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刚玉-莫来石复相高温隔热耐火材料的制备与性能
刚玉-莫来石复相高温隔热耐火材料的制备与性能
工业窑炉是高能耗行业生产中的主要耗能设备, 每年消耗巨大的能源。尤其在冶金、建材、陶瓷、玻璃、化工及机电企业的热加工工程中, 工业窑炉的能耗可占总能耗的40%~70%。然而各种工业窑炉的热损失一般都很大, 在大多数情况下, 其能源利用率不到30%。因此, 保温性能优异的耐火材料亟需被开发。
目前, 国内高温行业的绝大部分企业在砌筑窑炉时使用的仍为传统的隔热耐火砖及耐火纤维。国产隔热耐火砖在比重、热导率、最高使用温度等方面与国外的轻质绝热材料产品相比存在巨大差距;而耐火纤维成本高, 且易粉化, 使用寿命短。 在本文中, 以白刚玉、γ-氧化铝微粉和硅微粉为主要原料, 苏州土为结合剂, 外加入有机-无机复合造孔剂, 采用挤压法制备莫来石高温隔热耐火砖。本文采用的造孔剂为有机-无机复合造孔剂, 该造孔剂有如下优点: (1) 利用有机造孔剂燃尽后产生较大的气孔; (2) 无机造孔剂在烧成过程中发生化学反应, 生成微米及亚微米级的细小气孔。由于无机造孔剂均为颗粒细小的粉体, 可以大量添加, 克服单一有机造孔剂无法大量使用的限制。因而使用含有无机造孔剂可以填充有机造孔剂间隙, 在大气孔周围形成大量的小气孔, 优化绝热材料的微观结构, 并进一步降低其体积密度。 将白刚玉 (3~1mm、3~1mm、0.074mm和0.045mm) 、α氧化铝微粉、苏州土和硅微粉混合均匀, 再加入有机-无机复合造孔剂, 继续混合均匀后, 困料24h, 挤压成块状烘干, 分别置于1 500℃、1550℃、1 600℃保温3h烧成。苏州土化学成分和试样原料配比见表1、2所示。
有机-无机复合造孔剂在混合料中的分布情况决定了所制备出的轻质绝热材料中气孔的分布均匀程度。造孔剂分散不匀, 易造成如下两种情况, 如图1 (a) 、 (b) 所示: (a)造孔剂团聚, 烧后试样中存在大量彼此连通的大气孔, 在表面附近的大气孔更会形成大尺寸的开口气孔, 这些大气孔不仅影响试样的热导率和强度, 而且还会成为侵蚀介质 (如钢渣、水泥液相、玻璃窑碱尘K2O、Na2O熔体等) 进入试样内部的通道, 降低试样的抗侵蚀性能。(b) 造孔剂虽不团聚,但是分布不均匀, 导致烧后试样中的气孔分布不均匀, 即有的区域气孔密度很高, 而有的区域气孔密度过低, 使得热量传递不均匀, 严重影响试样的热导率和热震稳定性。分散均匀的造孔剂形成分散均匀的气孔, 如图1 (c) 所示, 具有该种结构的试样其性能最为优异和稳定。因此, 对于隔热材料而言, 要尽量保证气孔在其中分布均匀。
为保证造孔剂在试样中分散均匀, 本实验采取了特殊的造孔剂固态分散技术。在将有机-无机复合造孔剂与其它原料混合前, 先采用固态分散剂对复合造孔剂进行表面处理, 使其彼此分离。造孔剂中的有机造孔剂多是不良导体, 因而很容易产生静电, 彼此吸附产生团聚。而加入细粉状的固态分散剂后, 有机造孔剂表面会吸附上分散剂, 从而彼此分开 (见图2所示) 。
经过处理的复合造孔剂再与其它原、辅料进行均匀混合。在烧成过程中, 固态分散剂会与其它原料反应, 并结晶化, 对材料的使用性能无不良影响。 按照GB/T 2997-2000测定试样的体积密度;按照GB/T 5072-2008测定试样的常温耐压强度;按照YB/T 4130-2005测定试样的热导率;利用旋转X射线衍射仪(荷兰Philip公司, X'Pert Pro) 分析试样的物相组成;采用SEM (XL30TPM, Philips) 和EDS (QUANTAX200-30, BRUKER) 观察分析试样的显微结构和组成。 所制备的刚玉-莫来石复相高温隔热耐火材料的物理性能如表3所示。 烧后试样的孔径分布如图3所示。从图中可以看出, 试样孔径较小, 且呈现比较明显的双峰分布, 主要集中在3.5μm和11μm。分布均匀且尺寸小的孔径能明显提高试样的强度, 并降低其热导率。
烧后试样的物相分析如图4所示, Al2O3和莫来石是其主要物相。Al2O3的熔点高达2 050℃, 其存在能使所制备的高温隔热耐火砖具有很好的高温性能与力学性能。
烧后试样的显微结构如图5所示, a、b、c、d分别为放大至100、3 000、5 000以及10 000倍时的图片。从图中可明显看到有大量发育为柱状的莫来石晶体, 还有呈板片状的Al2O3, 莫来石晶粒以板片状的Al2O3为基底面生长, 且相连晶粒之间相互连接, 这种结合方式提高了试样的强度。柱状的莫来石晶粒穿插于试样中, 可以起到类似纤维增韧的作用。
图5 烧后试样显微结构
该刚玉-莫来石复相高温隔热耐火材料性能优异, 经由国内权威机构测得本项目产品主要技术指标与国外同类产品性能指标对比如表4所示。
由表4可见, 本产品的主要性能优异, 其指标均已达到或超过国际一流企业同类产品水平。目前, 德国贷达罗窑业公司、意大利娜塞提先锋陶瓷设备机械有限公司、萨米窑业公司、西蒂机器有限公司、日本东陶 (TOTO) 株式会社以及伊索莱特工业株式会社等国外知名企业均成为本企业产品的用户。国内的用户则包括了上海宝钢、武汉钢铁、太原钢铁、茂名石化、燕山石化、金山石化、齐鲁石化、苏州和成卫浴等国内500强企业及知名上市公司。
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