高鋁磚膨脹的理論探討及工藝控制

孫華云，于樂海，李明晶

(山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院，山東 淄博 256414)

用特級煅焦YNS-44、一級礬土熟料GAI-80和優(yōu)質(zhì)粘土制成GL-55高鋁高爐磚，在隧道窯三種熱工制度下分別進行燒制。熱工制度分別為1430 ℃×10 h、1365 ℃×8 h、1330 ℃×8 h，制品的尺寸膨脹率分別為2%～3.5%、1.0%～2%、0.5%～1%。由此可知：在1430 ℃×10 h的熱工制度下，燒成制品膨脹勢頭最大；1365 ℃×8 h下膨脹勢頭次之，這兩種情況，成品外形尺寸絕大多數(shù)超出YB/T 5015-1993標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸公差范圍。而在第三種熱工制度下，燒成膨脹勢頭減弱，膨脹率在0.5%～1%之間，雖然外形尺寸完全滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，但從成品的理化指標(biāo)檢測來看，測得氣孔率絕大多數(shù)超出GL-55、YB/T 5015-1993要求的氣孔率指標(biāo)，由此說明在此熱工制度下燒成，制品的燒結(jié)性存在很大的欠缺。用上述三種熱工制度燒制上述配方的GL-55高鋁高爐磚，均不能滿足外形尺寸和理化指標(biāo)的要求。由此考慮重新調(diào)整配方，改變一級礬土熟料在骨料和細(xì)粉中加入量的比例，以適應(yīng)熱工制度的要求，保證制品的外形尺寸和理化指標(biāo)達到標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1 試驗的構(gòu)思與設(shè)計

1.1 膨脹的初步分析

根據(jù)Al2O3-SiO2二元系統(tǒng)相關(guān)圖可知，在莫來石A3S2的組成點上，Al2O3含量為71.8%，也就是說，Al2O3含量達到或接近此數(shù)值時，莫來石化的傾向會很大，而且二次莫來石化伴隨有10%的體積效應(yīng)。根據(jù)配方，計算基質(zhì)和骨料中Al2O3的含量：

A=(35%·M+10%·N)/45%=(0.35×83%+0.10×30.18%)/45%=71.2%

(1)

B=(10%·M+45%·P)/55%=(0.1×83%+0.45×45%)/55%=51.9%

(2)

其中 A——基質(zhì)中Al2O3的含量，%；

B——骨料中Al2O3的含量 ，%；

M——一級礬土熟料中Al2O3的含量，%；

N——結(jié)合粘土Al2O3的含量，%；

P——特級煅焦Al2O3的含量，%。

由上述計算可知，基質(zhì)中的Al2O3含量高達71.2%，接近莫來石A3S2的組成點，由于細(xì)粉的顆粒很小，顆粒的比表面積δ=3/R，隨半徑的減少而顯著的增大，因此比表面積越大，顆粒的活性越高。接觸面積越大，反應(yīng)越完全。所以燒成過程中，二次莫來石反應(yīng)主要集中在基質(zhì)中進行，而二次莫來石化開始于1200 ℃，結(jié)束于1400～1500 ℃[1]。因此燒成溫度越高，則二次莫來石化在基質(zhì)中進行地越徹底；溫度低，則進行得不夠完全，由于該反應(yīng)存在10%的體積效應(yīng)，在上述三種熱工制度燒成時，呈現(xiàn)出了不同的體積膨脹效應(yīng)。

1.2 試驗設(shè)計

為了得到良好的外形尺寸，同時又能滿足制品的理化指標(biāo)要求，調(diào)整原料進行試驗，旨在減少基質(zhì)中Al2O3的含量，使之遠(yuǎn)低于莫來石的組成點，均衡骨料和基質(zhì)中的Al2O3含量，從而遏制該反應(yīng)在基質(zhì)中的大量發(fā)生。將部分礬土改用顆粒加入后，則骨料中Al2O3含量提高，基質(zhì)中的Al2O3含量有所降低[2]。由于骨料的比表面積較小，活性差，很少與游離的SiO2參與反應(yīng)，即使反應(yīng)，也僅限于表面的薄層，不致于對膨脹構(gòu)成顯著影響。同時考慮到GL-55高鋁高爐磚高溫性能的要求，在基質(zhì)中又不能不加入部分一級礬土熟料，優(yōu)化基質(zhì)，穩(wěn)定制品性能[3]。因此設(shè)計了以下四種配比進行試驗。

2 試驗的過程及檢測數(shù)據(jù)分析

2.1 原料

采用特級煅焦(YNS-44牌號)，山西陽泉一級礬土熟料(GAI-80牌號)和結(jié)合粘土。原料的理化指標(biāo)檢測見表1。

表1 原料的理化指標(biāo)檢測

2.2 泥料制備

根據(jù)各配比稱量后的料，按先加骨料，再加結(jié)合劑，后加細(xì)粉的順序加入濕碾中混練[4]。水分全部采用紙漿帶入，泥料有效混練時間8 min。

2.3 泥料的粒度分析

混好的泥料進行粒度分析，分析結(jié)果見表2。

表2 泥料的粒度組成及水分

2.4 成型

在300T的磨擦壓磚機上成型，控制打壓次數(shù)7次，控制濕坯的體積密度和氣孔率。

2.5 燒成

采用1.8 m×1.8 m的窯車裝車，裝于二層以上，在隧道窯內(nèi)燒成，燒成的熱工制度為1360 ℃×8 h。成品尺寸變化率(平均值)見表3。

從表3中數(shù)據(jù)看出，1#、4#配方的變化基本一致，裝車受壓方向略呈收縮趨勢，2#配方因基質(zhì)中加入一級礬土量小而呈明顯的收縮趨勢，3#配方因基質(zhì)中一級礬土熟料的加入量偏高，而呈微膨脹勢頭。4個配方的變化率均比原生產(chǎn)配方要小得多，而且成品尺寸完全符合YB/T 5015-1993的要求。

2.6 成品理化指標(biāo)檢測

取4個配方分別做指標(biāo)檢測，成品理化指標(biāo)檢測見表4，其中4-1試樣，體積密度低，成品氣孔率和耐壓不合格，可以通過調(diào)節(jié)生產(chǎn)工藝，提高濕坯體積密度來保證成品氣孔率和耐壓指標(biāo)的要求[5]。除4-1試樣外，其余試樣的理化指標(biāo)均達到Y(jié)B/T 5015-1993的要求。

表4 成品理化指標(biāo)檢測

3 分析與計算

3.1 理論分析

在制磚燒成過程中，由于發(fā)生二次莫來石化反應(yīng)，導(dǎo)致制品膨脹，引起制品二次莫來石化反應(yīng)有兩個方面的原因:其一，一級礬土(D-K型)在原料煅燒時，燒結(jié)不充分，制品燒成中還存在潛在的二次莫來石化反應(yīng)；其二，結(jié)合粘土帶入的游離SiO2與礬土熟料中的假剛玉發(fā)生二次莫來石化反應(yīng)，引起膨脹[6]。本試驗是在1360 ℃×8 h的熱工制度下燒成，而一級礬土熟料煅燒溫度高達1450 ℃以上。因此在一級礬土熟料內(nèi)部未進行完全的二次莫來石化反應(yīng)，在制磚燒成時，該反應(yīng)不會再進行下去。因此結(jié)合粘土帶入的游離SiO2與礬土熟料中的假剛玉發(fā)生二次莫來石化反應(yīng)是引起制品膨脹的主要原因。由此，若基質(zhì)中加入過量的一級礬土熟料，則基質(zhì)中進行大量的二次莫來石化，造成成品尺寸超標(biāo)[7]。如果減少一級礬土熟料在基質(zhì)中加入量，那么結(jié)合粘土中游離SiO2被不足量的礬土熟料中的剛玉相消化后，還有部分剩余，則這部分的游離SiO2將在礬土熟料顆粒表面發(fā)生二次莫來石化反應(yīng)，造成顆粒局部膨脹，顆粒與顆?；ハ鄶傞_，加大了顆粒之間的空隙[8]，這部分空隙很難靠液相燒結(jié)來結(jié)合。基于這一點探討了在基質(zhì)中加入多少礬土熟料才足以消化掉結(jié)合粘土帶入的游離SiO2，從而不致于在顆粒表面發(fā)生二次莫來石化反應(yīng)。

3.2 理論計算

選用的結(jié)合粘土主要礦物成分為高嶺石(Al2O3·2SiO2·2H2O)，Al2O3的含量為30.18%，SiO2的含量為52.86%，在加熱過程中發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)溫度升高到1200 ℃析出A3S2和游離SiO2[9]。由于SiO2過量，Al2O3不足，游離SiO2含量按如下步驟計算：

3 Al2O3·2 SiO2

3×102 2×60 X——表示SiO2的消耗量%

30.18% X

X=(2×60×30.18%)/(3×102)=11.84%

(3)

剩余的SiO2的含量：52.86%-11.84%=41.02%

(4)

根據(jù)王金相的研究，對于水鋁石-高嶺石(D-K型)的礬土料煅燒后物相含量計算如下：

莫來石含量M=343.8-3.76A=343.8-3.76×83.2=31.0%

(5)

剛玉含量C=3.6A-239=3.6×83.2-239=60.5%

(6)

玻璃相含量G=-4.21+0.1523A=-4.21+0.1523×83.2=8.5%

(7)

如果結(jié)合粘土按加入8%的話，其自身莫來石化后，剩余的SiO2游離在整個配料中的含量為:8%×41.02%×100%=3.28%，該部分游離的SiO2在基質(zhì)中全部參與二次莫來石化所消耗的礬土熟料量用Y表示，則

3α- Al2O3+2SiO2→A3S2

3×102 2×60

60.5%Y 3.28%

Y=(3×102×3.28%)/(2×60×60.5%)=13.8%

(8)

所以在基質(zhì)中加入13.8%的一級礬土熟料，足以把結(jié)合粘土中過剩的游離SiO2全部消耗掉，而不會在礬土熟料顆粒的表面發(fā)生二次莫來石化反應(yīng)。

4 GL-55高鋁高爐磚的控制工藝

由以上試驗結(jié)果結(jié)合理論計算說明，選用優(yōu)質(zhì)原料，優(yōu)化顆粒配比，改變一級礬土熟料在骨料和細(xì)粉中加入量的比例，嚴(yán)格控制工藝操作及工藝參數(shù)，可以生產(chǎn)出合格的GL-55高鋁高爐磚。

4.1 原料的選擇

煅燒質(zhì)量良好的特級煅焦(YNS-44牌號)和一級礬土熟料(GAI-80牌號)，選用優(yōu)質(zhì)結(jié)合粘土。

4.2 生熟料配比的調(diào)整

減少結(jié)合粘土的加入量，增加熟料用量，減少二次莫來石化反應(yīng)的進行量。

4.3 均衡骨料和基質(zhì)中的Al2O3含量

減少基質(zhì)中的Al2O3含量，增加骨料中的Al2O3含量，使基質(zhì)中的Al2O3含量遠(yuǎn)低于莫來石的組成點。但要保證基質(zhì)的Al2O3含量略高于骨料中的Al2O3含量。

4.4 基質(zhì)中一級礬土熟料加入量的確定

根據(jù)上述計算，在基質(zhì)中加入13.8%的一級礬土熟料，其余礬土熟料采用顆粒加入，就可以保證結(jié)合粘土帶入的游離SiO2在基質(zhì)中全部消化掉，而不致于在礬土顆粒表面進行反應(yīng)，細(xì)粉不足可以用特級煅焦充作細(xì)粉來補充[10]。

4.5 成型

保證打壓次數(shù)不低于8次，控制濕坯體積密度，保證濕坯的外形質(zhì)量。

4.6 燒成

采用1360 ℃±10℃×8 h的熱工制度，即可保證制品的良好燒結(jié)。

5 結(jié)論

采用特級煅焦(YNS-44)、一級礬土熟料(GAI-80)和優(yōu)質(zhì)結(jié)合粘土，優(yōu)化顆粒配比，改變一級礬土熟料在骨料和細(xì)粉中加入量的比例，基質(zhì)中加入13.8%的一級礬土熟料，其余礬土熟料采用顆粒加入，嚴(yán)格控制生產(chǎn)工藝參數(shù)，在1360 ℃(±10℃)×8 h的熱工制度下，生產(chǎn)的微膨脹GL-55高鋁高爐磚，其外形尺寸和理化指標(biāo)良好，均滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，目前此工藝已進行規(guī)模化大批量生產(chǎn)。