復(fù)合燒結(jié)劑中鉀長石和硼、硅灰的配比及性能研究

復(fù)合燒結(jié)劑中鉀長石和硼、硅灰的配比及性能研究

用中性材料精煉銅、鋁、鋅等金屬感應(yīng)爐的涂層材料。我國鋁礬土礦藏豐富,產(chǎn)品品質(zhì)好,性價比高,被廣泛應(yīng)用于各種有色金屬熔煉感應(yīng)爐爐襯上。采用高鋁礬土為主要原料的干式搗打料用于有色金屬熔煉感應(yīng)爐爐襯上,其燒結(jié)后使?fàn)t襯分為燒結(jié)層、過渡層和松散層3層結(jié)構(gòu),這有利于吸收應(yīng)力,防止裂紋擴展,提高爐襯材料的壽命。作為爐襯工作部位的燒結(jié)層,其性能優(yōu)良與否直接影響耐火材料壽命的長短。影響3層結(jié)構(gòu)的相對厚度和燒結(jié)層性能的主要因素是燒結(jié)劑,因此,本工作以硼酸、粘土、鉀長石和硅灰為燒結(jié)劑,研究復(fù)合燒結(jié)劑對鋁礬土干式料燒結(jié)性能的影響。1.1m骨料m細(xì)粉試驗的主要原料采用山西孝義的高鋁礬土,其中骨料粒度為3～5mm,1～3mm,≤1mm,粉料粒度≤0.088mm;m(骨料)∶m(細(xì)粉)=65∶35。燒結(jié)劑硼酸(w(H3BO3)>99.6%)的粒度≤0.1mm,粘土粒度≤0.05mm,鉀長石粒度≤0.1mm,硅灰粒度≤0.1μm。原料的化學(xué)組成見表1。1.2熱處理試樣的制備高鋁質(zhì)干式料的配料組成見表2。按表2的配比稱料,干混均勻后倒入?34mm×50mm的陶瓷模具中手工搗打成型,每種配料制備3個試樣。將成型好的試樣分別在600℃、700℃、800℃、900℃和1000℃下均保溫2h后脫模。用排水法測試試樣的顯氣孔率。將不同溫度下熱處理的試樣置于WE-100萬能試驗機上,以1mm·min-1的速度加壓,進行耐壓強度測試。采用XRD對試樣進行物相分析。2結(jié)果與討論2.1熱處理對顯氣孔率的影響圖1(a)為不同溫度熱處理后試樣的耐壓強度?？梢钥闯?600℃處理后試樣的耐壓強度隨燒結(jié)劑中硼酸含量的增加而增加,但強度增幅不大。700℃熱處理后,試樣耐壓強度變化規(guī)律與600℃相似,硼酸含量>1.5%的試樣耐壓強度顯著增加。800℃、900℃和1000℃熱處理后試樣的耐壓強度增加趨勢相同。隨著熱處理溫度的提高,全部試樣耐壓強度逐步增加,在600～800℃之間,每增加100℃,試樣的耐壓強度增幅在40%～150%之間;在700～800℃之間耐壓強度增加最為顯著。圖1(b)為試樣的顯氣孔率與溫度的關(guān)系圖。可以看出:硼酸含量<1.5%時,試樣在各個溫度下熱處理后顯氣孔率變化不大;當(dāng)硼酸含量為2%時,試樣在800～1000℃內(nèi)燒結(jié),顯氣孔率變化很大。從圖1可見,低溫(600℃)熱處理的試樣,即使硼酸含量增加,試樣耐壓強度增加不明顯,顯氣孔率變化微小。這是由于熔融B2O3沒有完全熔化浸潤顆粒,顆粒間的粘結(jié)物質(zhì)沒有完全形成,基料中的氧化鋁還未與硼酸充分反應(yīng)。當(dāng)溫度升高到700℃以后,B2O3粘度降低,流動性增大,能夠完全浸潤顆粒表面,形成更多的顆粒間聯(lián)結(jié)物,所以強度隨B2O3含量的增加而提高,顯氣孔率隨之升高。本試驗中,硼酸的最大添加量確定為2%。從Al2O3-B2O3二元相圖(見圖2)判斷,此時可形成熔點為1952℃的高熔點礦物。但是,在耐火材料的實際生產(chǎn)中,由于混料不均勻,導(dǎo)致硼酸顆粒的分布并不均勻。當(dāng)溫度升高到硼酸的熔點(450℃)時,硼酸開始熔化并局部浸潤高鋁顆粒,與顆粒中的Al2O3發(fā)生固-液反應(yīng)。B2O3熔融微區(qū)處Al2O3含量相對較少,形成不一致熔融化合物2Al2O3·B2O3,對干式料起初始燒結(jié)作用。隨著溫度的升高,B2O3完全熔化并附著于骨料顆粒表面,B2O3對于骨料顆粒的浸潤面積增大,接觸面積增大使得固-液反應(yīng)增強。當(dāng)B2O3熔融物在顆粒表面完全鋪開后,Al2O3的相對含量增多,形成熔點為1952℃的一致熔融化合物9Al2O3·2B2O3,填充在骨料顆粒之間,形成顆粒間的聯(lián)結(jié)物質(zhì)。2.2復(fù)合燒結(jié)劑對材料氣孔率的影響圖3(a)為燒結(jié)劑中粘土含量與干式料耐壓強度的關(guān)系曲線。圖3(b)為粘土含量與干式料顯氣孔率的關(guān)系圖?？梢钥闯?隨著溫度的增加,材料的耐壓強度和顯氣孔率都逐漸升高。600℃、700℃下燒后試樣的耐壓強度沒有隨著粘土含量的增加而增加,材料的氣孔率也變化不大。這說明粘土在低溫下沒有起燒結(jié)作用,試樣總的耐壓強度隨溫度增加而增加的主要原因是復(fù)合燒結(jié)劑中硼酸的作用結(jié)果。試樣在900℃和1000℃熱處理后,耐壓強度隨粘土含量的增加呈下降趨勢。這是因為粘土的主要成分是高嶺石(Al2O3·2SiO2·2H2O),高嶺石在低于1000℃條件下脫水生成偏高嶺石(Al2O3·2SiO2)。偏高嶺石在1000℃開始發(fā)生如下分解:Al2O3·2SiO2→Al2O3+2SiO2此時沒有液相生成,分解產(chǎn)物也沒有和其他物質(zhì)反應(yīng),添加的微量硼酸已經(jīng)與粉料中的Al2O3和SiO2形成化合物而無剩余。高嶺石的分解產(chǎn)物孤立存在,當(dāng)粘土含量增大后,分解產(chǎn)物Al2O3和SiO2增多,將已粘接物質(zhì)分隔開,耐壓強度下降。由于沒有大量液相生成,所以試樣氣孔率升高幅度不大。2.3熱處理后的初始燒結(jié)溫度圖4(a)為燒結(jié)劑中鉀長石含量與干式料耐壓強度的關(guān)系曲線。圖4(b)為鉀長石含量對干式料顯氣孔率的影響。從圖4可以看出:低溫下鉀長石對于干式料燒結(jié)有阻礙作用。試樣800℃熱處理后,鉀長石的燒結(jié)作用才表現(xiàn)出來,試樣顯氣孔率開始大幅升高。從K2O-Al2O3-SiO2三元相圖可以看出:鉀長石與鱗石英最低共熔點為990℃,莫來石、鱗石英和鉀長石的最低共熔點為985℃。所以,鉀長石作為燒結(jié)劑,在1000℃熱處理后的干式料強度隨鉀長石含量的增加而逐漸提高。此時粘土分解產(chǎn)物SiO2也同鉀長石發(fā)生固相反應(yīng),粘土在該溫度下對耐壓強度的負(fù)面影響也被消除了。從試驗數(shù)據(jù)可以看出:添加鉀長石的干式料在800℃熱處理后強度開始提高,這可能是鉀長石與基料中細(xì)粉及硅灰反應(yīng)的結(jié)果。硅灰中的石英顆粒細(xì)小,比表面積大,活性很強,可以顯著地降低與鉀長石的共熔溫度。圖5為1000℃熱處理后試樣B的XRD圖譜。從圖可知:該溫度下,該干式料中存在化合物9Al2O3·2B2O3,這是硼酸與Al2O3發(fā)生固-液反應(yīng)所致;另外還存在SiO2·2B2O3相,這是粘土、鉀長石以及硅灰中的SiO2與B2O3作用的產(chǎn)物。此時干式料的強度是Al2O3和SiO2與硼酸共同作用的結(jié)果。圖6為含有鉀長石的試樣K于1000℃熱處理后的XRD圖譜。從圖中可以看出:鉀長石轉(zhuǎn)變成微斜長石(KAlSi3O8),該物質(zhì)能提高干式料的中溫?zé)Y(jié)強度?；谝陨戏治?鉀長石作為鋁礬土干式料的燒結(jié)劑時,初始燒結(jié)溫度在800℃左右;添加適當(dāng)?shù)腁l2O3微粉和硅灰能夠降低鉀長石的燒結(jié)溫度。3復(fù)合燒結(jié)劑中、低溫?zé)Y(jié)效果(1)復(fù)合燒結(jié)劑中硼酸適合作鋁礬土質(zhì)干式搗打料的中、低溫?zé)Y(jié)劑,試樣在700～800℃熱處理后,耐壓強度顯著增加;硼酸含量為2%的試樣,800～1000℃熱處理后,顯氣孔率顯著增大。(2)復(fù)合燒結(jié)劑中粘土不適合作鋁礬土質(zhì)干式搗打料的中、低溫?zé)Y(jié)劑,試樣在低于800℃下燒結(jié),