刚玉莫来石薄壁型匣钵的研制.doc

刚玉莫来石薄壁型匣钵的研制孙戎王忠周青 (武钢耐火材料有限公司技术中心)摘-Jr-以优质的刚玉、莫来石为主要原料，通过调整配比，来控制基质中矿相的组成。通过适 当的生产工艺，可生产出优质的刚玉莫来石薄壁型匣钵，满足1550C长期使用的要求1前言匣钵是一种在高温下使用的容器，是用来支承、保护陶瓷制品或承烧制品的特殊耐火材料。它的 主要作用是防止所承烧制品在烧成过程中，因与燃烧气体和灰尘的接触与侵蚀而造成污染和缺 陷；是在窑炉中起承装与支架的作用，以提高装窑密度，方便烧窑操作。匣钵一般要求具有以下性能：高耐火性、良好的热稳定性及化学稳定性。现代陶瓷烧成向 快烧方向发展，热稳定性显得尤为重要。高温化学稳定性好，不与制品发生反应；常温和高温 强度大。匣钵的作用之一就是承重，其强度必须经受住制品及自身的负荷。圆良好的导热性和低 蓄热性；外观归整、尺寸精确。2001年，我公司建成一条刚玉瓷球生产线，需要大量匣钵。由于我公司以前匣钵需要量很少， 只在试验和检测时使用，未进行系统研究，用现有的匣钵试用，其平均寿命只有2次，而外购的 产品价格较贵，因此决定研制优质匣钵以取代外购产品。匣钵尺寸的要求是315 X 315165mm， 壁厚lOmm(外购产品的壁厚为15ram)，工作温度1550C，最高使用温度1600C，使用寿命 不低于外购产品。2匣钵材质的选择 由于所要研制的臌钵尺寸较大、蹙薄，用机压成型较困难，因此决定采用浇注成型。21材质的选择 匣钵按材质来分，主要有：粘土质、墓青石质、奠来石质、刚玉质、镁质、碳化硅质、氧化锆质等。从现在的使用温度来看，由于使用温度较高，粘土和堇青石质无法满足要求。从不与承 烧的刚玉瓷球发生反应这点来看，刚玉质是最合适的；但由于纯刚玉制品抗热震性较差，会导致 使用寿命太低。因此综合考虑决定采用刚玉一莫来石质。22原料的选择 与一般匣钵不同，高温下使用的薄壁型匣钵对其所采用的骨料、粉料和结合剂有较高的质量要求骨料必须充分烧结，吸水率低，强度高、体积密度稳定，而且杂质含量低，且具有较高的抗热震性。为此选用烧结板状刚玉和烧结合成莫来石。板状刚玉除具有一般刚玉的优良性质外， 晶粒呈板状且包括较多的闭口气孔(见图1)，因此抗热震l生较好。这次我们选用的莫来石原料 其杂质含量较少，主要矿相为莫来石，其化学成分详见下表1。图1板状刚玉形貌2000 表1原料化学成分原料A120，Sio，F岛o， 110，R20CaO合成莫来石 58 40 04 12 031 板状刚玉 985 08 05 氧化铝微粉 988 O18 O19 024 氧化硅微粉 932 129 112铝酸盐水泥 69 05 04 30细粉对(匣钵)浇注料的理化性能和使用效果有极重要的影响。它不但起着添充空隙、改善 施工性能和提高密度的作用，而且在高温下又会与结合剂和外加剂发生反应，生成新的结合相， 对浇注料的体积稳定性、抗热震性和高温强度都有很大影响。本试验基质部分主要由如下材料组 成：合成莫来石、板状刚玉粉、氧化铝微粉、氧化硅微粉，其化学成分见表1。结合剂的选择，不但要求具有较高的烘烤后强度，而且要求经高温处理后也具有较高的烘烤 后强度。从烘干后直到1550烧后，浇注料强度变化不大。本试验选用的铝酸钙水泥是以 CaOA1203和CaO2A1203为主，杂质含量较低，可使浇注料保持较好的烘干强度，又具有较 好的高温强度。其化学成分详见表1。为改善浇注料的施工性能和物理性能，本试验通过对比研究，选用了具有较好分散作用的减水剂。3组成与配比的确定 耐火浇注料基本上由连续的基质相和不连续的集料相组成。因此浇注料性能的好坏，强度和使用效果主要取决于如下几个因素：(0集料相的组成；(j基质(粉料)相的组成：基质与集料的相容相及相对比例。集料相的组成包括集料本身的矿物组成和集料的粒度组成，本试验所用集料材质，如上述， 确定采用莫来石和刚玉复合材质。关于粒度组成，本试验作了几组不同粒度组成的试验(详见参考文献1)，最后确定的粒度组成为2-lmm 40，10088mm 20，o088mm 40。试验结果表明，该粒度组成综合物理陛能较优。基质相的组成与配比对浇注料的使用性能有决定性的影响。一般耐火浇注料的损毁与耐火制 品相似，多半是从基质相开始，因此必须严格控制基质相的化学成分与矿物组成。我们以A1203一 Si02CaO系三元相图为根据来确定基质部分的化学组成。从图三看出：当基质组成点处于 A3S2CAS2S区域内，其液相出现温度为1345C，当处于A3S2-CASz-A区域内，其液相出现温度 为1512C，而当处于ACAS2一CA6区域内，液相出现温度为1495*C。由此可见，基质相成分对材 料的高温力学性能和烧结性有较大的影响。当然，单凭液相开始出现温度，还不足以确定材料允许使用的温度界限。因材料的高温力学 性能还取决于产生的液相量及液相性质(如粘度等)。因此还必须根据相图等温线来计算其液相 生成量。如以每含1CaO在不同温度下所产生的液相来看(详见表2)，随温度升高，液相生成 量显著增大，会降低材料的高温性能。表2 A1203一Si02一CaO系中含1CaO时液相量与液相组成液相组成，温度 液相量CaoA1203 Sio，1345101020701400 138 17751500 313 1087根据上述，本试验确定铝酸钙水泥加入量为卜5，这样可以控制浇注料中CaO含量15。 同时调整基质中的A1203和Si02含量，使其化学成分相当于莫来石相成分，使浇注料在使用中能 生成二次奠来石，产生微膨胀，提高体积稳定性和高温强度。4 匣钵的制造、理化性能及使用现代匣钵的发展趋势，除要求高强度、高抗热震性、较长的使用寿命外，还要求轻、薄、较 大的容量、节能等，因此薄壁型匣钵将是未来的发展方向。虽然匣钵壁越薄越好，但是壁越薄，生产的难度和废品率会大幅上升。经综合考虑将匣钵壁厚定为10mm。我们在试验室进行了模拟生产，将称好的原料经予混，倒入搅拌机中加水混合好， 浇人装配好的模具中振动成型。自然干燥72h后脱模，结果发现破损率较高。经过仔细分析，发 现主要是匣钵尺寸较大且壁薄，另外模具设计也存在一些不合理。因此进行了以下改进，如匣钵 的边角增加了一些过渡圆弧，在模具的设计上要求更多考虑脱摸的方便，对模具的光洁度也提出 了要求。经过改进脱模破损率大幅降低。研制产品的理化指标如下，1 10C24b干燥后体密258 g,cm3,常温耐压64Mpa，常温抗折96Mpa，155003h烧后体积密度2559era3，常温耐压91Mpa，常温抗折1 11 Mpa，化学成分为Si023344，A1203 6512，Fcz03 060，CaO 145，R20 061，(15503h)烧后线变化+02，试样经x射线衍射分析表明(详见图4)，经1550(2热处理3h后莫来石含量约在90以上。用扫描电镜观察表明，骨料和基质的矿物是以奠来石为主(详见图5)。田s经I 550热处理卷浇洼 树卉部分羹皋毛彤敦孙00将研制的匣钵在试验室电炉内进行模拟试验，从常温升至1550C。升温速度5-8Cmin，保温3 小时，自然冷却至室温，如此循环30次PA_E，匣钵仍然完好