提高窯爐的工作效率和降低熱耗及減輕自身重量的重要措施之一就是采用輕質(zhì)耐火材料代替重質(zhì)耐火材料構(gòu)筑窯爐襯，要求隔熱耐火材料的使用溫度越來(lái)越高。而傳統(tǒng)的輕質(zhì)合成料存在雜質(zhì)高、氣孔大、隔熱效果欠佳、使用溫度低(<1200℃)的不足，人工合成原料如氧化鋁纖維，氧化鋁空心球等其使用溫度通常高于1500℃，主要使用如氧化鋁、氧化鋯這類(lèi)高純氧化物的電熔噴吹空心球作為骨料。這類(lèi)材料具有使用溫度高，隔熱性好等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格昂貴，強(qiáng)度低，很難廣泛使用。因而有必要開(kāi)發(fā)使用溫度在1200-1500℃、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)盡量低，氣孔率高且氣孔多為封閉球形，純度高，高溫下收縮小，強(qiáng)度高的高性能輕質(zhì)骨料。本文采用燒燼可燃物法并通過(guò)采取濕法工藝，控制可燃物粉體達(dá)到微米級(jí)，探討不同的煅燒制度對(duì)微孔莫來(lái)石合成料莫來(lái)石轉(zhuǎn)化率及部分性能的影響。

 

試驗(yàn)

 

1.原料

 

試驗(yàn)以工業(yè)氧化鋁、硅石粉為主要原料，外加無(wú)煙煤，以黃糊精為結(jié)合劑，另外加少量分散劑。試驗(yàn)基本配方如表1所示。其中工業(yè)氧化鋁的相組成為:70-80%為γ-Al2O3,5-10%為α-Al2O3，5-10%為三水鋁石。

 

 

2.試驗(yàn)過(guò)程

 

將原料放在共磨機(jī)中以料：球：水重量比1:1:1濕法共磨，轉(zhuǎn)速為300rpm。研磨時(shí)間為24小時(shí)，將共磨后的物料在直徑為30mm，高為50mm的圓柱形模具中成型。成型試樣在110℃干燥箱中烘干24小時(shí)，然后進(jìn)行熱處理。試樣在空氣中自然干燥48小時(shí)后脫模。把工業(yè)氧化鋁配好的混合料進(jìn)行了DSC-TG和大試樣熱重分析，以此判定無(wú)煙煤的燒失溫度和莫來(lái)石化的開(kāi)始溫度。為進(jìn)而制定合理的熱處理制度提供依據(jù)。比較了兩種煅燒制度對(duì)莫來(lái)石轉(zhuǎn)化率的影響：一為單調(diào)升溫，然后保溫;另一為在高低兩個(gè)溫度分段保溫。如表2、表3。按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)了燒后試樣的體積密度、顯氣孔率。

 

 

 

3.試驗(yàn)結(jié)果與討論

 

3.1 升溫方式的確定  

 

本工作是采用加入可燃物的方式來(lái)形成微孔的。所用的起始物料會(huì)在受熱過(guò)程中發(fā)生相變和固相反應(yīng)。為了探明可燃物燒失的溫度范圍和反應(yīng)生成莫來(lái)石的溫度范圍，為制定合適的鍛燒溫度和保溫時(shí)間提供依據(jù)，有必要探明坯料受熱后的熱行為，為此采用DSC-TG手段對(duì)坯料的熱行為進(jìn)行檢測(cè)。圖1為測(cè)定結(jié)果。

 

由圖1可見(jiàn)，在250℃左右DSC線上有一吸熱谷，系由工業(yè)氧化鋁中含有的氫氧化鋁分解所致，對(duì)應(yīng)的TG曲線上質(zhì)量也是有所減少的。在600℃左右出現(xiàn)大的放熱峰，系加入的可燃物劇烈燃燒所致，對(duì)應(yīng)的TG曲線上質(zhì)量迅速減少。1200℃以后有放熱峰出現(xiàn)，由于檢測(cè)的溫度有限，右半部未能顯現(xiàn)出來(lái)。這是莫來(lái)石化的開(kāi)始，同時(shí)通過(guò)X衍射分析證實(shí)了這個(gè)推斷，見(jiàn)表4。然而，對(duì)應(yīng)的TG曲線上有增重，其原因不明，或許為坯料中混入的機(jī)械鐵氧化增重所致。

 

 

由于DSC-TG分析的測(cè)量用料量大多≤100mg，并且要磨成細(xì)粉。這種實(shí)驗(yàn)方法很難代表混合料實(shí)際的情況，且缺乏均勻性和代表性，從動(dòng)力學(xué)上也不能反映澆注料加熱過(guò)程的實(shí)阮變化情況。目前對(duì)于尺寸和質(zhì)量大的試樣，只能通過(guò)試樣加熱前后質(zhì)量的變化來(lái)表征總的反應(yīng)情況。用整體的樣塊大試樣加熱更接近真實(shí)。大試樣熱重儀對(duì)烘干后的試樣進(jìn)行熱重分析，測(cè)定室溫至1400℃過(guò)程中重量的變化，結(jié)果如圖2(a)所示。由圖可知，在連續(xù)加熱不保溫的情況下，質(zhì)量一直到1100℃才保持穩(wěn)定。根據(jù)DSC-TG及大試樣熱重分析結(jié)果，混合料在1200℃以上均可生成莫來(lái)石，只是莫來(lái)石的生成速度和轉(zhuǎn)化率隨溫度不同而會(huì)有所差異。本工作的主要目的是合成具有微孔結(jié)構(gòu)的莫來(lái)石骨料，既要求合成料有一定的氣孔率，孔徑小、體密輕，又要求其強(qiáng)度高，即要有理想的莫來(lái)石轉(zhuǎn)化率，同時(shí)還要兼顧煅燒設(shè)備投資、生產(chǎn)成本等，因此摸索理想熱處理制度對(duì)本工作而言至關(guān)重要。

 

 

 

綜合以上各方面因素，本工作有針對(duì)性地對(duì)比了兩種熱處理制度的影響。一種為單調(diào)式升溫法，與傳統(tǒng)升溫方法相同，具體升溫方式如表5所示，在600℃保溫100min，充分燃盡燒失物。上限溫度為1350℃，分別保溫3h、6h和12h，以D1、D2、D3分別標(biāo)記。第二種為非單調(diào)式升溫法，與傳統(tǒng)升溫方法不同，采用的是先升后降再保溫的過(guò)程。此種非單調(diào)升溫法在理論上的考慮在于溫度是莫來(lái)石化的主要推動(dòng)力，通過(guò)提高上限燒成溫度使得莫來(lái)石轉(zhuǎn)化率有所提高。而同時(shí)需要考慮到高溫有利于莫來(lái)石晶體發(fā)育長(zhǎng)大，因?yàn)榫w長(zhǎng)大意味著部分微孔結(jié)構(gòu)的喪失以及材料脆性增加。故在達(dá)到設(shè)定的上限溫度并保溫少段時(shí)間后，再把溫度降下來(lái)，主要保溫時(shí)間在次低溫度下進(jìn)行并完成。本工作設(shè)定的非單調(diào)升溫方式如表6所示。在600℃保溫100min，充分燃盡燒失物。然后分別升至1400℃、1450℃的高溫，保溫10min或60min，緊接著將溫度降至1300℃，分別繼續(xù)保溫不同時(shí)間，依次標(biāo)記為F1~F5。

 

其中D1與F1，D3與F3，D2與F2、F4、F5分別具有相等的熱處理總時(shí)間。重點(diǎn)對(duì)比了以上各種熱處理制度下合成莫來(lái)石輕質(zhì)骨料的莫來(lái)石轉(zhuǎn)化率。

3.2 熱處理制度對(duì)合成料物理性能的影響  

 

兩系列不同熱處理制度下輕質(zhì)莫來(lái)石合成料的體積密度和顯氣孔率如表6所示。

 

從表5可看出，在一種單調(diào)式升溫方式下，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，合成輕質(zhì)莫來(lái)石骨料的體枳密度呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，顯氣孔率呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)，這與保溫過(guò)程中莫來(lái)石化程度相關(guān)。

 

在1350℃下，發(fā)生莫來(lái)石化，隨著時(shí)間的推移，莫來(lái)石轉(zhuǎn)化程度將達(dá)到一個(gè)上限值，在此之前，由于莫來(lái)石化伴隨的體積膨脹效應(yīng)使得合成料的體積密度下降，顯氣孔率上升;在達(dá)到上限莫來(lái)石化程度之后，燒結(jié)造成的收縮過(guò)程占據(jù)主導(dǎo)，合成料的體積密度又開(kāi)始上升。顯氣孔率有所下降。

 

而與單調(diào)升溫法不同，采用非單調(diào)升溫方式處理后的合成輕質(zhì)莫來(lái)石骨料的體積密度和顯氣孔率隨次高溫下保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而變化不明顯。這個(gè)結(jié)果從一定程度上一方面證明了溫度是莫來(lái)石化的主要推動(dòng)力;另一方面還說(shuō)明與致密莫來(lái)石骨料相比，輕質(zhì)微孔骨料的莫來(lái)石化程度和致密化對(duì)溫度的敏感性均較低，就此固相反應(yīng)而言，由于大量微孔的存在，使得微孔材料的固相傳質(zhì)機(jī)制受阻。

 

3.3 熱處理制度對(duì)合成料莫來(lái)石轉(zhuǎn)化率的影響  

 

不同熱處理制度下各輕質(zhì)莫來(lái)石合成料的物相組成如表6所示。物相采用X射線衍射的方法進(jìn)行分析，面于XRD只能進(jìn)行半定量測(cè)定，因此重點(diǎn)關(guān)注其中莫來(lái)石相的變化趨勢(shì)。

 

對(duì)比傳統(tǒng)采用的單調(diào)式升溫方式D1、D2和D3處理后的物相組成，可知隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，莫來(lái)石化率逐漸提高。其中D2和D3制度下的莫來(lái)石化率大致相當(dāng)，說(shuō)明當(dāng)溫度一定時(shí)，合成料的莫來(lái)石化率會(huì)隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而漸趨穩(wěn)定于某個(gè)范圍。這個(gè)現(xiàn)象與非單調(diào)升溫方式下F1、F2和F3的對(duì)比結(jié)果相一致，即F1下的轉(zhuǎn)化率較小，而F2、F3下的轉(zhuǎn)化率有所提高，但二者相當(dāng)。

 

在固定總熱處理時(shí)間下，對(duì)比單調(diào)式升溫法和非單調(diào)式升溫法對(duì)合成料莫來(lái)石轉(zhuǎn)化率的影響。D1和F1的總熱處理時(shí)間均為610min，D1下的莫來(lái)石轉(zhuǎn)化率明顯高于F1下的轉(zhuǎn)化率;D2與F2、D3與F3的總熱處理時(shí)間分別為790min和1150min，兩相對(duì)比亦為傳統(tǒng)單調(diào)升溫法熱處理后的莫來(lái)石轉(zhuǎn)化率較高。

 

考慮到F1、F2、F3在高溫下的保溫時(shí)間只有10min，為了進(jìn)一步加強(qiáng)這種非單調(diào)加熱制度的影響，在F4制度中1400℃下保溫時(shí)間延長(zhǎng)至60min，F(xiàn)5的高溫升至1450℃，保溫時(shí)間亦為60min。同時(shí)保證總熱處理時(shí)間與F2、D2相冋。通過(guò)對(duì)比可知，延長(zhǎng)短時(shí)高溫下的保溫時(shí)間可以有效提高合成料的莫來(lái)石化率(如F4);提高短時(shí)上限溫度值對(duì)莫來(lái)石轉(zhuǎn)化率的提果更為顯著，F(xiàn)5的莫來(lái)石轉(zhuǎn)化率與傳統(tǒng)的高溫+長(zhǎng)時(shí)保溫(D2)制度下的轉(zhuǎn)化率相當(dāng)。可以據(jù)此推知，若繼續(xù)提高短時(shí)上限溫度值，莫來(lái)石轉(zhuǎn)化率或可繼續(xù)提高，而低溫保溫的時(shí)間也可縮短。

 

由以上分析可以看出，非單調(diào)式升溫方法有可能在耗時(shí)更短、耗能更小的情況下達(dá)到更高的莫來(lái)石轉(zhuǎn)化率。而采用非單調(diào)升溫方式處理后的合成料在顯微結(jié)構(gòu)上及其他性能特點(diǎn)上有何獨(dú)特之處值得后續(xù)工作進(jìn)行深入研究。

 

值得一提的是，表中所列的無(wú)相并非一般意義上的玻玻璃相，而是Al2O3、SiO2已經(jīng)反應(yīng)但尚未明顯析晶的微細(xì)莫來(lái)石。

 

3.4 莫來(lái)石合成料的孔徑分布  

 

對(duì)1350℃下合成的莫來(lái)石輕質(zhì)骨料用壓汞儀測(cè)定孔徑分布狀況，結(jié)果如圖3所示。

 

合成料在1350℃×6h熱處理后，中位孔徑約為5.1μm。故本工作所制備的輕質(zhì)莫來(lái)石具有微孔結(jié)構(gòu)。

 

 

3.5 顯微分析  

 

圖4為1350℃×6h燒后的合成莫來(lái)石輕質(zhì)骨料的斷口和光片，在顯微電鏡下觀察合成料的組織結(jié)構(gòu)和莫來(lái)石的生成與析晶狀況。坯體料經(jīng)燒成后，中的Al2O3、SiO2沒(méi)有完全反應(yīng)。未反應(yīng)的工業(yè)氧化鋁轉(zhuǎn)化為高溫相α-Al2O3，而未反應(yīng)的硅石會(huì)在降溫過(guò)程中發(fā)生相變，使得硅石顆粒呈現(xiàn)菜花狀開(kāi)裂的現(xiàn)象，在玻璃相存在的地方，有針柱狀的莫來(lái)石生成，如圖4(a)所示。由于多孔材料的固相傳質(zhì)受限，所發(fā)生的固相反應(yīng)多為“原位”型反應(yīng)，即在Al2O3和SiO2接觸的地方原位生成莫來(lái)石新相，而在兩者不接觸的顆粒內(nèi)部區(qū)域，則各自保持原有狀態(tài)，如圖4(b)所示。可以推想，以本實(shí)驗(yàn)工藝合成輕質(zhì)多孔莫來(lái)石骨料的莫來(lái)石轉(zhuǎn)化率有一上限值，這個(gè)上限轉(zhuǎn)化量的大小與反應(yīng)物的特性以及分散均勻程度息息相關(guān)。本工作中Al2O3源和SiO2源的細(xì)度約為10-20μm，顯微均勻程度仍不理想，限制了莫來(lái)石轉(zhuǎn)化率的提高。如何提高坯料中Al2O3和SiO2成分間的分散均勻程度也是下一步工作中值得深入研究的。

 

 

4.結(jié)論

 

(1)坯體料中的燒失物在580℃左右劇烈燒失，坯體料自1200℃開(kāi)始發(fā)生莫來(lái)石化反應(yīng)。在1350℃×6h熱處理制度下，氣孔中位孔徑約為5.1μm，集中分布在3-7μm范圍，莫來(lái)石轉(zhuǎn)化率60%左右。

 

(2)溫度和時(shí)間是影響合成輕質(zhì)微孔莫來(lái)石骨料的主要外因，適當(dāng)提高溫度和延長(zhǎng)保溫時(shí)間可以獲得較高的莫來(lái)石轉(zhuǎn)化率，體積密度和顯氣孔率在所實(shí)驗(yàn)的各燒成制度下的差別不大。與一般的合成燒結(jié)莫來(lái)石不同，輕質(zhì)骨料由于固相傳質(zhì)有限導(dǎo)致其固相反應(yīng)及燒結(jié)對(duì)溫度和時(shí)間不敏感。

 

(3)溫度是莫來(lái)石化的主要推動(dòng)力，采用短時(shí)高溫+較低溫保溫的非單調(diào)式升溫方法有可能在耗時(shí)更短、耗能更少的情況下達(dá)到更高的莫來(lái)石轉(zhuǎn)化率，而對(duì)合成料的顯微結(jié)構(gòu)和其他性能也可能有獨(dú)特影響。