫來(lái)石反應(yīng)邊顯微照片（×40０)（b）針狀莫來(lái)石晶體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(×400）圖115%紅柱石加入量的試樣1420℃×3h燒后顯微特征Ｆig．1Pｈotoｇraｐｈｓoｆspecimｅnsfiredaｔ1420℃for3hｗiｔh1５%aｎdａlｕsiｔeaddｔitiｏn3．4紅柱石的加入量對(duì)燒后線(xiàn)變化率的影響細(xì)粉中紅柱石的加入量對(duì)試樣燒后線(xiàn)變化率和體積密度的影響見(jiàn)圖２、圖3。圖２紅柱石加入量對(duì)試樣燒后線(xiàn)變化率的影響Fig.2Effectoｆandalｕsｉteaｄdiｔｉonoｎlｉnearcｈａngeraｔe圖3紅柱石加入量對(duì)試樣體積密度的影響Fig.３Eｆfectofanｄalusiteadditiononbｕlｋdenｓitｙ由于紅柱石的體積密度(3。1~３.3ｇ/ｃm３）大于莫來(lái)石的體積密度３.０3g/cm３），在試樣的燒結(jié)過(guò)程中,紅柱石向莫來(lái)石的轉(zhuǎn)換會(huì)引起試樣體積會(huì)發(fā)生增大的效應(yīng).同時(shí)試樣內(nèi)部也會(huì)發(fā)生液相燒結(jié),液相充填氣孔,使試樣結(jié)構(gòu)致密化，體積產(chǎn)生收縮。所以燒結(jié)后試樣體積究竟是變大還是變小，要綜合考慮,如果以相變?yōu)橹?則表現(xiàn)為膨脹.如果以液相燒結(jié)為主,則表現(xiàn)為收縮.產(chǎn)生膨脹的原因:紅柱石在130０℃左右開(kāi)始分解成莫來(lái)石的膨脹效應(yīng)（反應(yīng)1）;以及紅柱石分解形成的游離石英與礬土中的剛玉相（Ａl2O3）在1400℃左右生成二次莫來(lái)石的膨脹（反應(yīng)２)［５］。由于礬土以細(xì)粉形式加入,在燒結(jié)過(guò)程中能在試樣中形成均勻分布的莫來(lái)石細(xì)小晶體，強(qiáng)化細(xì)粉與顆粒之間的結(jié)合.3Ａｌ2Ｏ３·SiO２→3Al２O3·2SiO2＋SiO2(1)3Ａl2Ｏ3+2SiO2→3Ａl２Ｏ3·2SiＯ2（莫來(lái)石）(2）產(chǎn)生收縮是由于燒結(jié)過(guò)程中液相充填氣孔引起。液相產(chǎn)生的原因：結(jié)合粘土屬于軟質(zhì)粘土，Ｒ2O雜質(zhì)含量高，由Al2Ｏ3-SiO２—R2Ｏ三元系可知，其低共熔液相溫度在900℃左右[6］，即在900℃左右粘土開(kāi)始形成液相并充填氣孔。在本試驗(yàn)中粘土含量是定值，隨著紅柱石含量的增加，莫來(lái)石生成量逐漸增多,試樣燒后膨脹效應(yīng)逐漸增強(qiáng),線(xiàn)變化率如圖２：由負(fù)值逐漸變成正值，即由燒后收縮逐漸變成燒后膨脹。膨脹的結(jié)果引起材料的氣孔增加，體積密度下降,如圖3所示。3.5紅柱石對(duì)耐壓強(qiáng)度的影響細(xì)粉中紅柱石的加入量對(duì)試樣耐壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖４.隨著紅柱石含量的增加,燒后線(xiàn)變化率的增大會(huì)引起材料的結(jié)構(gòu)疏松，氣孔率增加，常溫耐壓強(qiáng)度逐漸下降；同時(shí),紅柱石含量的增加，也會(huì)增加細(xì)粉中莫來(lái)石的含量，莫來(lái)石的增加可強(qiáng)化細(xì)粉之間及細(xì)粉與顆粒之間的結(jié)合,提高耐壓強(qiáng)度.紅柱石含量小于5％時(shí)，由于紅柱石含量較少,生成的莫來(lái)石量少，體積膨脹量小，紅柱石轉(zhuǎn)化成莫來(lái)石的強(qiáng)化作用和膨脹造成的結(jié)構(gòu)疏松作用相對(duì)較弱；此時(shí)主以液相充填氣孔,結(jié)構(gòu)致密化為主，玻璃相的增加導(dǎo)致耐壓強(qiáng)度相對(duì)較小。隨著紅柱石含量的增加,紅柱石的莫來(lái)石化作用加強(qiáng)，細(xì)粉中莫來(lái)石增加,體積膨脹增大，雖然體積膨脹對(duì)耐壓強(qiáng)度不利,但此時(shí)占主導(dǎo)作用的是細(xì)粉中莫來(lái)石形成的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可加強(qiáng)細(xì)粉與顆粒之間的結(jié)合，提高耐壓強(qiáng)度。當(dāng)紅柱石含量大于15％時(shí)，由于膨脹量過(guò)大，材料的結(jié)構(gòu)疏松對(duì)強(qiáng)度的影響較大,引起常溫耐壓強(qiáng)度逐漸下降。綜合而言，本實(shí)驗(yàn)細(xì)粉中紅柱石加入量過(guò)少，紅柱石的膨脹效應(yīng)和莫來(lái)石化作用減弱；加入量過(guò)多，膨脹量過(guò)大，造成結(jié)構(gòu)疏松。合適加入量為１０～1５％。圖４紅柱石加入量對(duì)試樣耐壓強(qiáng)度的影響Fig.4Eｆｆectoｆanｄalusiteadditｉononcrushstｒength3.5紅柱石對(duì)抗急冷急熱性能的影響細(xì)粉中紅柱石的加入量對(duì)試樣抗急冷急熱能力的影響見(jiàn)圖5。圖5紅柱石加入量對(duì)對(duì)抗急冷急熱性能的影響`｀```````````Ｆig.5Effectofandａlusｉｔｅaｄｄitiｏnonthermalshocｋ溫度的變化引起材料的膨脹或收縮，在材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致材料形成裂紋，裂紋擴(kuò)展的結(jié)果引起材料的剝落或斷裂。對(duì)于由顆粒和細(xì)粉組成的材料而言,裂紋往往先在細(xì)粉中產(chǎn)生并擴(kuò)展，顆粒阻礙微細(xì)裂紋的擴(kuò)展。當(dāng)紅柱石含量小于1５％時(shí),隨著紅細(xì)粉紅柱石含量的增加,細(xì)粉中莫來(lái)石含量增加，材料的抗急冷急熱能力提高。但當(dāng)紅柱石含量大于1５%時(shí),由于膨脹量過(guò)大，材料中氣孔增加,氣孔的地?zé)醾鲗?dǎo)影響了材料溫度的均勻性,在材料內(nèi)部產(chǎn)生溫度差，導(dǎo)致材料的不均勻性膨脹或收縮，材料的抗急冷急熱能力下降。4結(jié)論紅柱石細(xì)粉在高溫下分解生成的莫來(lái)石既可以強(qiáng)化細(xì)粉與顆粒的結(jié)合,提高材料的性能，又可能因過(guò)大的膨脹導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疏松，降低材料性能。本試驗(yàn)中10～1５%紅柱石細(xì)粉的加入，在１４20℃×3h燒成溫度下,紅柱石分解生成的針、柱狀莫來(lái)石強(qiáng)化了細(xì)粉與顆粒的結(jié)合程度，提高了試樣的耐壓強(qiáng)度、抗急冷急熱能力和高溫下的體積穩(wěn)定性。參考文獻(xiàn)：[1］楊直夫譯。紅柱石—生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)耐火材料用最有前途的材料[Ｊ］．國(guó)外耐火材料，２00４，３1（3)：３2-37.［2］王瓊