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        高性能電熔莫來石磚的研制

        2013-08-29 09:52:06呂建新史亮
        江蘇陶瓷 2013年1期
        關(guān)鍵詞:耐酸電熔莫來石

        呂建新 史亮

        (江蘇省宜興非金屬化工機(jī)械廠有限公司,宜興214221)

        0 前言

        本文研究了一種電熔莫來石磚的研制方法,特別是一種主要用于二氧化鈦氯化器中,該氯化器是由二氧化鈦礦石(銳鈦型)生產(chǎn)純二氧化鈦的高溫流化床型反應(yīng)堆專用磚,在該反應(yīng)堆中礦石被破碎與其它配料混和,加氯反應(yīng)生產(chǎn)氣相氯化物,然后分離純化。該流化床反應(yīng)堆溫度高達(dá)1 200℃,加上潮濕的鹽酸,環(huán)境非常惡劣。因此要求較高的抗壓、抗折強(qiáng)度,重?zé)€收縮1 600℃×5h為0,這樣才能保證流化床反應(yīng)堆在這種高溫、高腐蝕性的條件下運(yùn)行較長時間。目前,二氧化鈦流化床反應(yīng)堆氯化器專用磚主要由西德生產(chǎn),市場價格昂貴,原磚 (80D)莫來石相僅為60%~70%(產(chǎn)品Al2O3含量 45.8%,SiO2含量50.5%),因此使用時不太理想,無法滿足客戶需求,因?yàn)榇u的抗壓強(qiáng)度低,將導(dǎo)致反應(yīng)堆在運(yùn)行時磚體開裂、剝落等重?zé)€收縮無法保證為0時,在反應(yīng)堆高溫時磚體將產(chǎn)生膨脹或收縮,導(dǎo)致整個反應(yīng)堆開裂、崩塌。隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步,對磚的性能提出了更高的要求。本文主要是在磚的耐酸性及耐高溫性方面克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn),提供一種具有成本低、體積密度高、耐火度高、耐酸度強(qiáng)、重?zé)€收縮低、熱震穩(wěn)定性能優(yōu)異,尤其是常溫抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等優(yōu)于德國磚性能的耐酸、耐高溫磚。

        研制的耐酸、耐高溫磚主要由莫來石相組成,含量大于80%(Al2O3含量64.5%,SiO2含量33.5%),并含少量的方石英相,具有較強(qiáng)的抗折、抗壓能力,重?zé)€收縮低的特點(diǎn)。

        1 試驗(yàn)過程

        1.1 原料

        試驗(yàn)原料主要是由電熔莫來石、蘭晶石、粘土、改性添加劑組成,原料的理化性能見表1。

        表1 原料的理化性能(%)

        1.2 坯體配方組成見表2。

        表2 坯體配方組成范圍(%)

        1.3 工藝流程及工藝參數(shù)

        (1)工藝流程圖:

        (2)主要工藝參數(shù):

        磚坯水分3%~6%;干燥水分<2%;體積密度>2.8g/cm3;耐火度>1 650℃;荷重軟化點(diǎn) (0.6%)>1 450℃;抗壓強(qiáng)度>85MPa;常溫抗折強(qiáng)度>17.5MPa;重?zé)€收縮(1 600 ℃×5h)為0;氣孔率<15%;耐酸度>99;抗熱震性(1 100℃~室溫)>20次;燒成溫度1 580~1 620℃。

        1.4 性能測試

        用絡(luò)合滴定法分析了原料的化學(xué)成分;用煮沸法測試了產(chǎn)品的體積密度;用強(qiáng)度儀測試了產(chǎn)品的抗壓強(qiáng)度;用加熱法測試了產(chǎn)品的重?zé)€收縮;用煮沸法測試了產(chǎn)品的氣孔率;另測試了產(chǎn)品的耐酸度、抗熱震性、常溫抗折強(qiáng)度、荷重軟化點(diǎn)。其性能檢測結(jié)果比照德國磚見表3。

        1.5 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

        本產(chǎn)品要達(dá)到高強(qiáng)度、高體積密度、高耐酸度,采用高純電熔莫來石及合理的顆粒級配是關(guān)鍵。

        本試驗(yàn)主要采用東北產(chǎn)高純電熔莫來石,其指標(biāo)見表4。(1)采用合理的電熔莫來石顆粒級配達(dá)到最致密化。

        根據(jù)安德烈森(Andreasen)緊密堆積曲線,在連續(xù)的顆粒系列中最大顆粒半徑為Rmax,任意大小的顆粒半徑為R,則按下列方式:mR=(R÷Rmax)q,式中 q 為 1/2~1/3 時,該顆粒系中構(gòu)成緊密堆積,式中mR是R以下的含有量,其曲線圖見圖1:

        表3 研制的莫來石磚與德國磚性能檢測結(jié)果對比

        表4 東北產(chǎn)高純電熔莫來石性能

        圖1 安德烈森緊密堆積曲線

        本試驗(yàn)采用粗、中、細(xì)三種顆粒級配,主要以粗顆粒構(gòu)成產(chǎn)品坯體的骨框架,中顆粒填充于粗顆粒間的空隙與大顆粒相切,細(xì)粉又填充于中顆粒和大顆粒構(gòu)成的空隙中達(dá)到最佳堆積密度。

        根據(jù)安德烈森緊密堆積曲線,本試驗(yàn)設(shè)定最大顆粒平均粒徑為3 mm,最小顆粒為0.3 mm,中間顆粒為1 mm。對3個顆粒級配高純電熔莫來石采用干法攪料,外加劑5%、糊精5%,所利用10t壓機(jī)干法壓制成20mm×20mm×20 mm試塊在1 650℃×5h燒成,測試其體積密度及氣孔率見表5。

        表5 不同配比的莫來石磚體積密度及氣孔率

        以上實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):粗顆粒減少,體積密度下降,隨著細(xì)顆粒增加,氣孔率下降,如果以中間顆粒增加以替代粗顆粒,體積密度與氣孔率均達(dá)不到理想狀態(tài),因此增加細(xì)顆粒比例、減少中間顆粒能增加產(chǎn)品的體積密度及降低氣孔率,同樣在保證有足夠的細(xì)顆粒情況下增加粗顆粒,也能提高產(chǎn)品的體積密度、降低氣孔率,但如果無中間顆粒將會產(chǎn)生產(chǎn)品龜裂及制作困難等弊病,因此需適量的中間顆粒。我們從2#、6#電鏡對比中會看到,2#比6#致密,氣孔少(見圖2)。

        圖2 2#與6#電鏡測試圖

        (2)重?zé)€收縮實(shí)驗(yàn)

        本產(chǎn)品對重?zé)€收縮(1 600℃×5h)要求為0,為此通過加入合理比例的藍(lán)晶石來調(diào)整重?zé)€收縮。加入藍(lán)晶石主要是利用藍(lán)晶石受熱膨脹的顯著特點(diǎn),作為高溫膨脹劑以抵消其他礦物原料在高溫下的體積收縮,添加適當(dāng)能保證產(chǎn)品在1 600℃×5h重?zé)€收縮為0。

        本試驗(yàn)采用河南省銅柏山產(chǎn)藍(lán)晶石,藍(lán)晶石含量>80%,化學(xué)組成見表6。

        表6 河南省銅柏山產(chǎn)藍(lán)晶石化學(xué)組成(%)

        該純單一組分用10t壓機(jī)制成20mm×20mm×100mm試塊進(jìn)行燒成試驗(yàn),測得膨脹線率見表7。

        表7 試塊膨脹線率(%)

        本試驗(yàn)以2#配比為基本配方,以外加形式加入利用10t壓機(jī)制成20mm×20mm×100 mm試條,在1 650℃×5h燒結(jié),再測試其1 650℃×5h重?zé)€收縮見表8。

        表8 2#配比經(jīng)1 650℃×5h重?zé)€收縮(%)

        表9 精確比例重?zé)€收縮結(jié)果(%)

        2 結(jié)果與討論

        (1)配方設(shè)計是本耐酸、耐高溫磚的關(guān)鍵,本耐酸、耐高溫磚莫來石含量大于80%(Al2O3含量64.5%,SiO2含量33.5%),本磚主要由莫來石相組成,含少量的方石英相,因此有較強(qiáng)的抗折、抗壓能力,采用藍(lán)晶石能降低產(chǎn)品的重?zé)€收縮率,原料的顆粒級配對產(chǎn)品的體積密度及氣孔率至關(guān)重要。

        (2)經(jīng)過本磚與德國磚的性能檢測結(jié)果可以看出,本磚的體積密度增加1.4倍,耐火度增加3.1%,常溫抗壓強(qiáng)度增加11%,耐熱震性增加2.5倍。本莫來石磚的性能大大優(yōu)于德國產(chǎn)80D磚的性能。

        3 結(jié)論

        研發(fā)產(chǎn)品具有體積密度高、耐火度高、常溫耐壓和抗折強(qiáng)度高、重?zé)€變化率低、熱震穩(wěn)定性能優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)。電熔莫來石磚的制備方法具有工藝簡單、成本低廉、可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

        [1]素木洋一.硅酸鹽手冊[M].北京:輕工業(yè)出版社.

        [2]曲木蘭.耐火材料工藝學(xué)[M].北京:江蘇出版社.

        [3]欽征騎.新型陶瓷材料手冊[M].北京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社.

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