钙长石质隔热耐火砖的研制.docx

钙长石质隔热耐火砖的研制于小静姚春战唐山时创耐火材料有限公司 063100摘 要：利用高岭土、蓝晶石、硅灰石等为主原料，以石膏作为胶凝材料、泡沫法生产钙长石质隔热耐火砖的可行性。试验表明，石膏、石膏按 2:1 配合加入、泡沫泥浆容重按 1.07-1.2/g/cm3 控制，即可制得各项指标均符合德国 JM23 标准的隔热耐火产品，并能投入工业化生产。关键词：钙长石，泡沫泥浆，隔热耐火砖钙长石的熔点为 1550，它具有密度小、热膨胀系数小、导热率低等特点，可部分替代工作温度在 1000-1300的粘土质、硅质、高铝质耐火材料，并实现节能减排，自然界中天然的钙长石很少， 近几年以钙长石为主晶相的轻质隔热砖在国外已被广泛应用于各种工业窑炉中，但我国的钙长石质隔 热耐火砖的工业化生产还基本属于空白，国内所用的钙长石砖主要依赖外国公司生产，高昂的价格直 接影响了窑炉的建造费用，用其它材质的砖代替又会造成能源的浪费，在大力提倡节能降耗的今天， 研制符合国际标准的钙长石质隔热耐火砖并工业化生产的工作迫在眉睫。1. 试验1.1 原料的选择 国外钙长石质隔热耐火砖典型的理化指标如表 1：表 1 钙长石质隔热耐火砖的性能种类德国日本其它国家JM23JM23ABABCD重烧线变化0.5%的温度 120013001100120010901260体积密度 g/cm30.450.480.480.520.460.500.500.50耐压强度 MPa0.81.10.81.10.81.01.11.2抗折强度 MPa0.70.90.70.90.81.00.70.8导热系数 W/m.k0.130.160.150.160.160.170.130.12（温度 ）（400）（600）（400）（400）（400）（400）（400）（400）气孔率 %83811000线膨胀率 %0.440.450.540.540.5-0.60.5-0.6化学组成 %SiO244.744.443.643.844444544Al2O335.83739.639.939393838CaO16.115.210.910.9本试验以德国的 JM23 钙长石质隔热耐火砖为研发目标。轻质砖的制造方法包括可燃物加入法、泡沫法和化学法，要生产体密 0.5 g/cm3 的钙长石砖，我们 决定采用泡沫成型法。为保证砖坯在如此小的体密下具有大生产的可操作性，选用石膏作为胶凝材料。制备钙长石质轻质砖，最主要的是合成钙长石的方法。理想钙长石的化学组成是 CaOAl2O32SiO2 ,熔点是 1550 ，当钙长石晶体内或晶体之间含有 K2O、Na2O、Fe2O3及其它杂质时,体系开始出现液相及完全熔融的温度都会大幅度降低，所以试验用原料必须纯度要高，而且各种原料烧结反应形成的最终产物的化学成分接近钙长石分子式中的 3 种氧化物的百分组成：CaO=20.1%，Al2O3=36.7%，SiO2=43.2%。作为胶凝材料的石膏为半水石膏，遇水反应形成倍水石膏：CaSO4H2O + 1 H2O CaSO42H2O，浇注体达到硬化效果。在加热过程中倍水石膏先失去结晶水，形成无水石膏：CaSO42 H2OCaSO4 + 2 H2O，然后随着烧成温度的升高，到800时，无水石膏开始分解为三氧化硫和氧化钙： CaSO4SO3 + CaO，三氧化硫作为气体排出，使坯体内部产生空隙，余下的氧化钙与含Al2O3、 SiO2的物质发生反应才能产生钙长石，根据钙长石的分子组成，我们试验的首选Al2O3-SiO2系原料为高 岭土。高岭土在450550之间发生分解，排除结构水，并形成偏高岭石：Al2O32 SiO22 H2OAl2O32SiO2 +2H2O，温度继续升高，偏高岭石分解为无定型的Al2O3和 SiO2：Al2O32 SiO2Al2O3（无定型）+ SiO2（无定型），此时高活性的 Al2O3（无定型）、SiO2（无定型）与石膏分解出的氧化钙发生反应，形成钙长石：Al2O3（无定型）+ 2SiO2（无定型）+ CaOCaOAl2O32 SiO2。 为了抑制在烧成过程中过大的体积收缩，引入蓝晶石作为膨胀剂。蓝晶石在高温煅烧时，于1200开始分解成莫来石和游离SiO2：3（Al2O3SiO2）3Al2O32 SiO2 + SiO2，在大量莫来石和少量钙 长石形成的过程中产生较大的体积膨胀，该体积膨胀发生在有少量液相存在的温度区间，因此不对砖 坯产生破坏作用，并且能补偿砖坯在烧成过程中所产生的大量收缩。由于石膏中CaO的引入，使体系 在非平衡状态下提前出现液相，促进烧结和反应的进行，使制品具有很高的强度。这时配料中氧化铝出现明显过剩，为维持总的化学成分与设计相符，选择加入硅灰石，其化学组 成为 CaO=54.9%， SiO2=45.1%，在焙烧的条件下硅灰石是化学上比较活跃的矿物，它可与许多矿物发 生固相反应，在 1000时与高岭土反应开始形成钙长石： CaO SiO3+ Al2O32 SiO22 H2O CaOAl2O32 SiO2+ SiO2+ 2 H2O，此反应产生的方石英与蓝晶石分解产生的方石英及过剩的氧化 铝与石膏反应形成钙长石：2SiO2+ Al2O3 +CaOCaOAl2O32 SiO2上述各种原料的化学组成如表 2 所示。另外还有少量的添加剂（如减水剂、生坯增强剂、稳泡剂、 造孔剂等）。表 2 原料的化学组成原料Al2O3%SiO2%Fe2O3%CaO%灼减%蓝晶石55.2337.520.69-高岭土A43.8948.510.492.16高岭土B36.2945.120.6317.26硅灰石56.220.3640.402.45石膏38.262.511.2 配料方案及工艺流程Fe2O30.80.70.60.60.70.60.60.61.2.1 配料方案初步设定石膏的加入量为 20%30%，按本试验设定的成分要求和各种原料的实际化学组成即可 计算出硅灰石、蓝晶石和高岭土的大约加入比例。设计多组配料方案进行分别试验。1.2.2 工艺流程将松香、骨胶、碳酸钾、氢氧化钠、水按比例放置在金属容器内加热混合成均匀的乳浊液，冷 却后加水稀释，利用发泡机制成细腻、均匀的泡沫。将蓝晶石、高岭土 A、高岭土 B、硅灰石、各种外加剂按比例加入搅拌机内，加水制成泥浆。 然后加入泡沫，继续搅拌制成容重合格的泡沫泥浆。将石膏、石膏按比例加入水中，搅拌均匀，加入到泡沫泥浆中，继续搅拌制得合格料浆。 将料浆徐徐注入 260*130*90mm 的铝质模具内，表面刮平后静置。砖体初凝时脱模，终凝后将砖体侧起放置到干燥箱内干燥。砖坯干燥后放置在电炉内烧 1280*6h，烧后用磨砖机加工成 230*114*75 的标准砖 。1.3 性能检测按照国际统一标准检测制品的各项性能指标。2. 试验影响因素与讨论2.1 石膏种类对砖坯硬化时间、砖坯强度的影响 半水石膏分为石膏和石膏，石膏硬化速度快，硬化体强度高，石膏硬化速度慢，硬化体强度较低。作为胶凝材料的石膏性能的变化直接影响到浇注体的强度变化，选择两种石膏不同加入量做对比试验，结果如表 3表 3石膏加入量对砖坯的影响：石膏脱模时间侧放时间湿坯侧放的可操作性0：120 分钟强度低不能侧放没有1：010 分钟10 分钟特别容易1：118 分钟33 分钟比较困难2：115 分钟27 分钟比较容易从表 3 可以看出，单独加石膏时砖坯强度太低，无法侧放；单独加石膏时硬化速度太快，料浆出碾后浇注可操作时间太短，无法满足大生产要求，、石膏的适宜比例为 2：1。 2.2 料浆容重对烧后制品密度、耐压强度的影响石膏加入量确定后，烧后制品的密度主要由泥浆加水量、造孔剂加入量和泡沫的加入量决定，泥 浆加水量由料浆流动度刚好满足浇注操作为原则来确定，造孔剂加入量以浇注时料浆不粘稠、不分层 为原则来确定。泥浆加水量、造孔剂加入量相对固定后，泡沫加入量的多少将直接影响制品烧后的密 度，此因素是决定制品性能的关键所在，做不同泡沫加入量对制品密度、耐压强度影响的对比试验，结果为表 4泡沫加入量*对制品密度、耐压强度的影响表 4泡沫泥浆容重 g/cm3烧后制品密度 g/cm3烧后制品耐压强度 MPa1.030.450.691.070.470.801.10.51.151.20.531.211.250.581.26*用泡沫泥浆的容重来反映泡沫的加入量料浆容重 1.071.2 时的烧后制品密度、耐压强度是最适宜的。3. 工业生产从试验室众多数据当中，选出各项指标与设定指标相接近的一组配方，进行大生产试验。 每锅料浆可浇 460*275*150 砖坯 12 块，脱模后在隧道干燥器内干燥 24h，干燥器热风入口温 度 90100。然后在梭式窑内烧成，烧成温度 128010，保温 8h。出窑后每块荒坯可加 工成 250*124*65 成品 6 块，取不同体密的砖检测指标如表 5、表 6：表 5 成品化学指标Al2O3%SiO2%CaO%Fe2O3%39.8542.0414.910.46表 6成品物理指标体积密度 g/cm3耐压强度MPa1230/24h 重烧线变化%平均 600导热系数 W/m.k0.480.920.080.501.120.140.1270.531.310.12完全满足试验设定目标，该产品已正式转入工业化生产，并已批量销往德国。4. 结论作为胶凝材料的石膏选择石膏和石膏配合使用，且石膏：石膏=2:1 时脱模时间、湿坯 强度最好。泡沫泥浆容重是决定制品烧后体密的关键，容重 1.07-1.2 g/cm3 是最佳控制范围。用高岭土、蓝晶石、硅灰石为主要原料，石膏为胶凝材料，以泡沫浇注