近年来的高品位铝矾土资源已是非常稀少,低品位铝矾土的应用已是必然的选择。为提高资源利用率,充分利用低品位的铝矾土资源,就必须对低品位的铝矾土进行均化处理;经均化处理后的矾土称为均化铝矾土[1,2,3]。

致密均化铝矾土熟料是将矾土矿石经过破碎、细磨并调节好成分后加水混练均匀,挤压成球或成块,然后高温煅烧,制成成分稳定、结构均匀、致密度高、性能稳定的均质合成熟料[4]。

为充分利用致密均化铝矾土的性能,本研究首先对致密均化铝矾土的化学成分、体积密度、吸水率以及微观结构等进行研究;并以鱼雷车“三脱”工艺用铝碳化硅碳材料为应用背景,对分别以致密均化铝矾土、普通铝矾土和亚白刚玉为原料的铝碳化硅碳材料进行了常温强度、高温强度、体积密度以及耐“三脱”渣浸蚀等方面的研究。

1 实验

取均化后的致密铝矾土进行进行化学成分、体积密度、吸水率等方面的分析,并对其进行SEM、EDS分析。分别以致密均化铝矾土、普通烧结铝矾土和亚白刚玉(其化学成分见表1)为骨料,按照表2的配比进行混料、成型。将试样经200℃干燥24 h后进行显气孔率、体积密度、常温耐压强度和高温抗折强度等物化指标。高温抗折强度是在1400℃埋碳条件下保温30 min后进行测试的。  

表1 主要原料的化学组成

表2 实验配比

对3组试样进行回转渣侵蚀实验。回转渣浸实验用渣为铁水“三脱”工艺渣,其成分为:Fe3O4、CaO、CaF2、Na2CO3。将装配有试样的回转抗渣炉加热到1600℃后加入300 g“三脱”渣,每隔30 min更换一次新渣,一共加入新渣7次。试验结束后,将试样取下,量取试样在进行渣浸后的残余厚度,并根据原始厚度测算被熔渣蚀损的厚度。

2 结果与讨论

2.1 致密均化铝矾土的性能

致密均化铝矾土的化学成分见表3。从表中看出,该均化铝矾土与普通矾土的成分是一致的,也就是说,从化学成分上讲,该均化铝矾土并没有特殊之处。均化铝矾土的体积密度、吸水率等指标见表4。从表中看出,该铝矾土的体积密度达到3.31g/cm3,而正常的普通铝矾土的体积密度仅为3.0 g/cm3,说明该均化铝矾土的致密度是很高的,很密实的。同时发现,致密均化铝矾土的吸水率非常低,仅为0.5%,而正常的普通铝矾土的吸水率一般为2%~5%,由此也说明了均化处理后的铝矾土的致密度是很好的。  

表3 致密均化铝矾土的化学成分

2.2 致密均化铝矾土的显微结构

图1为致密均化铝矾土在低倍电镜下的气孔分布情况。由图中可以看出致密均化料结构致密,质地均匀;同时看出,矾土中的气孔率低且多为封闭气孔,由此也说明表4中的均化铝矾土的吸水率为0.5%是正确的、合理的。图2为致密均化铝矾土的断口形貌。X-衍射分析其矿物组成为约68%的刚玉,约32%的莫来石。从结晶学上看,莫来石是针状或柱状的结晶,而刚玉一般为棒状的结晶体,所以,结合图2可以看出,气孔率多分布于针状体的交叉处,也就是说,气孔多位于莫来石晶体的交叉聚集处,这是由于莫来石的结晶习性导致的。由于莫来石主要是从液相中析出的,而析出的莫来石晶体的体积密度要高于处于液相状态的混合物,所以,气孔出现在莫来石析晶的场所。从图2中还可以看出,刚玉颗粒周围大都是团簇状的莫来石晶体,由此,也说明了在矾土均化料的烧结冷却过程中,首先析出高熔点的刚玉相,然后从液相中析出莫来石晶体,由此,也导致了材料的微观结构的均匀性。

  表4 致密均化铝矾土的体积密度及气孔率

图1 致密均化铝矾土的气孔分布图

图2 致密均化铝矾土的断口形貌Fig.2

2.3 铝碳化硅碳砖的常温性能

对基于致密均化铝矾土、普通烧结铝矾土和亚白刚玉的3组铝碳化硅碳砖试样的常温性能进行检测,见图3。由图3可以看出,基于致密均化铝矾土的试样在气孔率、体积密度方面与刚玉试样接近,要远优于基于普通烧结铝矾土试样。主要原因是致密均化铝矾土与普通的烧结铝矾土相比,质地分布更加均匀,烧结性更为完好,具有较高的致密度和较低的气孔率。另外,由于致密均化铝矾土的开口气孔较少,多为封闭气孔,结构较为致密,所以,酚醛树脂结合剂对致密均化铝矾土的粘结力较小,常温耐压强度稍低些。

2.4 铝碳化硅碳砖的高温性能

对耐火材料来讲,原料的耐高温性能是非常关键的。基于致密均化铝矾土、普通烧结铝矾土和亚白刚玉的3组铝碳化硅碳砖试样的高温抗折强度见图4。从图4中看出,基于致密均化铝矾土的铝碳化硅碳砖的高温抗折强度要远远好于普通铝矾土的试样,而与基于亚白刚玉的试样的相当;也就是说,铝矾土经均化后的高温性能要比普通铝矾土大大提升了。这是由于矾土均化工艺是将天然矾土中原本较为集中的杂质分散开来,从而弱化了杂质的危害;同时细磨粉工艺也降低了粉体烧结时的活化能,促进了刚玉和莫来石晶相的结晶长大,使矾土中的刚玉相和针状的莫来石晶相直接接触,相互穿插,赋予了均化铝矾土非常出色的高温结构强度,所以,基于该均化铝矾土的试样的高温抗折强度要远远高于普通铝矾土的试样,而达到亚白刚玉体系材料的性能。

2.5 铝碳化硅碳砖的耐渣浸蚀性

3组试样进行动态回转抗渣实验后的结果见图5。试样原来的初始高度都为50mm,图中的阴影部分为经过渣浸实验后所蚀损掉的部分,白色部分为实验后的试样残厚。阴影部分的高度高则意味着材料不耐熔渣蚀损。由图5可以看出,尽管铝矾土中的氧化铝含量都为85%左右,但是,致密均化铝矾土的试样在抗渣侵蚀性能方面性能是极为优异的,与亚白刚玉(Al2O3,98.8%)试样很相近,差别不大,在耐浸蚀性方面要远远高于基于普通烧结铝矾土的试样。

图3 3组试样气孔率、体积密度、耐压强度的对比

图4 3组试样的高温抗折强度对比Fig.4

“三脱”熔渣中主要含有Fe3O4、CaO及Na2CO3等,而这些组分对耐火材料的浸蚀性是很强的。Fe3O4和Na2CO3对铝碳化硅碳材料的蚀损作用主要是氧化作用,即可以同砖中的SiC和C等组分反应,使其生成SiO2和CO(g),从而劣化材料的结构,质地疏松,破坏材料的整体性能。熔渣则很容易渗入试样中,而渗入的熔渣与试样中的Al2O3、SiO2等继续发生反应,形成低熔相,导致试样的侵蚀[5,6,7]。

相比致密的均化铝矾土,普通铝矾土虽然Al2O3含量相近,但是,由于材料的气孔率较高,且多为开口气孔,较稀的熔渣可以沿着开口气孔渗入到铝矾土颗粒内部;渗入到内部的熔渣通过与Al2O3、SiO2等的反应生成低熔点液相,溶蚀、分解矾土颗粒。而致密的均化铝矾土的气孔多为封闭型,且拥有刚玉与莫来石相互交叉的网状结构,结构致密,所以熔渣渗入矾土内部的通道少,对材料的溶蚀或分解作用较弱,所以,矾土经均化后较普通矾土的性能大大提升,并达到了亚白刚玉级试样的性能。

图5 3组试样的渣侵蚀效果图Fig.5 

3 结论

1)经均化后的铝矾土的结构致密、成分均匀,具有较高的体积密度和较低的气孔率,且气孔多为封闭气孔。2)基于致密均化铝矾土的试样具有很好的常温性能指标,在气孔率、体积密度以及常温耐压强度方面都优于普通矾土的试样,与亚白刚玉试样相当。3)以致密均化铝矾土为原料的试样在高温抗折强度和耐熔渣浸蚀性方面远优于以普通矾土为原料的试样,与基于亚白刚玉的试样相当。