氧化铝空心球砖具有良好的耐高温性和隔热保温性能,可直接应用于部分高温窑炉的工作衬,作为一种高性能的隔热保温材料已在高温窑炉中广泛应用。当其作为高温窑炉工作衬使用时,由于长时间处于高温环境下,制品的高温体积稳定性成为影响窑炉使用寿命的一项重要性能指标.本研究在公司现有氧化铝空心球砖制品的基础上,通过引入不同硅源,在制品基质中形成莫来石,利用莫来石化反应产生的膨胀抵消制品在烧结过程中产生的收缩,研制出微膨胀的氧化铝空心球砖。

试验

2.1原料

采用粒度为0.2~3mm的氧化铝空心球、电熔白刚玉细粉(≤0.mm)、苏州土(≤0.mm)、含硅添加剂硅源A(≤0.mm)、硅源B(≤0.mm)、硅源C(≤0.mm)等为主要原料,其主要化学组成列于表1。

表1原料的化学组成

2.2试验过程

2.2.1配比

试验用氧化铝空心球砖的骨料和粉料按一定的比例进行配比,试样配比列于表2。

表2试样配比

2.2.2试样制备

按照设计配比将氧化铝空心球和基质细粉分别配制好,先将细粉进行预混,然后根据工艺规定,按照颗粒—结合剂—细粉的顺序进行混炼,保证泥料混炼均匀。将混合好的泥料采取振动成型的方式成型为mm×mm×60mm的标准砖试样,脱模后自然养护24h,并于℃干燥24h,然后进行烧成。其中1#试样为某公司现有氧化铝空心球砖产品,烧成制度为在梭式窑经℃烧成8h;2#、3#试样是在隧道窑于℃烧成35h。

结果与讨论

3.1烧成后氧化铝空心球砖性能

烧成后氧化铝空心球砖的性能指标列于表3。

表3烧成后氧化铝空心球砖的性能指标

3.2讨论与分析

3.2.1常温性能

从表3可知,采用硅源A、硅源B、硅源C,莫来石结合氧化铝空心球砖的AlO含量在89%~90%;显气孔率在56.5%~58.5%;体积密度在1.50g/cm左右,这些指标变化不大,基本维持在同一水平。但常温耐压强度却出现明显的变化,引入硅源B、硅源C的2#和3#试样的常温耐压强度与引入硅源A的1#试样相比,分别提高了98.2%和10%,这说明使用硅源B、硅源C作为硅源引入有利于常温耐压强度的提高。

3.2.2物相组成及高温性能

由表3可看出,经过高温烧成后,1#、2#、3#试样的物相组成均为刚玉相和莫来石相,说明经过高温烧成后,引入的硅源A、硅源B、硅源C均与基质中的电熔白刚玉发生莫来石化反应,基质中生成的莫来石相为试样提供了良好的高温性能。对比引入的硅源A、硅源B、硅源C的1#、2#、3#试样的0.1MPa荷重软化温度和℃,2h条件下重烧线变化,发现2#、3#试样的荷重软化温度均高于1#试样;1#试样重烧后表现为微收缩,2#试样基本不变,3#试样表现为微膨胀。

3.2.3结果分析

(1)硅源A的SiO含量为98.15%,其主要物相组成为石英相,引入硅源A的1#试样在经过梭式窑℃烧成8h后其物相组成为刚玉相和莫来石相,无石英相存在,说明1#试样硅源A中的SiO全部与基质中的AlO反应生成莫来石。

1#试样℃烧成2h的重烧线变化为-0.1%,说明1#试样在℃重烧过程中烧结产生的收缩对高温体积变化起主要作用。另外,由于硅源A中的SiO主要以石英相的形式存在,试样在烧成过程中,随着温度的升高,硅源A中的SiO会发生相变,产生一定的体积膨胀,造成试样内部结构疏松,对其力学性能是不利的。

(2)硅源B、硅源C均是天然AlO-SiO系矿物,属于同一族矿物,二者在高温烧成过程中均会不可逆转的转化为莫来石和SiO,并伴随产生一定的膨胀,其分解产生的SiO液相会与材料中富余的AlO再次反应生成莫来石,即二次莫来石化,也会产生一定的膨胀,具体反应如下式所示。

在高温烧成过程中硅源B、硅源C分解产生SiO液相填充试样内部空隙,二次反应生成莫来石,形成了莫来石网络结构,有利于试样的力学性能和高温性能.同时硅源B、硅源C在高温下的莫来石化反应产生的体积膨胀效应,抵消了试样的烧结收缩,使试样重烧后线变化表现为不收缩和微膨胀。

(3)硅源B、硅源C虽属同族矿物,但两者在高温下的变化略有不同.硅源B的分解温度为℃,硅源C的分解温度为~℃,相同烧成条件下,引入硅源C的3#试样其莫来石化反应过程要晚于引入硅源B的2#试样,2#试样莫来石化反应程度高于3#试样,莫来石晶体发育更好,莫来石相结合强度更高,故2#试样的常温耐压强度明显高于3#试样。

同样,由于2#试样在烧成过程中莫来石化程度高,晶体发育较好,在进行℃重烧时,残存的膨胀效应与烧结产生的收缩相当,重烧线变化为0;而3#试样在进行℃重烧时莫来石化反应的膨胀效应大于烧结产生的收缩,重烧线变化为+0.14%,表现为微膨胀。

为了验证引入硅源C的3#试样的莫来石化反应程度,对重烧后的3#试样再次进行℃下3h重烧,其重烧线变化率为+0.07%,说明通过引入硅源C在材料内部形成莫来石,利用莫来石化反应产生的膨胀效应,可以很好地抵消试样在烧结过程中产生的收缩。

结论

(1)引入硅源B、硅源C替代硅源A生产的莫来石结合氧化铝空心球砖,显气孔率、体积密度水平相当,但常温力学性能和高温性能更好。

(2)通过引入硅源C,成功研制出微膨胀莫来石结合氧化铝空心球砖,试样的显气孔率为57.7%,体积密度为1.49g/cm,0.1MPa荷重软化温度T0.6﹥℃,℃烧成2h重烧线变化为+0.14%.对重烧后的试样再次进行℃下3h重烧,其重烧线变化率为+0.07%,此试样可以抵消长期高温工作环境下产生的收缩。