藍(lán)晶石對(duì)礬土基低水泥耐火澆注料的性能影響

摘 要 本文簡要介紹了藍(lán)晶石的結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用范圍，并結(jié)合試驗(yàn)，研究了藍(lán)晶石加入量對(duì)礬土基耐火澆注料的體積密度、顯氣孔率、抗折強(qiáng)度和線變化等性能的影響。

關(guān)鍵詞 藍(lán)晶石，澆注料，力學(xué)性能，線變化

1前 言

藍(lán)晶石的成分為Al2[SiO4]O，與紅柱石、硅線石成同質(zhì)多象。它主要形成于中級(jí)變質(zhì)作用壓力較高的條件下，主要產(chǎn)于區(qū)域變質(zhì)結(jié)晶片巖中，其變質(zhì)相由綠片巖相到角閃巖相[1]，與石榴石、十字石、云母和石英共生。藍(lán)晶石具有高溫膨脹性、較高的耐火度，是用作不定形耐火材料的極好原料。目前國內(nèi)已有藍(lán)晶石礦20余處，在耐火材料行業(yè)發(fā)揮著不容忽視的作用。

2藍(lán)晶石的結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用

2.1 藍(lán)晶石的結(jié)構(gòu)

藍(lán)晶石為島狀鋁硅酸鹽，屬三斜晶系，沿C軸呈扁平長柱狀，有時(shí)晶體的末端膨大呈帽狀，晶面具有條紋。Winter、Ghose等對(duì)25℃、400℃、600℃時(shí)藍(lán)晶石的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)Al和Si分屬八面體和四面體結(jié)構(gòu)[2]。Al八面體邊緣呈之字形且與C軸或[001]面平行，比起紅柱石和硅線石，藍(lán)晶石中的Al八面體結(jié)構(gòu)排列更加有序。

藍(lán)晶石存在三種形態(tài)：(1)針狀和纖維狀集合體；(2)富含藍(lán)晶石的假象藍(lán)晶石集合體；(3)藍(lán)晶石結(jié)合礦。

2.2 藍(lán)晶石的性能

藍(lán)晶石多為藍(lán)色或藍(lán)灰色、淺白色等，具有玻璃光澤。物理性質(zhì)見表1。

藍(lán)晶石化學(xué)組成為標(biāo)準(zhǔn)莫來石相，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，一般粘土質(zhì)耐火材料的耐火度為1670～1770℃，而含藍(lán)晶石的耐火材料其耐火度通常大于1790℃，最高大于1850℃。藍(lán)晶石礦物在加熱過程中轉(zhuǎn)化為針狀網(wǎng)絡(luò)的莫來石和SiO₂的混合物，這是一個(gè)不可逆的轉(zhuǎn)化，在這個(gè)轉(zhuǎn)化過程中，礦物伴隨著體積膨脹，并且形成良好的莫來石針狀網(wǎng)絡(luò)，體積膨脹率為16～18%。反應(yīng)式如下：

3(Al2SiO5)→Al6Si2O13+SiO₂

從圖1可以看出，藍(lán)晶石加熱至1000℃無變化，在 1300℃以上逐漸轉(zhuǎn)變。當(dāng)溫度在1100～1300℃時(shí)，試樣體積膨脹不大，藍(lán)晶石分解緩慢，莫來石化不完全，晶體微小。當(dāng)溫度達(dá)到1300～1450℃時(shí)，藍(lán)晶石快速分解，莫來石化漸趨完全，體積膨脹很大，約在1450℃時(shí)，藍(lán)晶石的膨脹曲線達(dá)到最大。當(dāng)溫度超過1450℃時(shí)，藍(lán)晶石已完全分解，莫來石化完成，晶體開始發(fā)育，物料基本不再膨脹，甚至產(chǎn)生收縮。藍(lán)晶石的膨脹性不僅與顆粒有關(guān)，同時(shí)也與純度有關(guān)，純度越高，膨脹也就越大，并隨Al2O3含量增高，線膨脹增大。

此外，藍(lán)晶石還耐酸堿、耐腐蝕，抗沖擊力強(qiáng)，熱態(tài)強(qiáng)度高，電絕緣性能也較好。

2.3 藍(lán)晶石的主要用途

由于藍(lán)晶石具有以上優(yōu)異的性能，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

(1) 利用藍(lán)晶石高溫一次永久性膨脹特性，直接加入不定形耐火材料(如澆注料、可塑料、膠泥)中作高溫膨脹劑，從而提高制品的性能，消除材料在高溫和冷卻過程中產(chǎn)生的收縮裂紋、剝落以及影響使用壽命等弱點(diǎn)，從而延長爐襯壽命。

(2) 用藍(lán)晶石高鋁礦物生產(chǎn)的鋁酸鹽纖維，可用于制作汽車、宇宙飛船和雷達(dá)的零部件。

(3) 用藍(lán)晶石煅燒形成的莫來石制作高級(jí)耐火材料，可用于高溫爐并使其爐齡延長5～6年，節(jié)約能源。

(4) 在高鋁水泥中加入藍(lán)晶石制成藍(lán)晶石水泥，耐火溫度高達(dá)l650℃，可應(yīng)用于軍工建筑。

3試 驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)用主要原料為高鋁礬土熟料（骨料：臨界粒度為5mm；粉料：＜0.088mm）、SiO₂、微粉、Al2O3微粉、鋁酸鹽水泥（CA-70）和藍(lán)晶石粉，其主要成分見表2。分散劑采用含三聚磷酸鈉（STP）、高效減水劑（FDN）和木質(zhì)素磺酸鈣（木鈣，相對(duì)分子量為2000～100000）的復(fù)合外加劑。

3.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)所用骨料為高鋁礬土熟料顆粒，粉料由礬土熟料細(xì)粉、SiO₂微粉、α-Al2O3微粉、藍(lán)晶石和水泥組成。骨料與粉料的質(zhì)量比為70：30。復(fù)合外加劑和水采用外加方式。按照試驗(yàn)方案向料中加入不同量的微粉，在攪拌機(jī)內(nèi)干混30s，并在30s內(nèi)勻速加入一定量的水，攪拌2min。將拌好的澆注料裝入40mm×40mm×160mm的試模，自然養(yǎng)護(hù)24h后脫模。試樣在烘干（110℃，24h）和熱處理后（ 1100℃，3h、1450℃，3h），分別按國標(biāo)測量試樣的體積密度、顯氣孔率、冷態(tài)抗折強(qiáng)度和線變化。

4結(jié)果與討論

從圖2、3可以看出，隨著藍(lán)晶石的加入，澆注料在各個(gè)溫度的體積密度均有所增加，顯氣孔率大致都呈先增加后降低再增加的趨勢，但變化幅度都不是很大，體積密度和顯氣孔率基本上不會(huì)由于藍(lán)晶石的引入而有很大的改變。

由圖4可以看出，藍(lán)晶石加入量對(duì)干燥后和1100℃熱處理后試樣的抗折強(qiáng)度影響不大，但經(jīng)1450℃熱處理后試樣的抗折強(qiáng)度明顯提高，加入2%的藍(lán)晶石，其抗折強(qiáng)度可提高26.5%左右。這是因?yàn)榈陀?100℃時(shí)，藍(lán)晶石分解反應(yīng)還未發(fā)生，而經(jīng)1450℃熱處理后，網(wǎng)絡(luò)狀莫來石形成，加之原料中少量堿性物質(zhì)引入而促進(jìn)了液相燒結(jié)，使試樣的抗折強(qiáng)度大大提高[3，4]。但由于藍(lán)晶石的增加，其分解反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹也增加，會(huì)對(duì)試樣的抗折強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，使強(qiáng)度的增加受到了限制，所以加入4%、6%的藍(lán)晶石的抗折強(qiáng)度增加并不明顯。

從圖5可以看出，1100℃時(shí)，藍(lán)晶石的加入量基本不影響試樣的線變化，但經(jīng)1450℃熱處理后，隨著藍(lán)晶石加入量的增加，試樣的線變化逐漸由收縮變?yōu)榕蛎?。這是由于藍(lán)晶石分解反應(yīng)的發(fā)生導(dǎo)致產(chǎn)生了體積膨脹而造成的。

5結(jié) 語

藍(lán)晶石作為耐火澆注料的膨脹劑，在補(bǔ)償澆注料燒結(jié)時(shí)體積收縮的同時(shí)也改善了澆注料的其它性能。從上述試驗(yàn)結(jié)果可知：（1）藍(lán)晶石的加入對(duì)澆注料的體積密度和顯氣孔率影響不大；（2）加入適量的藍(lán)晶石可以明顯改善澆注料的力學(xué)性能；（3）藍(lán)晶石的加入可以提高澆注料的體積穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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