礬土基莫來(lái)石的性能分析

蘇玉柱 羅華明 王涵宇 范明明 金 懿 占華生

北京金隅通達(dá)耐火技術(shù)有限公司 北京 100043

莫來(lái)石具有高熔點(diǎn)，低熱膨脹系數(shù)，優(yōu)良的抗蠕變性、抗熱震性、抗腐蝕性等特點(diǎn)［1］，已成為許多工業(yè)領(lǐng)域的耐火原料［2-3］。莫來(lái)石分為天然莫來(lái)石和合成莫來(lái)石兩類，天然莫來(lái)石很少，一般采用人工合成。我國(guó)莫來(lái)石工業(yè)化合成方法可分為燒結(jié)法和電熔法，燒結(jié)法合成莫來(lái)石是以硅石、高嶺石、高鋁礬土和工業(yè)氧化鋁等為原料，按莫來(lái)石組成配料，經(jīng)充分混合和磨細(xì)，制成泥條或磚坯，在回轉(zhuǎn)窯或隧道窯中煅燒而成［4-5］。電熔法合成莫來(lái)石是將配好的物料混合后裝入電弧爐中，在電弧爐的高溫下熔融，冷卻析晶而成［6］。采用不同工藝合成莫來(lái)石，莫來(lái)石晶體發(fā)育程度與其生產(chǎn)工藝中的燒成溫度、保溫時(shí)間和冷卻制度有關(guān)，不同工藝合成的莫來(lái)石在晶粒尺寸和顯微結(jié)構(gòu)的差異會(huì)造成莫來(lái)石使用性能的差異。為此，利用XRD、SEM等分析我國(guó)山西、河南、湖南等典型產(chǎn)區(qū)礬土基合成莫來(lái)石的性能特點(diǎn)，為莫來(lái)石原料的合理使用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原料取樣

分別從山西、河南、湖南等典型產(chǎn)區(qū)獲取8種具有代表性的礬土基莫來(lái)石原料，其中山西A、河南A、山西B、山西C（與山西B屬于同一個(gè)生產(chǎn)廠家，但屬于欠燒樣）為隧道窯燒制，河南B、山西D、湖南A為回轉(zhuǎn)窯燒制，湖南B為電弧爐電熔工藝生產(chǎn)。

1.2 性能檢測(cè)

采用GB／T 2999—2016檢測(cè)原料的顯氣孔率、吸水率及體積密度，采用布魯克D8 ADVANCE型X射線衍射儀分析物相組成，采用日立公司的S-3400N型掃描電子顯微鏡觀察試樣顯微結(jié)構(gòu)。

玻璃相含量根據(jù)文獻(xiàn)［7］檢測(cè)，w（玻璃相）＝（莫來(lái)石處理前后質(zhì)量差÷處理前質(zhì)量）×100%。

2 結(jié)果與討論

2.1 理化性能

合成莫來(lái)石原料的理化性能見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)：回轉(zhuǎn)窯燒制的莫來(lái)石具有低的吸水率和小的顯氣孔率；隧道窯燒制的莫來(lái)石吸水率較回轉(zhuǎn)窯燒制的大，其中吸水率范圍為2.5% ～3.5%，其中山西C與山西B雖然屬于同一個(gè)廠家，但山西C為欠燒產(chǎn)品，吸水率較高；電弧爐生產(chǎn)的莫來(lái)石吸水率（≤1%）最低。由表1還可看出：莫來(lái)石中含有68% ～71%（w）的Al2O3；電熔莫來(lái)石雜質(zhì)較少；隧道窯、回轉(zhuǎn)窯燒制的燒結(jié)莫來(lái)石中雜質(zhì)合量為6.0%～9.0%（w），雜質(zhì)主要為T(mén)iO2、Fe2O3、CaO和MgO等，且雜質(zhì)中的TiO2含量均較高。

表1 合成莫來(lái)石原料的理化性能

2.2 物相組成

圖1為合成莫來(lái)石原料的XRD圖譜。

圖1 合成莫來(lái)石原料的XRD圖譜

由圖1（a）可見(jiàn)，所有莫來(lái)石原料的主要物相均為莫來(lái)石，部分原料中含有少量剛玉和金紅石。

由圖1（b）金紅石相特征峰（2θ為27°左右）的放大圖可看出：河南A、河南B和山西B的金紅石特征峰較為明顯；山西A、山西C、山西D和湖南A的金紅石衍射峰強(qiáng)度偏低；湖南B（電熔莫來(lái)石）則沒(méi)有金紅石析出，說(shuō)明TiO2隨其他雜質(zhì)進(jìn)入液相。

由圖1（c）剛玉相特征峰（2θ＝38°～44°）的放大圖可看出：山西B、山西C、河南B和山西D中剛玉相衍射峰明顯，表明這4種莫來(lái)石中含有較多的剛玉相；而山西A和河南A中剛玉相特征峰微弱，說(shuō)明這2種莫來(lái)石中含有的剛玉相較少；湖南A和湖南B中的剛玉衍射峰難以分辨，含量為痕量或者沒(méi)有剛玉相。

采用MAUD軟件對(duì)各合成莫來(lái)石進(jìn)行全譜擬合分析，計(jì)算衍射圖譜中各晶相的比例，各晶相含量和根據(jù)文獻(xiàn)［7］測(cè)出的玻璃相含量見(jiàn)表2。

表2 合成莫來(lái)石中各晶相和玻璃相含量

由表2可以看出：山西B、山西C、山西D和河南B中的剛玉相含量較大，從14%到20%（w）不等；湖南B電熔莫來(lái)石中玻璃相含量較低，為6%（w），但燒結(jié)莫來(lái)石玻璃相含量為8%～14%（w）。

2.3 顯微結(jié)構(gòu)

在回轉(zhuǎn)窯中煅燒合成莫來(lái)石原料的SEM照片如圖2所示?？梢?jiàn)，采用回轉(zhuǎn)窯合成的原料河南B、山西D和湖南A的顯微結(jié)構(gòu)相似，莫來(lái)石晶粒尺寸小，莫來(lái)石晶體截面邊長(zhǎng)2～4μm，晶體長(zhǎng)度10～20μm。其中，河南B、山西D中含有莫來(lái)石和粒狀剛玉，莫來(lái)石多呈針狀，發(fā)育不是很完全，莫來(lái)石晶體之間邊界不是很清晰，而湖南A中莫來(lái)石呈柱狀較多，發(fā)育相對(duì)較好。

圖2 在回轉(zhuǎn)窯中煅燒合成莫來(lái)石原料的SEM照片

在隧道窯中煅燒合成莫來(lái)石原料的SEM照片如圖3所示。可見(jiàn)，河南A和山西A中氣孔分布均勻，大部分區(qū)域莫來(lái)石發(fā)育良好，其中河南A中發(fā)育良好的柱狀莫來(lái)石呈網(wǎng)狀交織在一起。山西B和山西C中氣孔分布狀況相近，氣孔及孔徑大小不均一，莫來(lái)石發(fā)育相對(duì)較好，存在部分剛玉相，這和XRD衍射分析一致。隧道窯具有燒成溫度穩(wěn)定，保溫時(shí)間長(zhǎng)，可以較好控制冷卻制度等優(yōu)點(diǎn)，用來(lái)制備莫來(lái)石可以讓莫來(lái)石充分生長(zhǎng)。因此，與回轉(zhuǎn)窯煅燒的莫來(lái)石相比，隧道窯煅燒的莫來(lái)石晶體發(fā)育完整，呈柱狀，且長(zhǎng)徑比大，晶體截面邊長(zhǎng)超過(guò)4μm，晶粒長(zhǎng)度超過(guò)30μm。隧道窯煅燒的莫來(lái)石保溫時(shí)間長(zhǎng)，降溫緩慢，有利于原料中局部聚集的氧化鋁冷凝生成結(jié)晶程度好的粒狀剛玉相。

圖3 在隧道窯中煅燒合成莫來(lái)石原料的SEM照片

電熔莫來(lái)石原料（湖南B）的SEM 照片如圖4所示。

圖4 電熔莫來(lái)石原料的SEM照片

由圖4可以看出，電熔莫來(lái)石與燒結(jié)莫來(lái)石微觀結(jié)構(gòu)差異較大，高倍下能見(jiàn)少量孔洞或者缺陷，低倍下電熔莫來(lái)石晶粒發(fā)育非常好，莫來(lái)石晶體非常粗壯，晶體邊界非常明顯，晶粒截面邊長(zhǎng)可達(dá)50μm，長(zhǎng)度超過(guò)1 mm。

3 結(jié)論

（1）回轉(zhuǎn)窯燒制的莫來(lái)石吸水率（≤2.0%）低，隧道窯燒制的莫來(lái)石吸水率為2.5%～3.5%，電熔莫來(lái)石最致密，吸水率＜1.0%。

（2）合成莫來(lái)石中含有68% ～71%（w）的Al2O3，電熔莫來(lái)石雜質(zhì)較少，燒結(jié)莫來(lái)石雜質(zhì)合量在6.0%～9.0%（w），雜質(zhì)主要為T(mén)iO2、Fe2O3、CaO和MgO等，雜質(zhì)中TiO2含量均較高。

（3）合成莫來(lái)石的主要物相為莫來(lái)石，部分原料中含有少量剛玉相和金紅石，其中山西B、山西C、山西D和河南B中的剛玉相含量較大，從14%到20%（w）不等。

（4）電熔莫來(lái)石中玻璃相含量較少，燒結(jié)莫來(lái)石含8%～14%（w）玻璃相，屬于一個(gè)比較高的范圍。

（5）隧道窯煅燒莫來(lái)石晶粒發(fā)育完整，長(zhǎng)徑比大，莫來(lái)石為柱狀，莫來(lái)石晶體長(zhǎng)度超過(guò)30μm；回轉(zhuǎn)窯煅燒莫來(lái)石晶粒截面尺寸小，長(zhǎng)度在20μm以內(nèi)；電熔莫來(lái)石晶體發(fā)育粗壯并且完整，晶體邊界非常明顯，晶粒截面邊長(zhǎng)可達(dá)50μm，長(zhǎng)度超過(guò)1 mm。