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藍晶石對礬土基低水泥耐火澆注料的性能影響

2017-09-26  來自: 南陽元昊礦產品公司 瀏覽次數:164

藍晶石對礬土基低水泥耐火澆注料的性能影響

摘 要 本文簡要介紹了藍晶石的結構、性能及應用范圍,并結合試驗,研究了藍晶石加入量對礬土基耐火澆注料的體積密度、顯氣孔率、抗折強度和線變化等性能的影響。 

關鍵詞 藍晶石,澆注料,力學性能,線變化 

1前 言 

藍晶石的成分為Al2[SiO4]O,與紅柱石、硅線石成同質多象。它主要形成于中級變質作用壓力較高的條件下,主要產于區域變質結晶片巖中,其變質相由綠片巖相到角閃巖相[1],與石榴石、十字石、云母和石英共生。藍晶石具有高溫膨脹性、較高的耐火度,是用作不定形耐火材料的極好原料。目前國內已有藍晶石礦20余處,在耐火材料行業發揮著不容忽視的作用。 

2藍晶石的結構、性能及應用

2.1 藍晶石的結構 

藍晶石為島狀鋁硅酸鹽,屬三斜晶系,沿C軸呈扁平長柱狀,有時晶體的末端膨大呈帽狀,晶面具有條紋。Winter、Ghose等對25℃、400℃、600℃時藍晶石的晶體結構進行了研究,發現Al和Si分屬八面體和四面體結構[2]。Al八面體邊緣呈之字形且與C軸或[001]面平行,比起紅柱石和硅線石,藍晶石中的Al八面體結構排列更加有序。 

藍晶石存在三種形態:(1)針狀和纖維狀集合體;(2)富含藍晶石的假象藍晶石集合體;(3)藍晶石結合礦。 

2.2 藍晶石的性能 

藍晶石多為藍色或藍灰色、淺白色等,具有玻璃光澤。物理性質見表1。 

藍晶石化學組成為標準莫來石相,結構穩定,一般粘土質耐火材料的耐火度為1670~1770℃,而含藍晶石的耐火材料其耐火度通常大于1790℃,最高大于1850℃。藍晶石礦物在加熱過程中轉化為針狀網絡的莫來石和SiO2的混合物,這是一個不可逆的轉化,在這個轉化過程中,礦物伴隨著體積膨脹,并且形成良好的莫來石針狀網絡,體積膨脹率為16~18%。反應式如下: 

3(Al2SiO5)→Al6Si2O13+SiO2 

從圖1可以看出,藍晶石加熱至1000℃無變化,在 1300℃以上逐漸轉變。當溫度在1100~1300℃時,試樣體積膨脹不大,藍晶石分解緩慢,莫來石化不完全,晶體微小。當溫度達到1300~1450℃時,藍晶石快速分解,莫來石化漸趨完全,體積膨脹很大,約在1450℃時,藍晶石的膨脹曲線達到最大。當溫度超過1450℃時,藍晶石已完全分解,莫來石化完成,晶體開始發育,物料基本不再膨脹,甚至產生收縮。藍晶石的膨脹性不僅與顆粒有關,同時也與純度有關,純度越高,膨脹也就越大,并隨Al2O3含量增高,線膨脹增大。 

此外,藍晶石還耐酸堿、耐腐蝕,抗沖擊力強,熱態強度高,電絕緣性能也較好。 

2.3 藍晶石的主要用途 

由于藍晶石具有以上優異的性能,被廣泛應用于各個領域。 

(1) 利用藍晶石高溫一次永久性膨脹特性,直接加入不定形耐火材料(如澆注料、可塑料、膠泥)中作高溫膨脹劑,從而提高制品的性能,消除材料在高溫和冷卻過程中產生的收縮裂紋、剝落以及影響使用壽命等弱點,從而延長爐襯壽命。 

(2) 用藍晶石高鋁礦物生產的鋁酸鹽纖維,可用于制作汽車、宇宙飛船和雷達的零部件。 

(3) 用藍晶石煅燒形成的莫來石制作高級耐火材料,可用于高溫爐并使其爐齡延長5~6年,節約能源。 

(4) 在高鋁水泥中加入藍晶石制成藍晶石水泥,耐火溫度高達l650℃,可應用于軍工建筑。 

試驗用主要原料為高鋁礬土熟料(骨料:臨界粒度為5mm;粉料:<0.088mm)、SiO2、微粉、Al2O3微粉、鋁酸鹽水泥(CA-70)和藍晶石粉,其主要成分見表2。分散劑采用含三聚磷酸鈉(STP)、高效減水劑(FDN)和木質素磺酸鈣(木鈣,相對分子量為2000~100000)的復合外加劑。 

試驗所用骨料為高鋁礬土熟料顆粒,粉料由礬土熟料細粉、SiO2微粉、α-Al2O3微粉、藍晶石和水泥組成。骨料與粉料的質量比為70:30。復合外加劑和水采用外加方式。按照試驗方案向料中加入不同量的微粉,在攪拌機內干混30s,并在30s內勻速加入一定量的水,攪拌2min。將拌好的澆注料裝入40mm×40mm×160mm的試模,自然養護24h后脫模。試樣在烘干(110℃,24h)和熱處理后( 1100℃,3h、1450℃,3h),分別按國標測量試樣的體積密度、顯氣孔率、冷態抗折強度和線變化。 

4結果與討論 

可以看出,隨著藍晶石的加入,澆注料在各個溫度的體積密度均有所增加,顯氣孔率大致都呈先增加后降低再增加的趨勢,但變化幅度都不是很大,體積密度和顯氣孔率基本上不會由于藍晶石的引入而有很大的改變。 

由圖4可以看出,藍晶石加入量對干燥后和1100℃熱處理后試樣的抗折強度影響不大,但經1450℃熱處理后試樣的抗折強度明顯提高,加入2%的藍晶石,其抗折強度可提高26.5%左右。這是因為低于1100℃時,藍晶石分解反應還未發生,而經1450℃熱處理后,網絡狀莫來石形成,加之原料中少量堿性物質引入而促進了液相燒結,使試樣的抗折強度大大提高[3,4]。但由于藍晶石的增加,其分解反應產生的膨脹也增加,會對試樣的抗折強度產生不利影響,使強度的增加受到了限制,所以加入4%、6%的藍晶石的抗折強度增加并不明顯。 

從圖5可以看出,1100℃時,藍晶石的加入量基本不影響試樣的線變化,但經1450℃熱處理后,隨著藍晶石加入量的增加,試樣的線變化逐漸由收縮變為膨脹。這是由于藍晶石分解反應的發生導致產生了體積膨脹而造成的。 

藍晶石作為耐火澆注料的膨脹劑,在補償澆注料燒結時體積收縮的同時也改善了澆注料的其它性能。從上述試驗結果可知:(1)藍晶石的加入對澆注料的體積密度和顯氣孔率影響不大;(2)加入適量的藍晶石可以明顯改善澆注料的力學性能;(3)藍晶石的加入可以提高澆注料的體積穩定性。 

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