近年來的高品位鋁礬土資源已是非常稀少,低品位鋁礬土的應(yīng)用已是必然的選擇。為提高資源利用率,充分利用低品位的鋁礬土資源,就必須對低品位的鋁礬土進(jìn)行均化處理;經(jīng)均化處理后的礬土稱為均化鋁礬土。
致密均化鋁礬土熟料是將礬土礦石經(jīng)過破碎、細(xì)磨并調(diào)節(jié)好成分后加水混練均勻,擠壓成球或成塊,然后高溫煅燒,制成成分穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)均勻、致密度高、性能穩(wěn)定的均質(zhì)合成熟料。
為充分利用致密均化鋁礬土的性能,本研究首先對致密均化鋁礬土的化學(xué)成分、體積密度、吸水率以及微觀結(jié)構(gòu)等進(jìn)行研究;并以魚雷車“三脫”工藝用鋁碳化硅碳材料為應(yīng)用背景,對分別以致密均化鋁礬土、普通鋁礬土和亞白剛玉為原料的鋁碳化硅碳材料進(jìn)行了常溫強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度、體積密度以及耐“三脫”渣浸蝕等方面的研究。
1實(shí)驗(yàn)
取均化后的致密鋁礬土進(jìn)行進(jìn)行化學(xué)成分、體積密度、吸水率等方面的分析,并對其進(jìn)行SEM、EDS分析。
分別以致密均化鋁礬土、普通燒結(jié)鋁礬土和亞白剛玉(其化學(xué)成分見表1)為骨料,按照表2的配比進(jìn)行混料、成型。將試樣經(jīng)200℃干燥24h后進(jìn)行顯氣孔率、體積密度、常溫耐壓強(qiáng)度和高溫抗折強(qiáng)度等物化指標(biāo)。高溫抗折強(qiáng)度是在1400℃埋碳條件下保溫30min后進(jìn)行測試的。
回轉(zhuǎn)渣浸實(shí)驗(yàn)用渣為鐵水“三脫”工藝渣,其成分為:Fe3O4、CaO、CaF2、Na2CO3。將裝配有試樣的回轉(zhuǎn)抗渣爐加熱到1600℃后加入300g“三脫”渣,每隔30min更換一次新渣,一共加入新渣7次。試驗(yàn)結(jié)束后,將試樣取下,量取試樣在進(jìn)行渣浸后的殘余厚度,并根據(jù)原始厚度測算被熔渣蝕損的厚度。
2 結(jié)果與討論
2.1致密均化鋁礬土性能
均化鋁礬土與普通礬土的成分是一致的,也就是說,從化學(xué)成分上講,該均化鋁礬土并沒有特殊之處。
鋁礬土的體積密度達(dá)到3.31g/cm3,而正常的普通鋁礬土的體積密度僅為3.0g/cm3,說明該均化鋁礬土的致密度是很高的,很密實(shí)的。同時發(fā)現(xiàn),致密均化鋁礬土的吸水率非常低,僅為0.5%,而正常的普通鋁礬土的吸水率一般為2%~5%,由此也說明了均化處理后的鋁礬土的致密度是很好的。
2.2致密均化鋁礬土顯微結(jié)構(gòu)
從致密均化鋁礬土在低倍電鏡下的氣孔分布情況可以看出致密均化料結(jié)構(gòu)致密,質(zhì)地均勻;同時看出,礬土中的氣孔率低且多為封閉氣孔,由此也說明表4中的均化鋁礬土的吸水率為0.5%是正確的、合理的。圖2為致密均化鋁礬土的斷口形貌。X-衍射分析其礦物組成為約68%的剛玉,約32%的莫來石。從結(jié)晶學(xué)上看,莫來石是針狀或柱狀的結(jié)晶,而剛玉一般為棒狀的結(jié)晶體,所以,結(jié)合圖2可以看出,氣孔率多分布于針狀體的交叉處,也就是說,氣孔多位于莫來石晶體的交叉聚集處,這是由于莫來石的結(jié)晶習(xí)性導(dǎo)致的。由于莫來石主要是從液相中析出的,而析出的莫來石晶體的體積密度要高于處于液相狀態(tài)的混合物,所以,氣孔出現(xiàn)在莫來石析晶的場所。從圖2中還可以看出,剛玉顆粒周圍大都是團(tuán)簇狀的莫來石晶體,由此,也說明了在礬土均化料的燒結(jié)冷卻過程中,首先析出高熔點(diǎn)的剛玉相,然后從液相中析出莫來石晶體,由此,也導(dǎo)致了材料的微觀結(jié)構(gòu)的均勻性。
2.3鋁碳化硅碳磚的常溫性能
對基于致密均化鋁礬土、普通燒結(jié)鋁礬土和亞白剛玉的3組鋁碳化硅碳磚試樣的常溫性能進(jìn)行檢測。可以看出,基于致密均化鋁礬土的試樣在氣孔率、體積密度方面與剛玉試樣接近,要遠(yuǎn)優(yōu)于基于普通燒結(jié)鋁礬土試樣。主要原因是致密均化鋁礬土與普通的燒結(jié)鋁礬土相比,質(zhì)地分布更加均勻,燒結(jié)性更為完好,具有較高的致密度和較低的氣孔率。
另外,由于致密均化鋁礬土的開口氣孔較少,多為封閉氣孔,結(jié)構(gòu)較為致密,所以,酚醛樹脂結(jié)合劑對致密均化鋁礬土的粘結(jié)力較小,常溫耐壓強(qiáng)度稍低些。
2.4鋁碳化硅碳磚的高溫性能
對耐火材料來講,原料的耐高溫性能是非常關(guān)鍵的。
基于致密均化鋁礬土的鋁碳化硅碳磚的高溫抗折強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于普通鋁礬土的試樣,而與基于亞白剛玉的試樣的相當(dāng);也就是說,鋁礬土經(jīng)均化后的高溫性能要比普通鋁礬土大大提升了。這是由于礬土均化工藝是將天然礬土中原本較為集中的雜質(zhì)分散開來,從而弱化了雜質(zhì)的危害;同時細(xì)磨粉工藝也降低了粉體燒結(jié)時的活化能,促進(jìn)了剛玉和莫來石晶相的結(jié)晶長大,使礬土中的剛玉相和針狀的莫來石晶相直接接觸,相互穿插,賦予了均化鋁礬土非常出色的高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,所以,基于該均化鋁礬土的試樣的高溫抗折強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通鋁礬土的試樣,而達(dá)到亞白剛玉體系材料的性能。
2.5鋁碳化硅碳磚耐渣侵蝕性
3組試樣進(jìn)行動態(tài)回轉(zhuǎn)抗渣實(shí)驗(yàn)后的結(jié)果見圖5。試樣原來的初始高度都為50mm,圖中的陰影部分為經(jīng)過渣浸實(shí)驗(yàn)后所蝕損掉的部分,白色部分為實(shí)驗(yàn)后的試樣殘厚。陰影部分的高度高則意味著材料不耐熔渣蝕損。由圖5可以看出,盡管鋁礬土中的氧化鋁含量都為85%左右,但是,致密均化鋁礬土的試樣在抗渣侵蝕性能方面性能是極為優(yōu)異的,與亞白剛玉(Al2O3,98.8%)試樣很相近,差別不大,在耐浸蝕性方面要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基于普通燒結(jié)鋁礬土的試樣。
“三脫”熔渣中主要含有Fe3O4、CaO及Na2CO3等,而這些組分對耐火材料的浸蝕性是很強(qiáng)的。Fe3O4和Na2CO3對鋁碳化硅碳材料的蝕損作用主要是氧化作用,即可以同磚中的SiC和C等組分反應(yīng),使其生成SiO2和CO(g),從而劣化材料的結(jié)構(gòu),質(zhì)地疏松,破壞材料的整體性能。熔渣則很容易滲入試樣中,而滲入的熔渣與試樣中的Al2O3、SiO2等繼續(xù)發(fā)生反應(yīng),形成低熔相,導(dǎo)致試樣的侵蝕。
相比致密的均化鋁礬土,普通鋁礬土雖然Al2O3含量相近,但是,由于材料的氣孔率較高,且多為開口氣孔,較稀的熔渣可以沿著開口氣孔滲入到鋁礬土顆粒內(nèi)部;滲入到內(nèi)部的熔渣通過與Al2O3、SiO2等的反應(yīng)生成低熔點(diǎn)液相,溶蝕、分解礬土顆粒。而致密的均化鋁礬土的氣孔多為封閉型,且擁有剛玉與莫來石相互交叉的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)致密,所以熔渣滲入礬土內(nèi)部的通道少,對材料的溶蝕或分解作用較弱,所以,礬土經(jīng)均化后較普通礬土的性能大大提升,并達(dá)到了亞白剛玉級試樣的性能。
3結(jié)論
1)經(jīng)均化后的鋁礬土的結(jié)構(gòu)致密、成分均勻,具有較高的體積密度和較低的氣孔率,且氣孔多為封閉氣孔。
2)基于致密均化鋁礬土的試樣具有很好的常溫性能指標(biāo),在氣孔率、體積密度以及常溫耐壓強(qiáng)度方面都優(yōu)于普通礬土的試樣,與亞白剛玉試樣相當(dāng)。
3)以致密均化鋁礬土為原料的試樣在高溫抗折強(qiáng)度和耐熔渣浸蝕性方面遠(yuǎn)優(yōu)于以普通礬土為原料的試樣,與基于亞白剛玉的試樣相當(dāng)。
