高性能電熔莫來(lái)石磚的研制

呂建新 史亮

（江蘇省宜興非金屬化工機(jī)械廠有限公司，宜興214221）

0 前言

本文研究了一種電熔莫來(lái)石磚的研制方法，特別是一種主要用于二氧化鈦氯化器中，該氯化器是由二氧化鈦礦石（銳鈦型）生產(chǎn)純二氧化鈦的高溫流化床型反應(yīng)堆專用磚，在該反應(yīng)堆中礦石被破碎與其它配料混和，加氯反應(yīng)生產(chǎn)氣相氯化物，然后分離純化。該流化床反應(yīng)堆溫度高達(dá)1 200℃，加上潮濕的鹽酸，環(huán)境非常惡劣。因此要求較高的抗壓、抗折強(qiáng)度，重?zé)€收縮1 600℃×5h為0，這樣才能保證流化床反應(yīng)堆在這種高溫、高腐蝕性的條件下運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間。目前，二氧化鈦流化床反應(yīng)堆氯化器專用磚主要由西德生產(chǎn)，市場(chǎng)價(jià)格昂貴，原磚 （80D）莫來(lái)石相僅為60%～70%（產(chǎn)品Al2O3含量 45.8%，SiO2含量50.5%），因此使用時(shí)不太理想，無(wú)法滿足客戶需求，因?yàn)榇u的抗壓強(qiáng)度低，將導(dǎo)致反應(yīng)堆在運(yùn)行時(shí)磚體開(kāi)裂、剝落等重?zé)€收縮無(wú)法保證為0時(shí)，在反應(yīng)堆高溫時(shí)磚體將產(chǎn)生膨脹或收縮，導(dǎo)致整個(gè)反應(yīng)堆開(kāi)裂、崩塌。隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)磚的性能提出了更高的要求。本文主要是在磚的耐酸性及耐高溫性方面克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種具有成本低、體積密度高、耐火度高、耐酸度強(qiáng)、重?zé)€收縮低、熱震穩(wěn)定性能優(yōu)異，尤其是常溫抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等優(yōu)于德國(guó)磚性能的耐酸、耐高溫磚。

研制的耐酸、耐高溫磚主要由莫來(lái)石相組成，含量大于80%（Al2O3含量64.5%，SiO2含量33.5%），并含少量的方石英相，具有較強(qiáng)的抗折、抗壓能力，重?zé)€收縮低的特點(diǎn)。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 原料

試驗(yàn)原料主要是由電熔莫來(lái)石、蘭晶石、粘土、改性添加劑組成，原料的理化性能見(jiàn)表1。

表1 原料的理化性能（%）

1.2 坯體配方組成見(jiàn)表2。

表2 坯體配方組成范圍(%)

1.3 工藝流程及工藝參數(shù)

（1）工藝流程圖：

（2）主要工藝參數(shù)：

磚坯水分3%~6%；干燥水分＜2%；體積密度＞2.8g/cm3；耐火度＞1 650℃；荷重軟化點(diǎn) （0.6%）＞1 450℃；抗壓強(qiáng)度＞85MPa；常溫抗折強(qiáng)度＞17.5MPa；重?zé)€收縮(1 600 ℃×5h)為0；氣孔率＜15%；耐酸度＞99；抗熱震性（1 100℃~室溫）＞20次；燒成溫度1 580～1 620℃。

1.4 性能測(cè)試

用絡(luò)合滴定法分析了原料的化學(xué)成分；用煮沸法測(cè)試了產(chǎn)品的體積密度；用強(qiáng)度儀測(cè)試了產(chǎn)品的抗壓強(qiáng)度；用加熱法測(cè)試了產(chǎn)品的重?zé)€收縮；用煮沸法測(cè)試了產(chǎn)品的氣孔率；另測(cè)試了產(chǎn)品的耐酸度、抗熱震性、常溫抗折強(qiáng)度、荷重軟化點(diǎn)。其性能檢測(cè)結(jié)果比照德國(guó)磚見(jiàn)表3。

1.5 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本產(chǎn)品要達(dá)到高強(qiáng)度、高體積密度、高耐酸度，采用高純電熔莫來(lái)石及合理的顆粒級(jí)配是關(guān)鍵。

本試驗(yàn)主要采用東北產(chǎn)高純電熔莫來(lái)石，其指標(biāo)見(jiàn)表4。（1）采用合理的電熔莫來(lái)石顆粒級(jí)配達(dá)到最致密化。

根據(jù)安德烈森（Andreasen）緊密堆積曲線，在連續(xù)的顆粒系列中最大顆粒半徑為Rmax，任意大小的顆粒半徑為R，則按下列方式：mR=（R÷Rmax）q，式中 q 為 1/2～1/3 時(shí)，該顆粒系中構(gòu)成緊密堆積，式中mR是R以下的含有量，其曲線圖見(jiàn)圖1：

表3 研制的莫來(lái)石磚與德國(guó)磚性能檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

表4 東北產(chǎn)高純電熔莫來(lái)石性能

圖1 安德烈森緊密堆積曲線

本試驗(yàn)采用粗、中、細(xì)三種顆粒級(jí)配，主要以粗顆粒構(gòu)成產(chǎn)品坯體的骨框架，中顆粒填充于粗顆粒間的空隙與大顆粒相切，細(xì)粉又填充于中顆粒和大顆粒構(gòu)成的空隙中達(dá)到最佳堆積密度。

根據(jù)安德烈森緊密堆積曲線，本試驗(yàn)設(shè)定最大顆粒平均粒徑為3 mm，最小顆粒為0.3 mm，中間顆粒為1 mm。對(duì)3個(gè)顆粒級(jí)配高純電熔莫來(lái)石采用干法攪料，外加劑5%、糊精5%，所利用10t壓機(jī)干法壓制成20mm×20mm×20 mm試塊在1 650℃×5h燒成，測(cè)試其體積密度及氣孔率見(jiàn)表5。

表5 不同配比的莫來(lái)石磚體積密度及氣孔率

以上實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：粗顆粒減少，體積密度下降，隨著細(xì)顆粒增加，氣孔率下降，如果以中間顆粒增加以替代粗顆粒，體積密度與氣孔率均達(dá)不到理想狀態(tài)，因此增加細(xì)顆粒比例、減少中間顆粒能增加產(chǎn)品的體積密度及降低氣孔率，同樣在保證有足夠的細(xì)顆粒情況下增加粗顆粒，也能提高產(chǎn)品的體積密度、降低氣孔率，但如果無(wú)中間顆粒將會(huì)產(chǎn)生產(chǎn)品龜裂及制作困難等弊病，因此需適量的中間顆粒。我們從2#、6#電鏡對(duì)比中會(huì)看到，2#比6#致密，氣孔少（見(jiàn)圖2）。

圖2 2#與6#電鏡測(cè)試圖

（2）重?zé)€收縮實(shí)驗(yàn)

本產(chǎn)品對(duì)重?zé)€收縮（1 600℃×5h）要求為0，為此通過(guò)加入合理比例的藍(lán)晶石來(lái)調(diào)整重?zé)€收縮。加入藍(lán)晶石主要是利用藍(lán)晶石受熱膨脹的顯著特點(diǎn)，作為高溫膨脹劑以抵消其他礦物原料在高溫下的體積收縮，添加適當(dāng)能保證產(chǎn)品在1 600℃×5h重?zé)€收縮為0。

本試驗(yàn)采用河南省銅柏山產(chǎn)藍(lán)晶石，藍(lán)晶石含量＞80%，化學(xué)組成見(jiàn)表6。

表6 河南省銅柏山產(chǎn)藍(lán)晶石化學(xué)組成（%）

該純單一組分用10t壓機(jī)制成20mm×20mm×100mm試塊進(jìn)行燒成試驗(yàn)，測(cè)得膨脹線率見(jiàn)表7。

表7 試塊膨脹線率(%)

本試驗(yàn)以2#配比為基本配方，以外加形式加入利用10t壓機(jī)制成20mm×20mm×100 mm試條，在1 650℃×5h燒結(jié)，再測(cè)試其1 650℃×5h重?zé)€收縮見(jiàn)表8。

表8 2#配比經(jīng)1 650℃×5h重?zé)€收縮(%)

表9 精確比例重?zé)€收縮結(jié)果（%）

2 結(jié)果與討論

（1）配方設(shè)計(jì)是本耐酸、耐高溫磚的關(guān)鍵，本耐酸、耐高溫磚莫來(lái)石含量大于80%（Al2O3含量64.5%，SiO2含量33.5%），本磚主要由莫來(lái)石相組成，含少量的方石英相，因此有較強(qiáng)的抗折、抗壓能力，采用藍(lán)晶石能降低產(chǎn)品的重?zé)€收縮率，原料的顆粒級(jí)配對(duì)產(chǎn)品的體積密度及氣孔率至關(guān)重要。

（2）經(jīng)過(guò)本磚與德國(guó)磚的性能檢測(cè)結(jié)果可以看出，本磚的體積密度增加1.4倍，耐火度增加3.1%，常溫抗壓強(qiáng)度增加11%，耐熱震性增加2.5倍。本莫來(lái)石磚的性能大大優(yōu)于德國(guó)產(chǎn)80D磚的性能。

3 結(jié)論

研發(fā)產(chǎn)品具有體積密度高、耐火度高、常溫耐壓和抗折強(qiáng)度高、重?zé)€變化率低、熱震穩(wěn)定性能優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)。電熔莫來(lái)石磚的制備方法具有工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

［1］素木洋一.硅酸鹽手冊(cè)［M］.北京：輕工業(yè)出版社.

［2］曲木蘭.耐火材料工藝學(xué)［M］.北京：江蘇出版社.

［3］欽征騎.新型陶瓷材料手冊(cè)［M］.北京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社.