高純低蠕變再燒結(jié)電熔莫來石磚的研制

符啟慧 劉華利 韋修功 李超林 阮小川 陸富偉

（廣東新嶺南科技有限公司 肇慶 526000）

0 引言

合成莫來石的生產(chǎn)方法主要有固相燒結(jié)法和電熔法。固相燒結(jié)法合成莫來石的生產(chǎn)方法是將配好的原料進(jìn)行粉磨、壓坯后用倒焰窯或隧道窯燒成而成，或者是將配好的原料加水研磨成漿，壓濾脫水、真空擠泥成為泥坯后烘干再經(jīng)倒焰窯或隧道窯燒成而成。電熔法合成莫來石的生產(chǎn)方法是將配好的原料加入到電弧爐中，在電弧形成的高溫中熔融，冷卻析晶后而成。相較于燒結(jié)莫來石，電熔莫來石的晶體發(fā)育得更加完善、晶粒更大、晶體缺陷更少，其晶體尺寸甚至是燒結(jié)莫來石的數(shù)百倍，因此其高溫力學(xué)性能和抗侵蝕性都相對好很多。莫來石的物相組成一般為莫來石晶體和玻璃相。在生產(chǎn)中，不可避免地要帶入各種雜質(zhì)，有Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、Na2O、K2O，尤其Na2O、K2O會抑制莫來石的形成，導(dǎo)致富硅氧玻璃相的產(chǎn)生，降低莫來石含量，而Fe2O3會延緩莫來石化的進(jìn)程，并增加玻璃相的數(shù)量［1］。

再燒結(jié)電熔莫來石磚主要由電熔莫來石和氧化鋁等原料按一定比例混合，采用特種耐火材料成型工藝，經(jīng)過高溫?zé)珊铣??？梢愿纳坪吞岣咧破返母邷匦阅?，相對于燒結(jié)莫來石具有密度高、純度高、高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、高溫蠕變率低、熱膨脹率小、抗化學(xué)侵蝕性強(qiáng)、抗熱震性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，再燒結(jié)電熔莫來石磚主要應(yīng)用于熱工窯爐上部結(jié)構(gòu)及熱應(yīng)力大的部位，如E-玻璃、硼硅酸鹽玻璃熔窯胸墻、碹頂、碹腳磚。目前國內(nèi)對再燒結(jié)電熔莫來石的研究較少，本研究的目的在于合成低高溫蠕變率的再燒結(jié)電熔莫來石磚。

1 高溫蠕變率的影響因素

高溫蠕變率的影響因素有：①外在作用條件：溫度、荷重、時間、氣氛；②材質(zhì)：相組成（主要為玻璃相的影響）、單相或多相、氣孔率和晶粒的大小、形狀和分布。因此，在作用條件相同的情況下，高溫蠕變率主要考慮氣孔率、晶粒大小以及化學(xué)-礦物組成（包含主礦相、玻璃相）。

（1）氣孔率。隨著氣孔率的增大，蠕變率增大，因?yàn)闅饪诇p小了抗蠕變的有效截面積。

（2）晶粒大小。一般來說，晶粒愈小，蠕變率愈大。這是因?yàn)榫ЯＳ?，晶界的比例大大增加，高溫下的晶界擴(kuò)散及晶界的粘滯流動就會越快，蠕變也會增加。所以，在其它性能滿足的前提下，適當(dāng)?shù)脑龃缶Я３叽缬欣谔岣卟牧系母邷厝渥冃?。電熔莫來石的高溫蠕變性?yōu)于燒結(jié)莫來石。

（3）玻璃相。盡管大多數(shù)材料是無玻璃相或很少玻璃相，但也有一些材料的晶界有玻璃相存在。對存在玻璃相的材料來說，當(dāng)溫度升高時，玻璃的黏度減小，從而蠕變增大［2-4］。

一般來說，在燒結(jié)溫度及燒成時間不變的情況下，主要考慮氣孔率及玻璃相對材料高溫蠕變率的影響。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

主要原料：電熔莫來石料為河南長城特耐高新材料有限公司生產(chǎn)；a氧化鋁為安邁鋁業(yè)（青島）有限公司生產(chǎn)；蘇州白泥為中國高嶺土有限公司生產(chǎn)。試驗(yàn)主要用料的化學(xué)成分見表1。

表1 主要原料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.2 制備工藝

（1）混合粉制備：將電熔莫來石粉、a氧化鋁粉、蘇州白泥及適量固體結(jié)合劑按比例充分混合均勻得到混合粉；

（2）成型料制備：電熔莫來石顆粒料中加入適量液體結(jié)合劑充分潤濕顆粒表面，隨后加入混合粉混合均勻得到成型料；

（3）成型：使用壓力機(jī)（設(shè)定合適的參數(shù)）成型試樣生坯，試樣生坯規(guī)格為230 mm×115 mm×65 mm；

（4）燒成：按合適的升溫曲線進(jìn)行燒成，燒成溫度及保溫時間為1700 ℃、10 h；

（5）檢測：對材料的顯氣孔率、體積密度、常溫耐壓強(qiáng)度及高溫蠕變率進(jìn)行表征。

2.3 表征

采用激光粒度儀（型號：Topsizer，珠海市歐美克儀器有限公司）測試粒度；采用高溫荷軟蠕變測試儀（型號：HRY-04/2P，中鋼集團(tuán)洛陽耐火材料研究院有限公司）測試高溫蠕變（測試標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5073—2005）；采用壓力試驗(yàn)機(jī)（型號：YES-2000，濟(jì)南中路昌試驗(yàn)機(jī)制造有限公司）測試耐壓強(qiáng)度（測試標(biāo)準(zhǔn)DIN EN 993-5）；使用GB/T 2997—2015標(biāo)準(zhǔn)測試體積密度、顯氣孔率。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同混合粉含量的影響

按混合粉配比（表2）配置混合粉，然后分別按混合粉∶電熔莫來石顆粒料為28%∶72%、32%∶68%及36%∶64%的比例制備成型料1-1、1-2及1-3，如表3所示。

表2 混合粉配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表3 不同混合粉比例的成型料配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

成型料1-1、1-2及1-3經(jīng)相同成型條件成型成坯體，并經(jīng)過相同燒成條件燒成后得到耐火磚試樣。對各試樣的密度、氣孔率、耐壓強(qiáng)度及高溫蠕變率（1600 ℃×25 h）進(jìn)行表征，如圖1所示。

圖1 不同混合粉含量的耐火磚

圖1表明，隨著混合粉含量從28%增加到36%，耐火材料的體積密度變小、顯氣孔率變大，有效截面積減少，使得耐火材料的耐壓強(qiáng)度降低及高溫蠕變率提高。因?yàn)樵诔尚蜅l件不變的情況下，混合粉含量增多導(dǎo)致了成型生坯的致密度變低。因此，28%的混合粉添加含量最適宜。

3.2 混合粉中白泥、a氧化鋁的影響

配置混合粉A、B、C，其中B缺少白泥、C缺少a氧化鋁粉和白泥，如表4所示。隨后均分別按混合粉∶電熔莫來石顆粒料為28%∶72%的比例制備成型料2-1、2-2、2-3，如表5所示。

表4 不同原料的混合粉配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表5 不同混合粉的成型料配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

成型料2-1、2-2、2-3經(jīng)相同成型條件成型成坯體，并經(jīng)過相同燒成條件燒成后得到耐火磚試樣。對各試樣的密度、氣孔率、耐壓強(qiáng)度及高溫蠕變率（1600 ℃×25 h）進(jìn)行表征，如圖2所示。

圖2 不同混合粉的耐火磚

由圖2可以看出，白泥試樣2-1比不含白泥試樣2-2及2-3的顯氣孔率低、密度高，同時其耐壓強(qiáng)度也高。但由于試樣2-1含白泥（低熔物相），進(jìn)行高溫蠕變試驗(yàn)時，低熔物相的黏度減小，從而使得蠕變率比不含白泥的試樣2-2及2-3更高。試樣2-2的耐壓強(qiáng)度及高溫蠕變率均略高于試樣2-3，適量的a氧化鋁粉添加可能對耐壓強(qiáng)度及高溫蠕變率起積極作用。

3.3 混合粉粒度分布的影響

通過調(diào)整電熔莫來石粉的粒度分配來調(diào)整混合粉的粒度分布，混合粉比例如表6所示，制得不同粒度分布混合粉B、D、E、F、G如圖3所示。

表6 不同粒度分布的混合料配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

圖3 不同混合粉的粒度分布

不同粒度分布混合料的成型料配比見表7。按表7的成型料配比，依次將電熔莫來石粗料、中料、細(xì)料加入適量液體結(jié)合劑后分別將混合粉B、D、E、F、G加入混料制得成型料4-1、4-2、4-3、4-4、4-5。

表7 不同粒度分布混合料的成型料配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

經(jīng)相同成型條件及燒成條件得到耐火磚。對材料的體積密度、氣孔率、耐壓強(qiáng)度及高溫蠕變率（1600 ℃×25 h）進(jìn)行測試，測試性能如圖4所示。

圖4 不同混合粉粒度分布的耐火磚

5個試樣方案中，試樣4-3的混合粉粒度可以得到最低的顯氣孔率的耐火磚，同時其高溫蠕變率也最低，原因可能是試樣4-3的混合粉粒度分布平均、波峰平坦。

3.4 顆粒（粗、中、細(xì)料）的影響

按混合粉B配比將電熔莫來石粉、a氧化鋁粉及固體結(jié)合劑混合配制混合粉。不同顆粒（粗、中、細(xì)料）的成型料配比見表8。

表8 不同顆粒（粗、中、細(xì)料）的成型料配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

續(xù)表8

分別將表8中的試樣所要求比例的電熔莫來石粗料、中料、細(xì)料、混合粉B與適量液體結(jié)合劑混合制備成型料。

經(jīng)相同成型條件的摩擦壓力機(jī)成型及相同燒成條件的隧道窯燒成后，得到耐火磚。對材料的體積密度、氣孔率、耐壓強(qiáng)度及高溫蠕變率（1600 ℃×25 h）進(jìn)行測試，測試性能參數(shù)見表9。

表9 不同顆粒（粗、中、細(xì)料）的耐火磚性能

在相同成型參數(shù)及燒成條件下，試樣3-1、3-4、3-6、3-8、3-9、3-13高溫蠕變率相對較低，其余試樣相對較高，但差距不明顯。說明顆粒級配對顯氣孔率、體積密度、耐壓強(qiáng)度及高溫蠕變率的影響不是特別大。

4 結(jié)論

（1）不同的混合粉含量（28%～36%）的方案中，隨著混合粉比例的增加，成型生坯的體積密度越小、顯氣孔率越大，導(dǎo)致了燒成后耐火材料的耐壓強(qiáng)度降低及高溫蠕變率提高。

（2）添加白泥、a氧化鋁的方案中，進(jìn)行高溫蠕變試驗(yàn)時，由于高溫下低熔物相（白泥）的黏度減小，從而使得含白泥試樣的蠕變率變得更高，且適量的a氧化鋁粉添加可能對耐壓強(qiáng)度及高溫蠕變率性能的提升起積極作用。

（3）13個不同顆粒（粗、中、細(xì)料）級配方案中，顯氣孔率、體積密度、耐壓強(qiáng)度及高溫蠕變率的差距不是特別大，說明顆粒級配對顯氣孔率、體積密度、耐壓強(qiáng)度及高溫蠕變率的影響不是特別大。

（4）5個混合粉粒度級配方案中，最低的顯氣孔率及高溫蠕變率的耐火磚可能是由于混合粉粒度分布平均、波峰平坦。