張　欣，李沅錚，周劍林

(湖南科技大學(xué)煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭　411201)

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工藝參數(shù)對(duì)鎂鋁尖晶石保溫材料物相與性能的影響

張欣，李沅錚，周劍林

(湖南科技大學(xué)煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭411201)

以α-Al2O3微粉、電熔鎂砂和ρ-Al2O3為原料，采用泡沫膠凝法制備了體積密度0.9～1.1 g/cm3鎂鋁尖晶石保溫材料，考察了ρ-Al2O3、電熔鎂砂加入量、燒成溫度和保溫時(shí)間對(duì)鎂鋁尖晶石保溫材料物相與性能的影響。研究結(jié)果表明，隨著ρ-Al2O3加入量增加試樣常溫耐壓強(qiáng)度與燒成線變化率增大，物相組成均為“剛玉+鎂鋁尖晶石”；增加MgO加入量試樣先收縮后膨脹，加入量為20wt%時(shí)常溫耐壓強(qiáng)度達(dá)最大值，物相組成由“剛玉+鎂鋁尖晶石”變?yōu)椤版V鋁尖晶石”再變?yōu)椤版V鋁尖晶石+方鎂石”；提高燒成溫度能明顯促進(jìn)試樣燒結(jié)，延長(zhǎng)保溫時(shí)間可提高試樣常溫耐壓強(qiáng)度。

鎂鋁尖晶石耐火材料； 保溫材料； 泡沫膠凝法； ρ-Al2O3； XRD

1　引　言

輕質(zhì)多孔的鎂鋁尖晶石保溫材料具有氣孔率高、體積密度低、熱導(dǎo)率低等特點(diǎn)，用于高溫窯爐保溫，可顯著節(jié)約能源，提高能源利用效率[1]。鎂鋁尖晶石質(zhì)保溫材料的制備方法很多[2-6]。孫麗楓等[7]通過(guò)加入木屑和聚氨酯小球等造孔劑制備了氣孔率68%～75%鎂鋁尖晶石保溫材料。李曉星等[8,9]以氧化鋁微粉、電熔鎂砂為原料，外加6wt%的淀粉泡沫膠凝法制備了體積密度0.9～1.1 g/cm3、耐壓強(qiáng)度2～12 MPa的剛玉尖晶石保溫材料，研究了燒成溫度、泡沫加入量、電熔鎂砂含量及粒度以及工業(yè)氧化鋁取代量對(duì)剛玉尖晶石輕質(zhì)隔熱材料的物理性能和顯微結(jié)構(gòu)的影響。

本文以α-Al2O3微粉、電熔鎂砂和ρ-Al2O3為原料泡沫膠凝法制備體積密度0.9～1.1 g/cm3鎂鋁尖晶石保溫材料，考察ρ-Al2O3與電熔鎂砂加入量和燒成溫度與保溫時(shí)間對(duì)鎂鋁尖晶石保溫材料物相與性能的影響。

2　試　驗(yàn)

2.1試驗(yàn)原料及試樣制備

α-Al2O3微粉：青島安邁鋁業(yè)產(chǎn)CT-9-FG；電熔鎂砂：MgO≥ 97%，粒度200目；ρ-Al2O3：鄭州鋁業(yè)產(chǎn)ZF-1。

試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)方案

按表1配比，球磨機(jī)中以剛玉球?yàn)檠心ソ橘|(zhì)、球料比1∶1球磨30 min制得原料粉體；加水?dāng)嚢璧迷蠞{體；以甙類天然植物為發(fā)泡劑通過(guò)機(jī)械高速攪拌發(fā)泡制得泡沫[8]，加入適量泡沫，攪拌均勻得泡沫漿體；注模(70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm)成型，經(jīng)養(yǎng)護(hù)、干燥，置于高溫電爐中不同溫度與保溫時(shí)間燒成制備體積密度0.9～1.1 g/cm3鎂鋁尖晶石保溫材料。

2.2性能檢測(cè)

測(cè)定試樣燒成線變化率、常溫耐壓強(qiáng)度和1550 ℃×3 h重?zé)€變化。采用D 8-Advance X-射線粉末衍射儀進(jìn)行XRD分析，采用JSM-6380LV掃描電子顯微鏡進(jìn)行SEM觀察。

3　結(jié)果與討論

ρ-Al2O3是Al(OH)3在真空、快速脫水情況下形成的一種幾乎呈無(wú)定形態(tài)的氧化鋁，X射線衍射峰彌散，見(jiàn)圖1[9]。

圖1　ρ-Al2O3的XRD圖譜Fig.1　XRD pattern of ρ-Al2O3

ρ-Al2O3活性高，能與水發(fā)生水化反應(yīng)生成具有較高強(qiáng)度的氫氧化鋁凝膠(Al(OH)3+AlOOH)[10-12]，使得泡沫漿體固化并賦予多孔坯體一定的機(jī)械強(qiáng)度。

3.1ρ-Al2O3加入量對(duì)鎂鋁尖晶石保溫材料性能的影響

固定電熔鎂砂加入量20wt%，研究ρ-Al2O3加入量對(duì)鎂鋁尖晶石保溫材料耐壓強(qiáng)度與線變化率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖可知，隨著ρ-Al2O3加入量增加試樣常溫耐壓強(qiáng)度與燒成線變化率增大。

ρ-Al2O3水化產(chǎn)物在燒成過(guò)程中脫水生成系列低溫型活性氧化鋁[13]?；钚匝趸X一方面與電熔鎂砂中的氧化鎂反應(yīng)生成鎂鋁尖晶石：

另一方面，低溫型氧化鋁將轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷匦挺?Al2O3，并發(fā)生燒結(jié)。鎂鋁尖晶石生成反應(yīng)呈膨脹性，活性Al2O3燒結(jié)收縮。鎂鋁尖晶石生成反應(yīng)引起的膨脹不足以抵消活性Al2O3燒結(jié)收縮，因此除ρ-Al2O3加入量10wt%外其余試樣均表現(xiàn)為負(fù)的燒成線變化率，而且ρ-Al2O3加入量越多燒成線變化率負(fù)得越大，但試樣的耐壓強(qiáng)度隨ρ-Al2O3加入量增加而增大。

試樣經(jīng)1550 ℃×3 h燒成后，重?zé)€變化率均僅約0.2%，說(shuō)明該燒成參數(shù)下試樣的燒成反應(yīng)進(jìn)行得較為完全了。

圖2　ρ-Al2O3加入量對(duì)鎂鋁尖晶石保溫材料性能的影響Fig.2　Effect of amount of ρ-Al2O3 on properties of MA spinel insulation material

3.2電熔鎂砂加入量對(duì)鎂鋁尖晶石保溫材料性能的影響

固定ρ-Al2O3加入量15wt%，研究電熔鎂砂加入量對(duì)鎂鋁尖晶石保溫材料耐壓強(qiáng)度與線變化率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

MgO可與Al2O3形成置換型固溶體，造成許多晶體缺陷促進(jìn)燒結(jié)，故電熔鎂砂加入量增加試樣常溫耐壓強(qiáng)度增大。但當(dāng)電熔鎂砂加入量大于20wt%時(shí)生成大量尖晶石產(chǎn)生顯著膨脹使試樣結(jié)構(gòu)變得疏松，因而常溫耐壓強(qiáng)度降低。

圖3　電熔鎂砂加入量對(duì)鎂鋁尖晶石保溫材料性能的影響Fig.3　Effect of amount of fused magnesia on properties of MA spinel insulation material

3.3燒成溫度與保溫時(shí)間對(duì)鎂鋁尖晶石保溫材料性能的影響

圖4是燒成溫度與保溫時(shí)間對(duì)尖晶石保溫材料耐壓強(qiáng)度與線變化率的影響，從圖4(a)可知，提高燒成溫度(保溫時(shí)間6 h)常溫耐壓強(qiáng)度增大，燒成線變化率由正變負(fù)。從圖4(b)可知，延長(zhǎng)保溫時(shí)間(燒成溫度1550 ℃)對(duì)試樣燒成線變化率基本沒(méi)有影響，但保溫3 h的試樣常溫耐壓強(qiáng)度低于保溫6 h、9 h。由此，延長(zhǎng)保溫時(shí)間提高試樣常溫耐壓強(qiáng)度。

圖4　燒成溫度與保溫時(shí)間對(duì)鎂鋁尖晶石保溫材料性能的影響Fig.4　Effect of sintering temperature and holding time on properties of MA spinel insulation material

圖5、圖6是燒后試樣SEM照片。從圖5可看到，燒成溫度提高，晶粒明顯變得粗大，結(jié)晶更加完整。從圖6可看到，延長(zhǎng)保溫時(shí)間，晶粒形貌與大小、晶粒結(jié)晶狀態(tài)相差不大。

圖5　不同燒結(jié)溫度試樣SEM照片F(xiàn)ig.5　SEM images of samples sintered at different temperatures

圖6　1550 ℃保溫3 h、6 h、9 h試樣SEM照片F(xiàn)ig.6　SEM images of samples sintered at 1550℃ holding for 3 h、6 h、9 h

3.4 鎂鋁尖晶石保溫材料的物相組成

圖7示出了不同ρ-Al2O3加入量試樣燒后XRD圖譜。由圖可知，各試樣中都存在剛玉相和鎂鋁尖晶石相，這是因?yàn)榉芥V石在高溫下與Al2O3反應(yīng)生成了鎂鋁尖晶石相。由MgO-Al2O3相圖可知，MgO為20wt%時(shí)，試樣處在Al2MgO4富鋁固溶區(qū)，MgO全部與Al2O3反應(yīng)，剩余的Al2O3除少量與Al2MgO4發(fā)生固溶外，大部分以剛玉相獨(dú)立存在。因此，改變?chǔ)?Al2O3加入量不會(huì)引起試樣物相組成的變化。

圖8示出了不同電熔鎂砂加入量試樣燒后XRD圖譜。由圖可知，電熔鎂砂加入量小于20wt%時(shí)，MgO全部參與尖晶石反應(yīng)而沒(méi)有剩余，而Al2O3除了少量與Al2MgO4發(fā)生固溶，大部分以剛玉相獨(dú)立存在，因此試樣中只有剛玉相和鎂鋁尖晶石相。當(dāng)電熔鎂砂加入量為25wt%左右，MgO亦完全參與反應(yīng)而沒(méi)有剩余，但剩余的Al2O3也非常少，幾乎全部被固溶到Al2MgO4中，因此試樣中只有鎂鋁尖晶石相。當(dāng)電熔鎂砂加入量為30wt%時(shí)，原料組成移到Al2MgO4富鎂固溶區(qū)，此時(shí)Al2O3全部參與尖晶石反應(yīng)而出現(xiàn)MgO富余，因此試樣中除了鎂鋁尖晶石相外還存在方鎂石相。

圖7　不同ρ-Al2O3加入量的XRD圖譜Fig.7　XRD patterns of samples with different amounts of ρ-Al2O3

圖8　不同電熔鎂砂加入量的XRD圖譜Fig.8　XRD patterns of samples with different amounts of fused magnesia

4　結(jié)　論

隨著ρ-Al2O3加入量增加試樣常溫耐壓強(qiáng)度與燒成線變化率增大，物相組成均為“剛玉+鎂鋁尖晶石”；增加MgO加入量常溫耐壓強(qiáng)度先增后降，加入量為20wt%時(shí)達(dá)最大值，線變化率由收縮逐漸變?yōu)榕蛎洠锵嘟M成由“剛玉+鎂鋁尖晶石”變?yōu)椤版V鋁尖晶石”再變?yōu)椤版V鋁尖晶石+方鎂石”；提高燒成溫度常溫耐壓強(qiáng)度增大，燒成線變化率由正變負(fù)，延長(zhǎng)保溫時(shí)間對(duì)燒成線變化率基本沒(méi)有影響，但可提高常溫耐壓強(qiáng)度。

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Influence of Process Parameters on Phase and Properties of MA Spinel Heat Insulating Material

ZHANGXin,LIYuan-zheng,ZHOUJian-lin

(Hunan Province Key Laboratory of Coal Resource Clean Utilization and Mine Environment Protection,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China)

The magnesium aluminium spinel heat insulating materials of 0.9-1.0 g/cm3bulk density was prepared by using α-Al2O3fine powder, fused magnesia and ρ-Al2O3as raw materials though foam gelation method. The effect of amounts of ρ-Al2O3and fused magnesia, sintering temperature and holding time on phase and properties of the heat insulating material was investigated. It has been showed that the cold crushing strength and the firing line change rate increased with the increase of amount of ρ-Al2O3, and all samples have the same phase composition of "corundum+spinel". With the increase of amount of fused magnesia, the firing line change rate gradually changed from shrinkage to expansion，the cold crushing strength attained its maximum at 20wt%fused magnesia, phase composition changed from "corundum+spinel" to "spinel" and then to "spinel+periclase". Higher sintering temperature can obviously promote sintering and the cold crushing strength can be enhanced when prolonging holding time.

magnesium aluminium spinel;heat insulating material;foamgelation method;ρ-Al2O3;XRD

湖南省教育廳一般項(xiàng)目(14C0457);煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(E21506)

張欣(1965-)，男，高級(jí)工程師.主要從事耐火材料與保溫材料研究工作.

TU526

A

1001-1625(2016)06-1902-05