高致密度剛玉莫來石材料的研制

楊華亮

（1.佛山市南海金剛新材料有限公司，佛山 528200；2.佛山市陶瓷研究所股份有限公司，佛山 528000）

摘 要：本文選用兩種外加劑A、B來制備高致密度剛玉莫來石材料，其中A為產(chǎn)生液相物質(zhì)，B為產(chǎn)生高溫結(jié)合相物質(zhì)。試驗(yàn)表明：添加劑A、B均可促進(jìn)剛玉莫來石粉料的燒結(jié)，使吸水率下降、密度上升、燒成收縮增加、抗折強(qiáng)度增大。B添加劑性能更優(yōu)，單獨(dú)添加較合適的比例分別為2wt%A，1wt%B。添加劑A、B可使樣品形成不同的微觀效果：A產(chǎn)生更多的液相，晶體表面部分熔融，晶體尺寸減??；B形成更多的結(jié)合相，晶體輪廓更分明，晶體尺寸增大。

關(guān)健詞：剛玉莫來石；添加劑；致密度

1 引言

隨著各種工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷革新和節(jié)能環(huán)保的推進(jìn)，多種燃料品種在工業(yè)窯爐中得到應(yīng)用，高溫尾氣余熱也得到較充分的回收利用。燃料燃燒過程和陶瓷坯體燒結(jié)過程中會產(chǎn)生大量的腐蝕性氣體，這些高污染氣體易對爐膛耐材和窯具材料產(chǎn)生損害。

剛玉莫來石是一種常用的中高檔耐火材料。因其原料易得、價格適中、制品強(qiáng)度高、耐火度高、抗熱震性優(yōu)良、應(yīng)用非常廣泛[1]。如各種窯爐高溫窯具、高溫輥棒、耐火磚等，用于高溫爐膛作為內(nèi)部構(gòu)件材料時，可以直接接觸火焰。剛玉莫來石制品為多孔材料，孔隙率較高，一般在10 ～ 30%范圍，在高溫腐蝕性氣體環(huán)境中，受侵蝕尤為嚴(yán)重，其結(jié)果就是材料變脆，易剝落、開裂、折斷等，縮短使用壽命[2]。在確保剛玉莫來石材質(zhì)不變的情況下，要增強(qiáng)制品的抗腐蝕性，最簡單的一種措施是提高制品的致密度，減少有害氣體的滲入，從而減少污染氣體的侵蝕，延長制品的使用壽命。

在不改變材質(zhì)的前提下，要提高剛玉莫來石制品的致密度，有以下四種方法：

（1）采用大壓力成型設(shè)備，提高陶瓷生坯的致密度；

（2）提高燒成溫度，增大燒成收縮，從而提高制品致密度；

（3）添加易產(chǎn)生低溫液相的外加劑，在燒成時產(chǎn)生適量的液相，從而降低吸水率，提高致密度；

（4）添加高溫助燒劑，在高溫?zé)蓵r，產(chǎn)生高溫結(jié)合相，從而促進(jìn)制品燒結(jié)，降低孔隙率，同時又基本不影響制品性能。

第一、二種方法受生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)條件的限制，在成型壓力、燒成溫度基本不變的情況下，本文主要采用第三、四種方法來制備高致密度剛玉莫來石材料。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 工藝過程

原始剛玉莫來石粉料為生產(chǎn)車間正常生產(chǎn)用粉料，其成分如表1所示。

將其作為原始對照樣。選用兩種外加劑：第一種為含低溫主族元素的天然礦物A，價格低；第二種為含稀土元素的高溫氧化物B，價格較高。預(yù)先對A磨細(xì)加工到250目備用，B本身為細(xì)粉。A外加量（wt%）分別為0%、1%、2%、5%；B外加量（wt%）分別為0%、0.5%、1%、2%。在快速球磨機(jī)中球磨混勻，為盡量減輕球磨對原料粒度的影響，球磨時減少球石用量，料：球：水=1：1：0.5，球磨時間為1 min，烘干后造粒，壓條10 mm × 10 mm × 100 mm，以實(shí)際模具計(jì)算確定壓力為40 MPa，分別在1550℃和1650℃下保溫2 h燒成得到樣品。

2.2 測試

測試樣品的燒成收縮率、吸水率、密度、抗彎強(qiáng)度，用排水法測吸水率和密度，在TZ-4000抗折儀上測試抗彎強(qiáng)度，用掃描電子顯微鏡觀察樣品斷口表面形貌。

3 結(jié)果與討論

3.1吸水率

圖1（a）、（b）分別為添加外加劑A、B后樣品吸水率與添加量的關(guān)系曲線，添加A的樣品初期吸水率下降明顯，后期則平緩，在高溫1650℃添加5wt%時則有輕微上升，說明此時由于產(chǎn)生液相量較多，樣品已過燒；與A相比，添加B的樣品吸水率下降趨勢更明顯，在添加2wt%時吸水率僅1.09%，說明添加B的助燒效果明顯優(yōu)于A。

3.2密度

圖2為分別添加A、B樣品的密度與添加量的關(guān)系曲線，A添加劑可促使樣品平緩升高，但高溫?zé)蓵r過多則反而輕微下降，這與吸水率的變化規(guī)律相同，由于高溫產(chǎn)生液相過多導(dǎo)致。從圖中可以看出A的較佳添加量為2wt%。添加B對提高密度作用明顯，少量加入即可明顯提高樣品密度?？紤]價格因素，B的較佳加入量為1wt%。

3.3燒成收縮率

燒成收縮與A、B加入量的變化規(guī)律如圖3所示，添加A時，低溫1550℃收縮率隨加入量的升高而增大，但高溫1650℃則在加入2wt%之后減小，說明過燒導(dǎo)致輕微膨脹。B添加劑對增大樣品收縮的影響更明顯，助燒作用更強(qiáng)。

3.4抗折強(qiáng)度

圖4反應(yīng)抗折強(qiáng)度與A、B添加量的關(guān)系，在低溫1550℃燒成時開始強(qiáng)度升高明顯，助燒結(jié)作用較強(qiáng)，但由于溫度低，繼續(xù)加入時并不能形成更多的結(jié)合物質(zhì)，強(qiáng)度升高緩慢。添加B樣品在高溫1650℃燒成時抗折強(qiáng)度明顯升高，這是由于生成更多的結(jié)合相。而A添加5wt%在高溫1650℃燒成時由于液相量過多強(qiáng)度略下降。

3.5 SEM圖像

圖5為無外加劑、外加2wt% A、外加1wt%B的樣品在1650℃燒成后放大500倍時斷口表面SEM圖，圖中可看出加入適量A、B后樣品內(nèi)部孔隙均明顯減少，說明外加劑A、B均可起到致密化作用。

圖6為無外加劑、外加2wt% A、外加1wt%B的樣品在1650℃燒成后放大2000倍時斷口表面SEM圖，圖中可看出，無外加劑原始樣品孔隙較多，少量的液相和結(jié)合相將顆粒晶相粘結(jié)成小范圍的團(tuán)聚體，團(tuán)聚體之間尚有一些輪廓較分明的粒狀剛玉晶體和柱狀莫來石晶體。

添加2wt%A的樣品，粘結(jié)的團(tuán)聚體明顯范圍增大，孔隙明顯減少，但是團(tuán)聚體之間的粒狀和柱狀晶體輪廓不分明，且尺寸較小，這是由于A添加劑的加入使產(chǎn)生的液相增加，這些液相粘結(jié)更多的晶體，產(chǎn)生更多的液相晶界，并使晶體表面部分熔融，外形輪廓圓滑。而加入1wt%B的樣品，同樣形成了更多的團(tuán)聚體，孔隙明顯減少，但團(tuán)聚體之間和內(nèi)部的粒狀晶體和柱狀晶體輪廓更分明，而且晶體長大，數(shù)量增多，原因是B添加劑在坯體中生成高溫結(jié)合晶相，而液相少，這些高溫結(jié)合晶相在晶體之間形成晶界，將晶體結(jié)合起來，而較少的液相也使莫來石晶體容易生長，不易溶解。這種多晶微觀結(jié)構(gòu)將有助于提高制品的耐火性能和強(qiáng)度以及抗熱震性能。

圖7為無外加劑、外加2wt% A、外加1wt%B的樣品在1650℃燒成后放大4000倍時斷口表面SEM圖。圖中更明顯地可以看出A、B添加劑的不同效果：孔隙均減小，A產(chǎn)生更多的液相，晶體表面部分熔融，晶體尺寸減?。籅形成更多的結(jié)合相，晶體輪廓更分明，晶體尺寸增大。

4 結(jié)論

（1）添加劑A、B均可促進(jìn)剛玉莫來石粉料的燒結(jié)，可使吸水率下降，密度上升，燒成收縮增加，抗折強(qiáng)度增大。B添加劑性能更優(yōu)，單獨(dú)添加較合適的比例分別為2wt%A，1wt%B。

（2）添加劑A、B可使樣品形成不同的微觀效果：A產(chǎn)生更多的液相，晶體表面部分熔融，晶體尺寸減??；B形成更多的結(jié)合相，晶體輪廓更分明，晶體尺寸增大。

參考文獻(xiàn)

[1] 謝志鵬. 結(jié)構(gòu)陶瓷[M]. 清華大學(xué)出版社， 2011.

[2] 袁林， 陳學(xué)峰， 劉錫俊. 綠色耐火材料[M]. 中國建材工業(yè)出版社， 2015.