耐腐蝕陶瓷輥棒的研究

方仁德 黃賓

摘 要：以氧化鋁微粉、耐火粘土、硅酸鋯為主要原料，滑石和碳酸鈣為助溶劑，V2O5為礦化劑，采用真空擠出工藝制備出剛玉-莫來石質的致密材料，考察助熔劑對輥棒氣孔率的影響及V2O5對莫來石晶體生長的影響，通過XRD和SEM表征在高溫燒結下的晶型和微觀結構，并測試樣品的高溫抗折強度。實驗結果表明：滑石和碳酸鈣的質量配比為0.5%：0.5%時，在3%的V2O5外加劑的作用下，可制備出吸水率為0.25%、顯氣孔率為0.81%，高溫強度（1100℃）為130.67 MPa，熱膨脹系數為6.15×10-6/℃的耐腐蝕陶瓷輥棒。

關鍵詞：耐腐蝕;助溶劑;V2O5

1 前 言

陶瓷墻地磚的燒成周期普遍不到1 h，生坯在升溫階段需快速預熱，通常輥道窯高溫燒成帶的高溫尾氣被抽往升溫區預熱帶，以達到節能和快速燒成的目的。高溫尾氣中含有大量燃氣燃燒產生的腐蝕性氣體如二氧化硫等，也含有陶瓷坯體燒成過程中產生的污染性成分如氯離子、氮氧化物等。這些氣態污染物腐蝕性很強，也容易滲進有一定孔隙率的陶瓷輥棒內部。陶瓷輥棒長期在這種惡劣氣氛環境中運行，在一定溫度下輥棒的有效成分易與污染物起反應，內部結構易發生改變，導致輥棒性能惡化，強度降低、脆性增大，最終出現斷裂損毀，影響瓷磚的生產。

為此，針對性地研發耐腐蝕抗彎陶瓷輥棒具有重要的意義。

剛玉莫來石質陶瓷輥棒依然是陶瓷輥棒最佳選擇的體系[1]，研究耐腐蝕型陶瓷輥棒，從輥棒的顯氣孔率為落腳點，從輥棒的微觀結構為出發點，降低輥棒的顯氣孔率和改善輥棒的微觀結構，制備出柱狀生長的、顯氣孔率小的剛玉莫來石陶瓷輥棒，防止陶瓷坯體燒成過程中產生的污染性成分侵入到輥棒本體，且少量進入到輥棒內部的腐蝕性成分對輥棒的腐蝕速率較低。

2 前 期 試 驗

2.1 陶瓷燒結體的制備

陶瓷的制備工藝流程如下所示：

原料→烘干→稱料→球磨→烘干、過篩→干壓成型→干燥→燒成，加入一定量的添加劑，成型壓力為30 MPa，試樣尺寸（mm）為：50×10×5。坯體干燥后，將各試樣在硅鉬棒爐中于1600℃保溫2 h 燒成，停止加熱后隨爐溫自然冷卻。

2.2 陶瓷燒結體的性能表征

采用阿基米德法測試燒結體的吸水率和體積密度，并據此計算顯氣孔率。

2.3 試驗的設計

3 燒結體的結果與討論

3.1 試樣的燒結狀況

從燒結性能來看，在電爐1600℃燒結的情況來看，未加助熔劑的燒結體的吸水率較高，達到11.55%，其顯氣孔率也較高，為26.22%，為此，添加部分的助熔劑，以降低燒結溫度。從Ⅱ配方燒成情況來看，其吸水率大大降低，完全可以達到設計要求。從打餅電爐及管坯窯爐燒制的對比經驗來看，打餅燒制的吸水率為3.5%時，管坯在窯爐中，燒制后的輥棒吸水率可以達到0.1%以下，但由于輥棒為管狀陶瓷，輥棒在窯爐中燒制時保溫時間較長（一般為6h），輥棒容易產生過燒的現象。

降低助熔劑中的滑石或碳酸鈣的含量時，燒結體的吸水率顯著上升，其中，滑石的助熔效果較碳酸鈣的助熔效果好，燒結體的吸水率為4%時，管坯在窯爐中燒制后的輥棒的吸水率預計可以達為0.2 ～ 0.5%。

由于選擇的V2O5的價格太貴，考慮到生產成本的原因，選擇了兩個比例進行試驗，據報道，V2O5對莫來石的生長有顯著的促進作用[2]，因此出管等進行試驗。

4 輥棒制備試驗

4. 1 輥棒的制備工藝

采用Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ和Ⅵ四個配方按照制備工藝（原料→烘干→稱料→配料→球磨→壓濾→練泥→陳腐→出管→干燥→燒成→檢測）得到φ60的管坯，練泥時加入一定量的添加劑（木質素磺酸鈣溶液），并將管坯在井式窯或梭式窯中于1600℃保溫6小時進行吊燒燒制，得到輥棒產品。

4.2 輥棒的結構和性能表征

采用阿基米德法測試燒結體的吸水率和體積密度，并據此計算顯氣孔率，利用Y-4型的X射線衍射儀分析試樣的晶相;利用德國耐馳DIL402PC熱膨脹系數檢測儀對試樣的熱膨脹系數進行檢測，采用JM-6460LV型掃描電子顯微鏡觀察試樣的斷面微觀形貌，利用廣州精控測試儀器有限公司生產的GD-1型耐火材料高溫試驗機測量高溫抗折強度。

5 輥棒的結果與分析

5.1 輥棒的燒結狀況

I配方的吸水率和顯氣孔率均較大，未達到設計要求，從輥棒的外觀來看，Ⅱ配方輥棒存在大量的氣泡，這主要是助溶劑的含量較高，燒結溫度太低的緣故，要解決此配方氣泡的問題，可以適當降低燒成溫度，但是這樣輥棒的體積密度會降低，輥棒的高溫強度也較低，Ⅴ和Ⅵ配方的輥棒的燒結狀況良好，達到設計要求。

5.2 輥棒的熱膨脹系數及物相情況

從以上試驗結果可以看出，加入一定量的助熔劑后，輥棒的熱膨脹系數基本不變，主晶相含量不變，但出現了少量的鎂橄欖石相，該相耐火度較高，可以少量的存在于輥棒中，而隨著V2O5含量的增加，輥棒的莫來石相的含量有所提高，這主要是因為V2O5促進了莫來石晶核的形成和莫來石晶體的發育，非晶相含量顯著下降，這對于輥棒的高溫強度的保證具有重要的作用。

5.3 輥棒的微觀結構

從輥棒的結構來看，V2O5含量為1%時，輥棒絕大部分為針狀結構，而V2O5含量為3%時，針狀莫來石晶體橫向發育，形成一定量的柱狀莫來石晶體，且柱狀莫來石晶體交錯排列，有利于輥棒的高溫強度保證，經檢測，輥棒的高溫強度為130.67 MPa，該輥棒經恩平某陶瓷廠驗證，使用6個月后，幾乎無腐蝕性物質侵入到輥棒內部，輥棒的高溫強度為128.71 MPa，輥棒的高溫強度衰減率較低（1.50%），可達到預期要求。

6 結 論

（1）通過助熔劑可以降低陶瓷的吸水率和顯氣孔率;

（2） 助熔劑含量較多可以顯著降低燒成溫度，但是易產生氣泡現象，管坯窯爐燒制和打餅電爐燒制存在一定的對應關系;

（3） V2O5含量越高，對輥棒的微觀結構調控更明顯，但考慮生產成本，不宜加入量太多;

（4） 滑石和碳酸鈣的質量配比為0.5%：0.5%時，在3%的V2O5外加劑的作用下，可制備出吸水率為0.25%、顯氣孔率為0.81%，高溫強度（1100℃）為130.67 MPa，熱膨脹系數達為6.15×10-6/℃的陶瓷輥棒;

（5） 該陶瓷輥棒在恩平某陶瓷廠使用6個月后，肉眼及放大鏡觀察輥棒的外觀，未發現有腐蝕性物質侵入到輥棒內部，檢測窯內輥棒的高溫強度（1100℃），為128.71 MPa，強度衰減率為1.50%，可以滿足客戶使用。

參考文獻

[1] 張銀鳳， 王時晨，等. 莫來石陶瓷材料的燒結機理研究[J].湖北理工學院學報，2018，06 ：31～34.

[2] 劉永鶴， 彭金輝，等. 莫來石晶須長徑比影響因素的響應曲面法優化[J].硅酸鹽學報，2011，03：401～408.