剛玉—莫來石復(fù)相高溫隔熱耐火材料的制備與性能

殷波 吳夢(mèng)飛 殷駿 張少偉 廖佳

摘 要 本研究以白剛玉、氧化鋁微粉以及二氧化硅微粉為主要原料，蘇州土為結(jié)合劑，采用有機(jī)-無機(jī)復(fù)合造孔劑，采用機(jī)壓法制備剛玉-莫來石復(fù)相高溫隔熱耐火材料。研究結(jié)果表明：所制備的剛玉-莫來石復(fù)相高溫隔熱耐火材料的性能優(yōu)異，孔徑分布范圍較小，強(qiáng)度高，熱導(dǎo)率低，高溫性能好，已被國(guó)內(nèi)外知名企業(yè)廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 有機(jī)-無機(jī)復(fù)合造孔劑；剛玉-莫來石復(fù)相；高溫隔熱耐火材料

0 前 言

工業(yè)窯爐是高能耗行業(yè)生產(chǎn)中的主要耗能設(shè)備，每年消耗巨大的能源。尤其在冶金、建材、陶瓷、玻璃、化工及機(jī)電企業(yè)的熱加工工程中，工業(yè)窯爐的能耗可占總能耗的40%～70%。然而各種工業(yè)窯爐的熱損失一般都很大，在大多數(shù)情況下，其能源利用率不到30%。因此，保溫性能優(yōu)異的耐火材料亟需被開發(fā)。

目前，國(guó)內(nèi)高溫行業(yè)的絕大部分企業(yè)在砌筑窯爐時(shí)使用的仍為傳統(tǒng)的隔熱耐火磚及耐火纖維。國(guó)產(chǎn)隔熱耐火磚在比重、熱導(dǎo)率、最高使用溫度等方面與國(guó)外的輕質(zhì)絕熱材料產(chǎn)品相比存在巨大差距；而耐火纖維成本高，且易粉化，使用壽命短。

在本文中，以白剛玉、γ-氧化鋁微粉和硅微粉為主要原料，蘇州土為結(jié)合劑，外加入有機(jī)-無機(jī)復(fù)合造孔劑，采用擠壓法制備莫來石高溫隔熱耐火磚。本文采用的造孔劑為有機(jī)-無機(jī)復(fù)合造孔劑，該造孔劑有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）利用有機(jī)造孔劑燃盡后產(chǎn)生較大的氣孔；（2）無機(jī)造孔劑在燒成過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成微米及亞微米級(jí)的細(xì)小氣孔。由于無機(jī)造孔劑均為顆粒細(xì)小的粉體，可以大量添加，克服單一有機(jī)造孔劑無法大量使用的限制。因而使用含有無機(jī)造孔劑可以填充有機(jī)造孔劑間隙，在大氣孔周圍形成大量的小氣孔，優(yōu)化絕熱材料的微觀結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步降低其體積密度。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

將白剛玉（3～1mm、3～1mm、0.074mm和0.045mm）、α氧化鋁微粉、蘇州土和硅微粉混合均勻，再加入有機(jī)-無機(jī)復(fù)合造孔劑，繼續(xù)混合均勻后，困料24h，擠壓成塊狀烘干，分別置于1 500℃、1 550℃、1 600℃保溫3h燒成。蘇州土化學(xué)成分和試樣原料配比見表1、2所示。

1.2 復(fù)合造孔劑優(yōu)勢(shì)

有機(jī)-無機(jī)復(fù)合造孔劑在混合料中的分布情況決定了所制備出的輕質(zhì)絕熱材料中氣孔的分布均勻程度。造孔劑分散不勻，易造成如下兩種情況，如圖1（a）、（b）所示：（a）造孔劑團(tuán)聚，燒后試樣中存在大量彼此連通的大氣孔，在表面附近的大氣孔更會(huì)形成大尺寸的開口氣孔，這些大氣孔不僅影響試樣的熱導(dǎo)率和強(qiáng)度，而且還會(huì)成為侵蝕介質(zhì)（如鋼渣、水泥液相、玻璃窯堿塵K2O、Na2O熔體等）進(jìn)入試樣內(nèi)部的通道，降低試樣的抗侵蝕性能。（b）造孔劑雖不團(tuán)聚，但是分布不均勻，導(dǎo)致燒后試樣中的氣孔分布不均勻，即有的區(qū)域氣孔密度很高，而有的區(qū)域氣孔密度過低，使得熱量傳遞不均勻，嚴(yán)重影響試樣的熱導(dǎo)率和熱震穩(wěn)定性。分散均勻的造孔劑形成分散均勻的氣孔，如圖1（c）所示，具有該種結(jié)構(gòu)的試樣其性能最為優(yōu)異和穩(wěn)定。因此，對(duì)于隔熱材料而言，要盡量保證氣孔在其中分布均勻。

為保證造孔劑在試樣中分散均勻，本實(shí)驗(yàn)采取了特殊的造孔劑固態(tài)分散技術(shù)。在將有機(jī)-無機(jī)復(fù)合造孔劑與其它原料混合前，先采用固態(tài)分散劑對(duì)復(fù)合造孔劑進(jìn)行表面處理，使其彼此分離。造孔劑中的有機(jī)造孔劑多是不良導(dǎo)體，因而很容易產(chǎn)生靜電，彼此吸附產(chǎn)生團(tuán)聚。而加入細(xì)粉狀的固態(tài)分散劑后，有機(jī)造孔劑表面會(huì)吸附上分散劑，從而彼此分開（見圖2所示）。

經(jīng)過處理的復(fù)合造孔劑再與其它原、輔料進(jìn)行均勻混合。在燒成過程中，固態(tài)分散劑會(huì)與其它原料反應(yīng)，并結(jié)晶化，對(duì)材料的使用性能無不良影響。

1.3 性能檢測(cè)

按照GB/T 2997-2000測(cè)定試樣的體積密度；按照GB/T 5072-2008測(cè)定試樣的常溫耐壓強(qiáng)度；按照YB/T 4130-2005測(cè)定試樣的熱導(dǎo)率；利用旋轉(zhuǎn)X射線衍射儀（荷蘭Philip公司，X'Pert Pro）分析試樣的物相組成；采用SEM（XL30TPM， Philips）和EDS（QUANTAX200-30， BRUKER）觀察分析試樣的顯微結(jié)構(gòu)和組成。

2 結(jié)果與討論

所制備的剛玉-莫來石復(fù)相高溫隔熱耐火材料的物理性能如表3所示。

燒后試樣的孔徑分布如圖3所示。從圖中可以看出，試樣孔徑較小，且呈現(xiàn)比較明顯的雙峰分布，主要集中在3.5μm和11μm。分布均勻且尺寸小的孔徑能明顯提高試樣的強(qiáng)度，并降低其熱導(dǎo)率。

燒后試樣的物相分析如圖4所示，Al2O3和莫來石是其主要物相。Al2O3的熔點(diǎn)高達(dá)2 050℃，其存在能使所制備的高溫隔熱耐火磚具有很好的高溫性能與力學(xué)性能。

燒后試樣的顯微結(jié)構(gòu)如圖5所示，a、b、c、d分別為放大至100、3 000、5 000以及10 000倍時(shí)的圖片。從圖中可明顯看到有大量發(fā)育為柱狀的莫來石晶體，還有呈板片狀的Al2O3，莫來石晶粒以板片狀的Al2O3為基底面生長(zhǎng)，且相連晶粒之間相互連接，這種結(jié)合方式提高了試樣的強(qiáng)度。柱狀的莫來石晶粒穿插于試樣中，可以起到類似纖維增韌的作用。

3 應(yīng)用與結(jié)論

該剛玉-莫來石復(fù)相高溫隔熱耐火材料性能優(yōu)異，經(jīng)由國(guó)內(nèi)權(quán)威機(jī)構(gòu)測(cè)得本項(xiàng)目產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)與國(guó)外同類產(chǎn)品性能指標(biāo)對(duì)比如表4所示。

由表4可見，本產(chǎn)品的主要性能優(yōu)異，其指標(biāo)均已達(dá)到或超過國(guó)際一流企業(yè)同類產(chǎn)品水平。目前，德國(guó)貸達(dá)羅窯業(yè)公司、意大利娜塞提先鋒陶瓷設(shè)備機(jī)械有限公司、薩米窯業(yè)公司、西蒂機(jī)器有限公司、日本東陶（TOTO）株式會(huì)社以及伊索萊特工業(yè)株式會(huì)社等國(guó)外知名企業(yè)均成為本企業(yè)產(chǎn)品的用戶。國(guó)內(nèi)的用戶則包括了上海寶鋼、武漢鋼鐵、太原鋼鐵、茂名石化、燕山石化、金山石化、齊魯石化、蘇州和成衛(wèi)浴等國(guó)內(nèi)500強(qiáng)企業(yè)及知名上市公司。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李楠，顧華志，趙惠忠編著.耐火材料工藝學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010

[2]徐惠忠，周明.絕熱耐火材料生產(chǎn)及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2001

[3]楊重愚.氧化鋁生產(chǎn)工藝學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社. 1993

[4]Michel K，Cinibulk. Hexaluminates as a cleavable fiber-matrix inter-phase： synthesis， texture development，and phase compatibility. Journal of the European Ceramic Society，2000，20（5）：569-582