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(zhì)的致密材料，考察助熔劑對(duì)輥棒氣孔率的影響及V2O5對(duì)莫來石晶體生長(zhǎng)的影響，通過XRD和SEM表征在高溫?zé)Y(jié)下的晶型和微觀結(jié)構(gòu)，并測(cè)試樣品的高溫抗折強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：滑石和碳酸鈣的質(zhì)量配比為0.5%：0.5%時(shí)，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(qiáng)度（1100℃）為130.67 MPa，熱膨脹系數(shù)為6.15×10-6/℃的耐腐蝕陶瓷輥棒。

關(guān)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(yù)熱，通常輥道窯高溫?zé)蓭У母邷匚矚獗怀橥郎貐^(qū)預(yù)熱帶，以達(dá)到節(jié)能和快速燒成的目的。高溫尾氣中含有大量燃?xì)馊紵a(chǎn)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(chǎn)生的污染性成分如氯離子、氮氧化物等。這些氣態(tài)污染物腐蝕性很強(qiáng)，也容易滲進(jìn)有一定孔隙率的陶瓷輥棒內(nèi)部。陶瓷輥棒長(zhǎng)期在這種惡劣氣氛環(huán)境中運(yùn)行，在一定溫度下輥棒的有效成分易與污染物起反應(yīng)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)易發(fā)生改變，導(dǎo)致輥棒性能惡化，強(qiáng)度降低、脆性增大，最終出現(xiàn)斷裂損毀，影響瓷磚的生產(chǎn)。

為此，針對(duì)性地研發(fā)耐腐蝕抗彎陶瓷輥棒具有重要的意義。

剛玉莫來石質(zhì)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(diǎn)，從輥棒的微觀結(jié)構(gòu)為出發(fā)點(diǎn)，降低輥棒的顯氣孔率和改善輥棒的微觀結(jié)構(gòu)，制備出柱狀生長(zhǎng)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(chǎn)生的污染性成分侵入到輥棒本體，且少量進(jìn)入到輥棒內(nèi)部的腐蝕性成分對(duì)輥棒的腐蝕速率較低。

2 前 期 試 驗(yàn)

2.1 陶瓷燒結(jié)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(jié)體的性能表征

采用阿基米德法測(cè)試燒結(jié)體的吸水率和體積密度，并據(jù)此計(jì)算顯氣孔率。

2.3 試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

3 燒結(jié)體的結(jié)果與討論

3.1 試樣的燒結(jié)狀況

從燒結(jié)性能來看，在電爐1600℃燒結(jié)的情況來看，未加助熔劑的燒結(jié)體的吸水率較高，達(dá)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(jié)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(dá)到設(shè)計(jì)要求。從打餅電爐及管坯窯爐燒制的對(duì)比經(jīng)驗(yàn)來看，打餅燒制的吸水率為3.5%時(shí)，管坯在窯爐中，燒制后的輥棒吸水率可以達(dá)到0.1%以下，但由于輥棒為管狀陶瓷，輥棒在窯爐中燒制時(shí)保溫時(shí)間較長(zhǎng)（一般為6h），輥棒容易產(chǎn)生過燒的現(xiàn)象。

降低助熔劑中的滑石或碳酸鈣的含量時(shí)，燒結(jié)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(jié)體的吸水率為4%時(shí)，管坯在窯爐中燒制后的輥棒的吸水率預(yù)計(jì)可以達(dá)為0.2 ～ 0.5%。

由于選擇的V2O5的價(jià)格太貴，考慮到生產(chǎn)成本的原因，選擇了兩個(gè)比例進(jìn)行試驗(yàn)，據(jù)報(bào)道，V2O5對(duì)莫來石的生長(zhǎng)有顯著的促進(jìn)作用[2]，因此出管等進(jìn)行試驗(yàn)。

4 輥棒制備試驗(yàn)

4. 1 輥棒的制備工藝

采用Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ和Ⅵ四個(gè)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(cè)）得到φ60的管坯，練泥時(shí)加入一定量的添加劑（木質(zhì)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(shí)進(jìn)行吊燒燒制，得到輥棒產(chǎn)品。

4.2 輥棒的結(jié)構(gòu)和性能表征

采用阿基米德法測(cè)試燒結(jié)體的吸水率和體積密度，并據(jù)此計(jì)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(shù)檢測(cè)儀對(duì)試樣的熱膨脹系數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)試儀器有限公司生產(chǎn)的GD-1型耐火材料高溫試驗(yàn)機(jī)測(cè)量高溫抗折強(qiáng)度。

5 輥棒的結(jié)果與分析

5.1 輥棒的燒結(jié)狀況

I配方的吸水率和顯氣孔率均較大，未達(dá)到設(shè)計(jì)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(jié)溫度太低的緣故，要解決此配方氣泡的問題，可以適當(dāng)降低燒成溫度，但是這樣輥棒的體積密度會(huì)降低，輥棒的高溫強(qiáng)度也較低，Ⅴ和Ⅵ配方的輥棒的燒結(jié)狀況良好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5.2 輥棒的熱膨脹系數(shù)及物相情況

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，加入一定量的助熔劑后，輥棒的熱膨脹系數(shù)基本不變，主晶相含量不變，但出現(xiàn)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?yàn)閂2O5促進(jìn)了莫來石晶核的形成和莫來石晶體的發(fā)育，非晶相含量顯著下降，這對(duì)于輥棒的高溫強(qiáng)度的保證具有重要的作用。

5.3 輥棒的微觀結(jié)構(gòu)

從輥棒的結(jié)構(gòu)來看，V2O5含量為1%時(shí)，輥棒絕大部分為針狀結(jié)構(gòu)，而V2O5含量為3%時(shí)，針狀莫來石晶體橫向發(fā)育，形成一定量的柱狀莫來石晶體，且柱狀莫來石晶體交錯(cuò)排列，有利于輥棒的高溫強(qiáng)度保證，經(jīng)檢測(cè)，輥棒的高溫強(qiáng)度為130.67 MPa，該輥棒經(jīng)恩平某陶瓷廠驗(yàn)證，使用6個(gè)月后，幾乎無腐蝕性物質(zhì)侵入到輥棒內(nèi)部，輥棒的高溫強(qiáng)度為128.71 MPa，輥棒的高溫強(qiáng)度衰減率較低（1.50%），可達(dá)到預(yù)期要求。

6 結(jié) 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(chǎn)生氣泡現(xiàn)象，管坯窯爐燒制和打餅電爐燒制存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系;

（3） V2O5含量越高，對(duì)輥棒的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控更明顯，但考慮生產(chǎn)成本，不宜加入量太多;

（4） 滑石和碳酸鈣的質(zhì)量配比為0.5%：0.5%時(shí)，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(qiáng)度（1100℃）為130.67 MPa，熱膨脹系數(shù)達(dá)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(gè)月后，肉眼及放大鏡觀察輥棒的外觀，未發(fā)現(xiàn)有腐蝕性物質(zhì)侵入到輥棒內(nèi)部，檢測(cè)窯內(nèi)輥棒的高溫強(qiáng)度（1100℃），為128.71 MPa，強(qiáng)度衰減率為1.50%，可以滿足客戶使用。

參考文獻(xiàn)

[1] 張銀鳳， 王時(shí)晨，等. 莫來石陶瓷材料的燒結(jié)機(jī)理研究[J].湖北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，06 ：31～34.

[2] 劉永鶴， 彭金輝，等. 莫來石晶須長(zhǎng)徑比影響因素的響應(yīng)曲面法優(yōu)化[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2011，03：401～408.