骨料特性对刚玉-莫来石浇注料性能的影响_杨兆鹏.pdf

-42-第46卷第3期 非金属矿 Vol.46 No.32023年5月 Non-Metallic Mines May,2023骨料特性对刚玉-莫来石浇注料性能的影响杨兆鹏 郜剑英*王雅萱 蒋清合 刘 源 张军战（西安建筑科技大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710055）摘 要 刚玉-莫来石浇注料主要用于各类窑炉内衬材料的制备，为进一步提高内衬材料的使用性能，采用杂质含量不同的预合成莫来石和红柱石，研究了骨料种类和杂质含量对刚玉-莫来石浇注料显微结构与力学性能的影响。结果表明，当热处理温度为 1 100 和 1 550 时，莫来石骨料的杂质元素扩散进入基质中，降低了基质中液相的生成温度，促进了浇注料的烧结，因此添加莫来石骨料的浇注料比添加红柱石骨料的浇注料力学性能更加优异；杂质含量高的 MS60 骨料在高温下形成的液相较多，能够有效促进浇注料的烧结，提升浇注料的常温力学性能，其在1 550 时的抗折强度和抗压强度分别为 10.7 MPa 和 115.2 MPa。但高温抗折强度会因液相较多而降低,其值为 0.7 MPa；杂质含量高的红柱石骨料 D59 的莫来石化程度大，产生的富硅玻璃相黏度低，可以促进浇注料的烧结和二次莫来石生成，从而改善浇注料的力学性能，D59 浇注料的高温抗折强度为 0.7 MPa。关键词 骨料；莫来石；红柱石；杂质；液相量中图分类号：TU54文献标志码：A文章编号：1000-8098(2023)03-0042-06Effect of Aggregate Characteristics on Properties of Corundum-Mullite CastablesYang Zhaopeng Gao Jianying*Wang Yaxuan Jiang Qinghe Liu Yuan Zhang Junzhan(College of Materials Science and Engineering,Xian University of Architecture and Technology,Xian,Shaanxi 710055)Abstract Corundum-mullite castable castable is mainly used to prepare various kilm lining materious,in order to further improve the performance of lining materials,mullite and andalusite were pre-synthesized with different impurity contents to study the effects of aggregate type and impurity content on the microstructure and mechanical properties of corundum-mullite castable.The results showed that when the heat treatment temperature was 1 100 and 1 550,the impurity elements of mullite aggregate diffused into the matrix,reduced the formation temperature of liquid phase in the matrix,promoted the sintering of castable,so that the castable with mullite aggregate was better than the castable with andalusite.The MS60 aggregate with high impurity content formed more liquid phase at high temperature,which could effectively promote the sintering of castable and improve the mechanical properties of castable at normal temperature,the flexural strength and compressive strength were 10.7 MPa and 115.2 MPa at 1 550,respectively.But the high temperature bending strength will be reduced to 0.7 MPa due to more liquid phase.The andalusite aggregate D59 with high impurity content had a large degree of mullite,and the viscosity of silica-rich glass phase generated is low,which promoted the sintering of castable and the generation of secondary mullite,improved the mechanical properties of castable,and its high temperature flexural strength reached 0.7 MPa.Key words aggregate;mullite;andalusite;impurities;liquid content刚玉-莫来石浇注料具有耐火度高、力学性能优异、抗热震性较强等优点，常用作高温热风炉、管式加热炉、蒸汽锅炉等各种窑炉的内衬材料1-6。目前，有关基质对刚玉-莫来石浇注料性能的影响研究较多，而针对骨料对刚玉-莫来石浇注料的影响研究较少。骨料作为刚玉-莫来石浇注料中主要成分，对刚玉-莫来石浇注料物理性能和力学性能存在较大影响。目前，刚玉-莫来石浇注料中的莫来石来源主要分为两类。一类为预合成莫来石；另一类为原位合成莫来石。预合成莫来石是使用含氧化铝及二氧化硅的矿物煅烧而成。相比预合成莫来石，红柱石、蓝晶石和硅线石等矿物在高温下逐渐转变为莫来石（原位合成莫来石）使得刚玉-莫来石浇注料的性能发生较大提升。Yu 等7研究发现，引入红柱石使得刚玉-莫来石浇注料断裂机制逐渐由脆性断裂转变为韧性断裂，这主要是因为在热处理过程中红柱石自身的各向异性及红柱石莫来石化后所形成的微裂纹使得材料的断裂方式发生变化。Ding 等8发现红柱石莫来石化产生的玻璃相会促进二次莫来石生成，从而提高材料的致密化程度及抗氧化性。Liu 等9发现引入红柱石后所带来的莫来石化作用能够极大改善骨料/基质的界面，红柱石添加量达到 4%时效果最显著。Ding 等10发现红柱石莫来石化后产生的微裂纹能够有效释放热应力，从而提高浇注料抗热震性能。另外，原料的杂质含量也会对浇注料性能有较大影响。刘龙等11研究了 M45、M60 和 M75 等 3 种莫来石对浇注料性能的影响，发现 M45 的杂质含量最收稿日期：2023-04-03基金项目：陕西省科学技术研究计划（2022GY，2022KXJ-008）。*通信作者，E-mail：。-43-高，高温下促进了浇注料的烧结，使得该浇注料的显气孔率最小，抗折强度最高。Chen 等12向浇注料中添加不同品位的红柱石，发现低品位红柱石莫来石化所产生的富硅玻璃相更多，能够更有效填充骨料周围的孔洞，从而提高浇注料的抗氧化能力；另外，较多的玻璃相产生的烧结效果更好，浇注料的高温抗折强度更高。Lpez-Perales 等13采用高炉炉渣替代矾土制备刚玉-莫来石浇注料，发现高杂质含量的炉渣促进了浇注料的烧结，并且促进了钙长石的结晶，提高了浇注料的致密程度。Li 等14使用低熔点钛铁渣替代棕刚玉制备浇注料，发现钛铁渣的热膨胀系数与棕刚玉相近，在 1 280 下所制备的浇注料与棕刚玉浇注料性能接近，并且钛铁渣在还原气氛下具有良好的稳定性，能够作为棕刚玉的替代原料。本试验采用 4 种粒径 13 mm 的骨料，分别为MS60、SG60、P57 和 D59。MS60 和 SG60 为预合成莫来石；P57 和 D59 为红柱石，其在热处理过程中可原位生成莫来石。研究不同骨料类型及杂质含量的刚玉-莫来石浇注料微观结构及力学性能变化，探究不同类型莫来石对刚玉-莫来石浇注料性能的影响机制，以及骨料中的杂质含量对浇注料的烧结作用及红柱石莫来石化的影响。1 试验部分1.1 原料 板状刚玉，安迈铝业（青岛）有限公司，粒度分别为 35 mm、01 mm、-0.074 mm。13 mm 的骨料分别采用英格瓷公司莫来石 MS60、Mulcoa SG60和红柱石 P57、D59。-Al2O3微粉，P152SB，粒度小于等于 5 m，阿泰欧法铝业（上海）有限公司；氧化硅微粉，SIF-A，粒度小于等于 1 m，英格瓷公司；三聚磷酸钠（STPP）、六偏磷酸钠（SHMP），减水剂，英格瓷公司；铝酸钙水泥 Secar 71 为结合剂。4 种骨料的化学组成，见表 1。表1 莫来石和红柱石的化学组成（w/%）原料Al2O3SiO2Fe2O3TiO2MgO CaO K2O Na2O P2O5MS6060.933.5 1.002.80 0.12 0.38 0.270.010.10Mulcoa SG6059.537.6 0.601.50 0.07 0.06 0.040.030.10P57 红柱石58.040.0 0.900.25 0.15 0.10 0.350.15-D59 红柱石59.938.5 0.700.12 0.10 0.10 0.250.15-由 表 1 可 知，MS60 骨 料 的 杂 质 含 量 高 于Mulcoa SG60，P57 骨料的杂质含量高于 D59。1.2 试样制备 刚玉-莫来石浇注料配方，见表 2。先 将 各 原 料 加 入 搅 拌 机 中 干 混 1 min，之 后 加 入 4.3%水 湿 混 3 min。将 浆 料 浇 注 到40 mm 40 mm 160 mm 模具中并振动成型，室温养护 24 h 后脱模。将所有样品在 110 下干燥 24 h，在马弗炉中分别在 1 100、1 550 下热处理 3 h。浇注料以添加的 13 mm 骨料牌号命名，分别为 MS（MS60）、SG（Mulcoa SG60）、P57 和 D59。表2 刚玉-莫来石浇注料的配方（w/%）原料MSSGP57D59板状刚玉35 mm3030303001 mm20202020 0.074 mm15151515莫来石 MS6013 mm20000莫来石 Mulcoa SG6013 mm02000红柱石 P5713 mm00200红柱石 D5913 mm00020-Al2O3微粉P152SB6666氧化硅微粉SIF-A5555铝酸钙水泥Secar714444减水剂（外掺）STPP0.080.080.080.08SHMP0.060.060.060.061.3 性能检测 使用D4 Endeavor X射线衍射（XRD）仪，测试试样在 1 100 和 1 550 热处理后的物相组成，Cu K 射线（为 0.154 06 nm），扫描角度 2 范围为 10 90。采用捷克泰思肯 VEGA XMU 扫描电子显微镜（SEM）和英国牛津 7718 能谱仪观察试样的微观结构并测定微区成分。按照 GB/T 5988 检测热处理前后试样的线变化率。根据阿基米德原理测定 1 100 和 1 550 热处理后样品的体积密度和显气孔率。采用GB/T 3001-2007 和 GB/T 2072-2008 分别测试 1 100 和 1 550 热处理后试样的抗折强度和抗压强度。