红柱石对矾土烧结性能分析

/细粉红柱石对矾土烧结性能的影响分析摘要以红柱石和矾土为主要原料,粘土为烧结剂,纸浆废液为结合剂。在142０℃×3ｈ烧成制度下，研究了红柱石的细粉加入量对材料线变化率、耐压强度和抗急冷急热性能的影响.结果表明：在1420℃×3h条件下，红柱石分解出的针状莫来石晶体交结呈网络状,强化了材料的组织结构，改善了材料的物理性能。本试验中红柱石细粉的合适加入量为10～15％.关键词红柱石；矾土;烧成制度；莫来石前言矾土抗酸、碱性熔渣侵蚀性强,高温机械强度大，广泛应用于钢铁、有色等行业，但其抗急冷热能力差、高温体积稳定性不好，导致材料的变形和剥落，降低材料的使用寿命。目前国内基本采用加入人工合成莫来石的方法来克服其缺点,然而人工合成莫来石的价格高,材料成本高,限制了人工合成莫来石的使用。红柱石属热蚀变矿物，杂质含量低，在1350~１５00℃可分解成莫来石(3Al2O3·２SiO２)和SiO2，并伴随着3~5％的体积膨胀［１],由于体积膨胀，可抵消其他原料在高温下的体积收缩，对材料的高温体积稳定性非常有利，能保持材料在使用中的外形尺寸准确;生成的莫来石热膨胀率小，针、柱状晶型形成的网络状结构对材料的热震性和高温力学性能非常有利。本文通过在矾土中引入红柱石，研究了红柱石细粉的烧结性能对矾土材料性能的影响,为红柱石的利用开发和提高矾土材料性能的研究作了一些基础工作.１原料红柱石矿选用河南西峡,其主要矿物为红柱石，含少量石英质矿物等杂质,其化学组成见表1。矾土选用山西阳泉的特级料，其主要矿物为刚玉和少量莫来石,杂质含量低,烧结良好,体积密度3.3g／cm3,耐火度大于1790℃，化学成分如表1。粘土为软质粘土,其主要矿物为高岭石，杂质含量高，起烧结剂和部分结合剂作用，化学成分如表1。表１原料化学成分Ｔabｌe1Ｃhemicalcoｍpositionofraｗmatｅrｉals项目ＡＬ2O３SｉO2ＭｇOCaOK2OＮａ2OＦｅ2Ｏ３TiＯ2红柱石59。0２37．84０。140。３６0.180.121。５00．2１矾土8７。348。200．１20.20o．140。111.202．30粘土37．６0４８。１30.34０.460.750.62１．63０。562实验2.1粒度配比：在保持一定的强度下，增加配料中＞１mm的颗粒含量，可以有效阻碍细粉中微细裂纹的扩展,提高材料的抗急冷急热性能[2];采用粗、中、细三级颗粒配比，以粗粒和细粒比例较大,中粒比例较少,以实现颗粒料的密集堆积，提高材料的致密度和材料的抗力学性能.2.2细粉的配比细粉对材料的烧结结合和高温性能非常重要，为了保证细粉中莫来石的最大生成量,从Al2O３—SiO２二元系可知:细粉化学成分应按Aｌ2Ｏ3含量68~7５％,SｉＯ2含量3２～25%进行配比，但在实际烧结中由于二氧化硅的少量挥发和还原［3］;以及和基质中的碱金属氧化物作用形成低熔点化合物而损耗，从而使Ａl2O３含量相对升高出现过剩，导致刚玉相增加,而莫来石量减少，所以实验中Al2O3含量应低于理论值约为60～65%。作为结合剂的粘土主要是保证试样的成型和降低烧结温度，要求其具有良好的塑性和结合性，但用量应严格限制在3～5％，一方面：其杂质多,易形成低融物；另一方面,本身大量的SiＯ2存在,再加上红柱石转化成成莫来石（3Aｌ２Ｏ3·2SiＯ2）分离出的SiO2，会导致游离ＳiO2含量过剩，对高温性能不利。２。3试样的制备：将红柱石和矾土加工成３~2mm、2~１mm、1~０。1mm颗粒，粘土和矾土共同磨粉<0。044mm。原料配好后压制成ф50mm×5０mｍ试样，于1１０℃干燥2４h。2.3烧成１3５０～１500℃为红柱石莫来石化转化期，14０0℃为剧烈转化期[4]。为提高莫来石的生成量，本试验将烧成定为1420℃×3h。烧成后试样的性能测试包括体积密度、线变化率、耐压强度和抗急冷急热性能（1100℃水冷次数）。3实验结果与讨论3。1试样的物理性能烧后试样断面结构致密，外观没有膨胀变形和熔化过熔现象,烧成试样的物理性能见表2。表2试样的物理性能Taｂｌｅ.2Pｈysiｃａlpｒopｅrtｉesoｆtｈespecimｅnｓ项目红柱石（%）体积密度(g/ｃｍ３）烧后线变化(％)耐压强度(Ｍpa）抗急冷急热性(次）０2.85－0．１５５71252.54—0.13６0１6102.5０—０。2167.42６１52。４70．038７.6322０２．４０0.1260.5293．2试样的显微组织结构显微结构中，小颗粒的红柱石已基本完全莫来石化.大颗粒红柱石的莫来石化反应边比较明显,莫来石均呈针状、柱状晶体,沿红柱石颗粒裂隙由于莫来石化的膨胀作用而有明显的破裂现象(见图1-ａ），偶而可见一些粗大的莫来石柱状晶体，可能系重结晶或二次莫来石晶体。细粉中分布着许多莫来石针状小晶体，与颗粒红柱石的莫来石化晶体呈相互交错的网络结构（见图１-ｂ）,强化了细粉与颗粒的结合程度,试样结构致密,玻璃相和气孔较少，细粉的强化和莫来石骨架颗粒的发育对试样的物理性能有利。(a）莫来石反应边显微照片（×40０)（b）针状莫来石晶体网络结构(×400）图115%红柱石加入量的试样1420℃×3h烧后显微特征Ｆig．1Pｈotoｇraｐｈｓoｆspecimｅnsfiredaｔ1420℃for3hｗiｔh1５%aｎdａlｕsiｔeaddｔitiｏn3．4红柱石的加入量对烧后线变化率的影响细粉中红柱石的加入量对试样烧后线变化率和体积密度的影响见图２、图3。图２红柱石加入量对试样烧后线变化率的影响Fig.2Effectoｆandalｕsｉteaｄdiｔｉonoｎlｉnearcｈａngeraｔe图3红柱石加入量对试样体积密度的影响Fig.３Eｆfectofanｄalusiteadditiononbｕlｋdenｓitｙ由于红柱石的体积密度(3。1~３.3ｇ/ｃm３）大于莫来石的体积密度３.０3g/cm３），在试样的烧结过程中,红柱石向莫来石的转换会引起试样体积会发生增大的效应.同时试样内部也会发生液相烧结,液相充填气孔,使试样结构致密化，体积产生收缩。所以烧结后试样体积究竟是变大还是变小，要综合考虑,如果以相变为主,则表现为膨胀.如果以液相烧结为主,则表现为收缩.产生膨胀的原因:红柱石在130０℃左右开始分解成莫来石的膨胀效应（反应1）;以及红柱石分解形成的游离石英与矾土中的刚玉相（Ａl2O3）在1400℃左右生成二次莫来石的膨胀（反应２)［５］。由于矾土以细粉形式加入,在烧结过程中能在试样中形成均匀分布的莫来石细小晶体，强化细粉与颗粒之间的结合.3Ａｌ2Ｏ３·SiO２→3Al２O3·2SiO2＋SiO2(1)3Ａl2Ｏ3+2SiO2→3Ａl２Ｏ3·2SiＯ2（莫来石）(2）产生收缩是由于烧结过程中液相充填气孔引起。液相产生的原因：结合粘土属于软质粘土，Ｒ2O杂质含量高，由Al2Ｏ3-SiO２—R2Ｏ三元系可知，其低共熔液相温度在900℃左右[6］，即在900℃左右粘土开始形成液相并充填气孔。在本试验中粘土含量是定值，随着红柱石含量的增加，莫来石生成量逐渐增多,试样烧后膨胀效应逐渐增强,线变化率如图２：由负值逐渐变成正值，即由烧后收缩逐渐变成烧后膨胀。膨胀的结果引起材料的气孔增加，体积密度下降,如图3所示。3.5红柱石对耐压强度的影响细粉中红柱石的加入量对试样耐压强度的影响见图４.随着红柱石含量的增加,烧后线变化率的增大会引起材料的结构疏松，气孔率增加，常温耐压强度逐渐下降；同时,红柱石含量的增加，也会增加细粉中莫来石的含量，莫来石的增加可强化细粉之间及细粉与颗粒之间的结合,提高耐压强度.红柱石含量小于5％时，由于红柱石含量较少,生成的莫来石量少，体积膨胀量小，红柱石转化成莫来石的强化作用和膨胀造成的结构疏松作用相对较弱；此时主以液相充填气孔,结构致密化为主，玻璃相的增加导致耐压强度相对较小。随着红柱石含量的增加,红柱石的莫来石化作用加强，细粉中莫来石增加,体积膨胀增大，虽然体积膨胀对耐压强度不利,但此时占主导作用的是细粉中莫来石形成的网络状结构，此结构可加强细粉与颗粒之间的结合，提高耐压强度。当红柱石含量大于15％时，由于膨胀量过大，材料的结构疏松对强度的影响较大,引起常温耐压强度逐渐下降。综合而言，本实验细粉中红柱石加入量过少，红柱石的膨胀效应和莫来石化作用减弱；加入量过多，膨胀量过大，造成结构疏松。合适加入量为１０～1５％。图４红柱石加入量对试样耐压强度的影响Fig.4Eｆｆectoｆanｄalusiteadditｉononcrushstｒength3.5红柱石对抗急冷急热性能的影响细粉中红柱石的加入量对试样抗急冷急热能力的影响见图5。图5红柱石加入量对对抗急冷急热性能的影响`｀```````````Ｆig.5Effectofandａlusｉｔｅaｄｄitiｏnonthermalshocｋ温度的变化引起材料的膨胀或收缩，在材料内部产生应力，导致材料形成裂纹，裂纹扩展的结果引起材料的剥落或断裂。对于由颗粒和细粉组成的材料而言,裂纹往往先在细粉中产生并扩展，颗粒阻碍微细裂纹的扩展。当红柱石含量小于1５％时,随着红细粉红柱石含量的增加,细粉中莫来石含量增加，材料的抗急冷急热能力提高。但当红柱石含量大于1５%时,由于膨胀量过大，材料中气孔增加,气孔的地热传导影响了材料温度的均匀性,在材料内部产生温度差，导致材料的不均匀性膨胀或收缩，材料的抗急冷急热能力下降。4结论红柱石细粉在高温下分解生成的莫来石既可以强化细粉与颗粒的结合,提高材料的性能，又可能因过大的膨胀导致结构疏松，降低材料性能。本试验中10～1５%红柱石细粉的加入，在１４20℃×3h烧成温度下,红柱石分解生成的针、柱状莫来石强化了细粉与颗粒的结合程度，提高了试样的耐压强度、抗急冷急热能力和高温下的体积稳定性。参考文献：[1］杨直夫译。红柱石—生产优质耐火材料用最有前途的材料[Ｊ］．国外耐火材料，２00４，３1（3)：３2-37.［2］王琼