紅柱石對礬土燒結性能分析

/細粉紅柱石對礬土燒結性能的影響分析摘要以紅柱石和礬土為主要原料,粘土為燒結劑,紙漿廢液為結合劑。在142０℃×3ｈ燒成制度下，研究了紅柱石的細粉加入量對材料線變化率、耐壓強度和抗急冷急熱性能的影響.結果表明：在1420℃×3h條件下，紅柱石分解出的針狀莫來石晶體交結呈網絡狀,強化了材料的組織結構，改善了材料的物理性能。本試驗中紅柱石細粉的合適加入量為10～15％.關鍵詞紅柱石；礬土;燒成制度；莫來石前言礬土抗酸、堿性熔渣侵蝕性強,高溫機械強度大，廣泛應用于鋼鐵、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，導致材料的變形和剝落，降低材料的使用壽命。目前國內基本采用加入人工合成莫來石的方法來克服其缺點,然而人工合成莫來石的價格高,材料成本高,限制了人工合成莫來石的使用。紅柱石屬熱蝕變礦物，雜質含量低，在1350~１５00℃可分解成莫來石(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確;生成的莫來石熱膨脹率小，針、柱狀晶型形成的網絡狀結構對材料的熱震性和高溫力學性能非常有利。本文通過在礬土中引入紅柱石，研究了紅柱石細粉的燒結性能對礬土材料性能的影響,為紅柱石的利用開發(fā)和提高礬土材料性能的研究作了一些基礎工作.１原料紅柱石礦選用河南西峽,其主要礦物為紅柱石，含少量石英質礦物等雜質,其化學組成見表1。礬土選用山西陽泉的特級料，其主要礦物為剛玉和少量莫來石,雜質含量低,燒結良好,體積密度3.3g／cm3,耐火度大于1790℃，化學成分如表1。粘土為軟質粘土,其主要礦物為高嶺石，雜質含量高，起燒結劑和部分結合劑作用，化學成分如表1。表１原料化學成分Ｔabｌe1Ｃhemicalcoｍpositionofraｗmatｅrｉals項目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實驗2.1粒度配比：在保持一定的強度下，增加配料中＞１mm的顆粒含量，可以有效阻礙細粉中微細裂紋的擴展,提高材料的抗急冷急熱性能[2];采用粗、中、細三級顆粒配比，以粗粒和細粒比例較大,中粒比例較少,以實現顆粒料的密集堆積，提高材料的致密度和材料的抗力學性能.2.2細粉的配比細粉對材料的燒結結合和高溫性能非常重要，為了保證細粉中莫來石的最大生成量,從Al2O３—SiO２二元系可知:細粉化學成分應按Aｌ2Ｏ3含量68~7５％,SｉＯ2含量3２～25%進行配比，但在實際燒結中由于二氧化硅的少量揮發(fā)和還原［3］;以及和基質中的堿金屬氧化物作用形成低熔點化合物而損耗，從而使Ａl2O３含量相對升高出現過剩，導致剛玉相增加,而莫來石量減少，所以實驗中Al2O3含量應低于理論值約為60～65%。作為結合劑的粘土主要是保證試樣的成型和降低燒結溫度，要求其具有良好的塑性和結合性，但用量應嚴格限制在3～5％，一方面：其雜質多,易形成低融物；另一方面,本身大量的SiＯ2存在,再加上紅柱石轉化成成莫來石（3Aｌ２Ｏ3·2SiＯ2）分離出的SiO2，會導致游離ＳiO2含量過剩，對高溫性能不利。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℃為紅柱石莫來石化轉化期，14０0℃為劇烈轉化期[4]。為提高莫來石的生成量，本試驗將燒成定為1420℃×3h。燒成后試樣的性能測試包括體積密度、線變化率、耐壓強度和抗急冷急熱性能（1100℃水冷次數）。3實驗結果與討論3。1試樣的物理性能燒后試樣斷面結構致密，外觀沒有膨脹變形和熔化過熔現象,燒成試樣的物理性能見表2。表2試樣的物理性能Taｂｌｅ.2Pｈysiｃａlpｒopｅrtｉesoｆtｈespecimｅnｓ項目紅柱石（%）體積密度(g/ｃｍ３）燒后線變化(％)耐壓強度(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試樣的顯微組織結構顯微結構中，小顆粒的紅柱石已基本完全莫來石化.大顆粒紅柱石的莫來石化反應邊比較明顯,莫來石均呈針狀、柱狀晶體,沿紅柱石顆粒裂隙由于莫來石化的膨脹作用而有明顯的破裂現象(見圖1-ａ），偶而可見一些粗大的莫來石柱狀晶體，可能系重結晶或二次莫來石晶體。細粉中分布著許多莫來石針狀小晶體，與顆粒紅柱石的莫來石化晶體呈相互交錯的網絡結構（見圖１-ｂ）,強化了細粉與顆粒的結合程度,試樣結構致密,玻璃相和氣孔較少，細粉的強化和莫來石骨架顆粒的發(fā)育對試樣的物理性能有利。(a）莫來石反應邊顯微照片（×40０)（b）針狀莫來石晶體網絡結構(×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紅柱石的加入量對燒后線變化率的影響細粉中紅柱石的加入量對試樣燒后線變化率和體積密度的影響見圖２、圖3。圖２紅柱石加入量對試樣燒后線變化率的影響Fig.2Effectoｆandalｕsｉteaｄdiｔｉonoｎlｉnearcｈａngeraｔe圖3紅柱石加入量對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）大于莫來石的體積密度３.０3g/cm３），在試樣的燒結過程中,紅柱石向莫來石的轉換會引起試樣體積會發(fā)生增大的效應.同時試樣內部也會發(fā)生液相燒結,液相充填氣孔,使試樣結構致密化，體積產生收縮。所以燒結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?則表現為膨脹.如果以液相燒結為主,則表現為收縮.產生膨脹的原因:紅柱石在130０℃左右開始分解成莫來石的膨脹效應（反應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℃左右生成二次莫來石的膨脹（反應２)［５］。由于礬土以細粉形式加入,在燒結過程中能在試樣中形成均勻分布的莫來石細小晶體，強化細粉與顆粒之間的結合.3Ａｌ2Ｏ３·SiO２→3Al２O3·2SiO2＋SiO2(1)3Ａl2Ｏ3+2SiO2→3Ａl２Ｏ3·2SiＯ2（莫來石）(2）產生收縮是由于燒結過程中液相充填氣孔引起。液相產生的原因：結合粘土屬于軟質粘土，Ｒ2O雜質含量高，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℃左右粘土開始形成液相并充填氣孔。在本試驗中粘土含量是定值，隨著紅柱石含量的增加，莫來石生成量逐漸增多,試樣燒后膨脹效應逐漸增強,線變化率如圖２：由負值逐漸變成正值，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紅柱石對耐壓強度的影響細粉中紅柱石的加入量對試樣耐壓強度的影響見圖４.隨著紅柱石含量的增加,燒后線變化率的增大會引起材料的結構疏松，氣孔率增加，常溫耐壓強度逐漸下降；同時,紅柱石含量的增加，也會增加細粉中莫來石的含量，莫來石的增加可強化細粉之間及細粉與顆粒之間的結合,提高耐壓強度.紅柱石含量小于5％時，由于紅柱石含量較少,生成的莫來石量少，體積膨脹量小，紅柱石轉化成莫來石的強化作用和膨脹造成的結構疏松作用相對較弱；此時主以液相充填氣孔,結構致密化為主，玻璃相的增加導致耐壓強度相對較小。隨著紅柱石含量的增加,紅柱石的莫來石化作用加強，細粉中莫來石增加,體積膨脹增大，雖然體積膨脹對耐壓強度不利,但此時占主導作用的是細粉中莫來石形成的網絡狀結構，此結構可加強細粉與顆粒之間的結合，提高耐壓強度。當紅柱石含量大于15％時，由于膨脹量過大，材料的結構疏松對強度的影響較大,引起常溫耐壓強度逐漸下降。綜合而言，本實驗細粉中紅柱石加入量過少，紅柱石的膨脹效應和莫來石化作用減弱；加入量過多，膨脹量過大，造成結構疏松。合適加入量為１０～1５％。圖４紅柱石加入量對試樣耐壓強度的影響Fig.4Eｆｆectoｆanｄalusiteadditｉononcrushstｒength3.5紅柱石對抗急冷急熱性能的影響細粉中紅柱石的加入量對試樣抗急冷急熱能力的影響見圖5。圖5紅柱石加入量對對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，在材料內部產生應力，導致材料形成裂紋，裂紋擴展的結果引起材料的剝落或斷裂。對于由顆粒和細粉組成的材料而言,裂紋往往先在細粉中產生并擴展，顆粒阻礙微細裂紋的擴展。當紅柱石含量小于1５％時,隨著紅細粉紅柱石含量的增加,細粉中莫來石含量增加，材料的抗急冷急熱能力提高。但當紅柱石含量大于1５%時,由于膨脹量過大，材料中氣孔增加,氣孔的地熱傳導影響了材料溫度的均勻性,在材料內部產生溫度差，導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結論紅柱石細粉在高溫下分解生成的莫來石既可以強化細粉與顆粒的結合,提高材料的性能，又可能因過大的膨脹導致結構疏松，降低材料性能。本試驗中10～1５%紅柱石細粉的加入，在１４20℃×3h燒成溫度下,紅柱石分解生成的針、柱狀莫來石強化了細粉與顆粒的結合程度，提高了試樣的耐壓強度、抗急冷急熱能力和高溫下的體積穩(wěn)定性。參考文獻：[1］楊直夫譯。紅柱石—生產優(yōu)質耐火材料用最有前途的材料[Ｊ］．國外耐火材料，２00４，３1（3)：３2-37.［2］王瓊