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蓝晶石对矾土基低水泥耐火浇注料的性能影响

2017-09-26  来自: 南阳元昊矿产品公司 浏览次数:128

蓝晶石对矾土基低水泥耐火浇注料的性能影响

摘 要 本文简要介绍了蓝晶石的结构、性能及应用范围,并结合试验,研究了蓝晶石加入量对矾土基耐火浇注料的体积密度、显气孔率、抗折强度和线变化等性能的影响。 

关键词 蓝晶石,浇注料,力学性能,线变化 

1前 言 

蓝晶石的成分为Al2[SiO4]O,与红柱石、硅线石成同质多象。它主要形成于中级变质作用压力较高的条件下,主要产于区域变质结晶片岩中,其变质相由绿片岩相到角闪岩相[1],与石榴石、十字石、云母和石英共生。蓝晶石具有高温膨胀性、较高的耐火度,是用作不定形耐火材料的极好原料。目前国内已有蓝晶石矿20余处,在耐火材料行业发挥着不容忽视的作用。 

2蓝晶石的结构、性能及应用

2.1 蓝晶石的结构 

蓝晶石为岛状铝硅酸盐,属三斜晶系,沿C轴呈扁平长柱状,有时晶体的末端膨大呈帽状,晶面具有条纹。Winter、Ghose等对25℃、400℃、600℃时蓝晶石的晶体结构进行了研究,发现Al和Si分属八面体和四面体结构[2]。Al八面体边缘呈之字形且与C轴或[001]面平行,比起红柱石和硅线石,蓝晶石中的Al八面体结构排列更加有序。 

蓝晶石存在三种形态:(1)针状和纤维状集合体;(2)富含蓝晶石的假象蓝晶石集合体;(3)蓝晶石结合矿。 

2.2 蓝晶石的性能 

蓝晶石多为蓝色或蓝灰色、浅白色等,具有玻璃光泽。物理性质见表1。 

蓝晶石化学组成为标准莫来石相,结构稳定,一般粘土质耐火材料的耐火度为1670~1770℃,而含蓝晶石的耐火材料其耐火度通常大于1790℃,最高大于1850℃。蓝晶石矿物在加热过程中转化为针状网络的莫来石和SiO2的混合物,这是一个不可逆的转化,在这个转化过程中,矿物伴随着体积膨胀,并且形成良好的莫来石针状网络,体积膨胀率为16~18%。反应式如下: 

3(Al2SiO5)→Al6Si2O13+SiO2 

从图1可以看出,蓝晶石加热至1000℃无变化,在 1300℃以上逐渐转变。当温度在1100~1300℃时,试样体积膨胀不大,蓝晶石分解缓慢,莫来石化不完全,晶体微小。当温度达到1300~1450℃时,蓝晶石快速分解,莫来石化渐趋完全,体积膨胀很大,约在1450℃时,蓝晶石的膨胀曲线达到最大。当温度超过1450℃时,蓝晶石已完全分解,莫来石化完成,晶体开始发育,物料基本不再膨胀,甚至产生收缩。蓝晶石的膨胀性不仅与颗粒有关,同时也与纯度有关,纯度越高,膨胀也就越大,并随Al2O3含量增高,线膨胀增大。 

此外,蓝晶石还耐酸碱、耐腐蚀,抗冲击力强,热态强度高,电绝缘性能也较好。 

2.3 蓝晶石的主要用途 

由于蓝晶石具有以上优异的性能,被广泛应用于各个领域。 

(1) 利用蓝晶石高温一次永久性膨胀特性,直接加入不定形耐火材料(如浇注料、可塑料、胶泥)中作高温膨胀剂,从而提高制品的性能,消除材料在高温和冷却过程中产生的收缩裂纹、剥落以及影响使用寿命等弱点,从而延长炉衬寿命。 

(2) 用蓝晶石高铝矿物生产的铝酸盐纤维,可用于制作汽车、宇宙飞船和雷达的零部件。 

(3) 用蓝晶石煅烧形成的莫来石制作高级耐火材料,可用于高温炉并使其炉龄延长5~6年,节约能源。 

(4) 在高铝水泥中加入蓝晶石制成蓝晶石水泥,耐火温度高达l650℃,可应用于军工建筑。 

试验用主要原料为高铝矾土熟料(骨料:临界粒度为5mm;粉料:<0.088mm)、SiO2、微粉、Al2O3微粉、铝酸盐水泥(CA-70)和蓝晶石粉,其主要成分见表2。分散剂采用含三聚磷酸钠(STP)、高效减水剂(FDN)和木质素磺酸钙(木钙,相对分子量为2000~100000)的复合外加剂。 

试验所用骨料为高铝矾土熟料颗粒,粉料由矾土熟料细粉、SiO2微粉、α-Al2O3微粉、蓝晶石和水泥组成。骨料与粉料的质量比为70:30。复合外加剂和水采用外加方式。按照试验方案向料中加入不同量的微粉,在搅拌机内干混30s,并在30s内匀速加入一定量的水,搅拌2min。将拌好的浇注料装入40mm×40mm×160mm的试模,自然养护24h后脱模。试样在烘干(110℃,24h)和热处理后( 1100℃,3h、1450℃,3h),分别按国标测量试样的体积密度、显气孔率、冷态抗折强度和线变化。 

4结果与讨论 

可以看出,随着蓝晶石的加入,浇注料在各个温度的体积密度均有所增加,显气孔率大致都呈先增加后降低再增加的趋势,但变化幅度都不是很大,体积密度和显气孔率基本上不会由于蓝晶石的引入而有很大的改变。 

由图4可以看出,蓝晶石加入量对干燥后和1100℃热处理后试样的抗折强度影响不大,但经1450℃热处理后试样的抗折强度明显提高,加入2%的蓝晶石,其抗折强度可提高26.5%左右。这是因为低于1100℃时,蓝晶石分解反应还未发生,而经1450℃热处理后,网络状莫来石形成,加之原料中少量碱性物质引入而促进了液相烧结,使试样的抗折强度大大提高[3,4]。但由于蓝晶石的增加,其分解反应产生的膨胀也增加,会对试样的抗折强度产生不利影响,使强度的增加受到了限制,所以加入4%、6%的蓝晶石的抗折强度增加并不明显。 

从图5可以看出,1100℃时,蓝晶石的加入量基本不影响试样的线变化,但经1450℃热处理后,随着蓝晶石加入量的增加,试样的线变化逐渐由收缩变为膨胀。这是由于蓝晶石分解反应的发生导致产生了体积膨胀而造成的。 

蓝晶石作为耐火浇注料的膨胀剂,在补偿浇注料烧结时体积收缩的同时也改善了浇注料的其它性能。从上述试验结果可知:(1)蓝晶石的加入对浇注料的体积密度和显气孔率影响不大;(2)加入适量的蓝晶石可以明显改善浇注料的力学性能;(3)蓝晶石的加入可以提高浇注料的体积稳定性。 

南阳元昊矿产品有限公司是以矿山开采、选矿及深加工于一体的综合型企业,证照齐全,设备先进,科研人员多为从事南阳蓝晶石开采、开发20年之久的老工程师。

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