剛玉—莫來石復相高溫隔熱耐火材料的制備與性能

殷波 吳夢飛 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，蘇州土為結合劑，采用有機-無機復合造孔劑，采用機壓法制備剛玉-莫來石復相高溫隔熱耐火材料。研究結果表明：所制備的剛玉-莫來石復相高溫隔熱耐火材料的性能優異，孔徑分布范圍較小，強度高，熱導率低，高溫性能好，已被國內外知名企業廣泛應用。

關鍵詞 有機-無機復合造孔劑；剛玉-莫來石復相；高溫隔熱耐火材料

0 前 言

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

目前，國內高溫行業的絕大部分企業在砌筑窯爐時使用的仍為傳統的隔熱耐火磚及耐火纖維。國產隔熱耐火磚在比重、熱導率、最高使用溫度等方面與國外的輕質絕熱材料產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，蘇州土為結合劑，外加入有機-無機復合造孔劑，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-無機復合造孔劑，該造孔劑有如下優點：（1）利用有機造孔劑燃盡后產生較大的氣孔；（2）無機造孔劑在燒成過程中發生化學反應，生成微米及亞微米級的細小氣孔。由于無機造孔劑均為顆粒細小的粉體，可以大量添加，克服單一有機造孔劑無法大量使用的限制。因而使用含有無機造孔劑可以填充有機造孔劑間隙，在大氣孔周圍形成大量的小氣孔，優化絕熱材料的微觀結構，并進一步降低其體積密度。

1 試驗

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-無機復合造孔劑，繼續混合均勻后，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。蘇州土化學成分和試樣原料配比見表1、2所示。

1.2 復合造孔劑優勢

有機-無機復合造孔劑在混合料中的分布情況決定了所制備出的輕質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形成大尺寸的開口氣孔，這些大氣孔不僅影響試樣的熱導率和強度，而且還會成為侵蝕介質（如鋼渣、水泥液相、玻璃窯堿塵K2O、Na2O熔體等）進入試樣內部的通道，降低試樣的抗侵蝕性能。（b）造孔劑雖不團聚，但是分布不均勻，導致燒后試樣中的氣孔分布不均勻，即有的區域氣孔密度很高，而有的區域氣孔密度過低，使得熱量傳遞不均勻，嚴重影響試樣的熱導率和熱震穩定性。分散均勻的造孔劑形成分散均勻的氣孔，如圖1（c）所示，具有該種結構的試樣其性能最為優異和穩定。因此，對于隔熱材料而言，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，本實驗采取了特殊的造孔劑固態分散技術。在將有機-無機復合造孔劑與其它原料混合前，先采用固態分散劑對復合造孔劑進行表面處理，使其彼此分離。造孔劑中的有機造孔劑多是不良導體，因而很容易產生靜電，彼此吸附產生團聚。而加入細粉狀的固態分散劑后，有機造孔劑表面會吸附上分散劑，從而彼此分開（見圖2所示）。

經過處理的復合造孔劑再與其它原、輔料進行均勻混合。在燒成過程中，固態分散劑會與其它原料反應，并結晶化，對材料的使用性能無不良影響。

1.3 性能檢測

按照GB/T 2997-2000測定試樣的體積密度；按照GB/T 5072-2008測定試樣的常溫耐壓強度；按照YB/T 4130-2005測定試樣的熱導率；利用旋轉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構和組成。

2 結果與討論

所制備的剛玉-莫來石復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度，并降低其熱導率。

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的熔點高達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性能。

燒后試樣的顯微結構如圖5所示，a、b、c、d分別為放大至100、3 000、5 000以及10 000倍時的圖片。從圖中可明顯看到有大量發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，且相連晶粒之間相互連接，這種結合方式提高了試樣的強度。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 應用與結論

該剛玉-莫來石復相高溫隔熱耐火材料性能優異，經由國內權威機構測得本項目產品主要技術指標與國外同類產品性能指標對比如表4所示。

由表4可見，本產品的主要性能優異，其指標均已達到或超過國際一流企業同類產品水平。目前，德國貸達羅窯業公司、意大利娜塞提先鋒陶瓷設備機械有限公司、薩米窯業公司、西蒂機器有限公司、日本東陶（TOTO）株式會社以及伊索萊特工業株式會社等國外知名企業均成為本企業產品的用戶。國內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、蘇州和成衛浴等國內500強企業及知名上市公司。

參 考 文 獻

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

[2]徐惠忠，周明.絕熱耐火材料生產及應用[M].北京：中國建材工業出版社，2001

[3]楊重愚.氧化鋁生產工藝學[M].北京：冶金工業出版社. 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