低溫?zé)赡獊硎Y(jié)合剛玉磚-莫來石耐火材料

　　利用自制復(fù)合膠結(jié)劑和顆粒澆注工藝制得了在1500℃下燒成的莫來石結(jié)合剛玉磚制品、這種制品冷態(tài)強(qiáng)度優(yōu)于高溫?zé)傻闹破罚渌阅芘c高溫?zé)芍破废喈?dāng)。具有工業(yè)推廣價值。
莫來石結(jié)合的剛玉制品已在高溫窯爐中廣泛應(yīng)用，目前，其生產(chǎn)辦法一般采用在基質(zhì)部分加入高純粘土以形成莫來石結(jié)合相。這種方法不僅對粘土質(zhì)量要求很高，而且仍然需要1700℃以上的高溫才能較好的燒結(jié)，國內(nèi)外都層報道以磷酸鹽做結(jié)合劑，但是，磷酸鹽復(fù)雜的高溫相變化及高溫下的分解使其性能受到了影響。各種加入劑往往又形成液相而限制了其高溫使用性能。最理想的方法是使結(jié)合相為牢固結(jié)合的純莫來石相。在這方面，國外一些學(xué)者采用含硅粘結(jié)劑作了一些工作，一般采用硅溶液或硅酸乙酯、這些結(jié)合劑價格昂貴，限制了其廣泛應(yīng)用，而且性能也不易調(diào)節(jié)。為此，我們平順采用自己配制的復(fù)合膠結(jié)劑作為結(jié)合劑制作了能在1500℃下燒結(jié)良好的莫來石結(jié)合剛玉制品，其性能優(yōu)良，自制復(fù)合膠結(jié)劑成本僅為白剛玉的十分之一，具有工業(yè)推廣價值。

我們自己配制的復(fù)合膠結(jié)劑中，SiO2和Al2O3的比例符合于形成莫來石的組成比，并加有少量促進(jìn)莫來石生成的加入物。復(fù)合膠結(jié)劑分為A、B兩種、其中B膠的常溫凝固性能較好，可以使制品的坯體具有較高的強(qiáng)度。
試驗所用的顆粒為電熔白剛玉，細(xì)粉部分為α-Al2O3，它們的化學(xué)組成列于表1、電熔白剛玉破碎成＜5mm和＜1.43mm兩種顆粒、α-Al2O3磨成＜0.088mm的細(xì)粉 按表二的配比制作了三種試樣。

表一 原料化學(xué)組成

表二 試樣的配比

表三 試樣性能與國外同類產(chǎn)品的比較

試樣配好經(jīng)混合后，用顆粒澆注法制成25×25×140（mm）的試樣和36×50（mm）的試樣。干燥（110℃×12h）后在1500℃×3h下燒成、對三種試樣的性能進(jìn)行了測定并與英國和蘇聯(lián)的同類產(chǎn)品性能做比較，結(jié)果列于表三。
由表三可見：三種試樣的性能與所列的國外同類產(chǎn)品接近，而冷態(tài)抗折和耐壓強(qiáng)度則顯然高得多。同時，復(fù)合膠結(jié)劑的加入量和臨界粒度的變化對強(qiáng)度的影響也不大，采用B膠比用A膠的試樣重?zé)€變化大一些，但仍在允許范圍之內(nèi)，但是這些試樣的燒成溫度下降了約200℃，這就使我們有可能在普通高鋁磚的窯爐中燒結(jié)莫來石結(jié)合剛玉磚，可以大大降低能源和生產(chǎn)成本，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。
為了探討復(fù)合結(jié)合劑在莫來石結(jié)合剛玉磚中所起的作用，我們對1#試樣1500℃×3h燒后和1000℃×3h燒后的樣塊作了電鏡分析，其圖像如圖1和圖2所示；

圖1 生坯在1500℃×3h燒后的電鏡圖像

圖2 生坯在1000℃×3h燒后的電鏡圖像

　　由圖1可見，剛玉顆粒之間由發(fā)育良好、緊密結(jié)合的莫來石相結(jié)合在一起。這就較好的解釋了其低溫?zé)缶哂懈叩睦鋺B(tài)強(qiáng)度是由于生成莫來石的反應(yīng)燒結(jié)所致，而且由于復(fù)合膠結(jié)劑中Al2O3和SiO2處于高活性狀態(tài)，又有促進(jìn)劑加入物的影響，其形成莫來石溫度應(yīng)該是較低的。
為了探索莫來石在復(fù)合膠結(jié)劑中形成的溫度，我們作了如下試驗，對1#試樣的生坯分別以800℃×3h，1000℃×3h和1350℃×3h燒后測其冷態(tài)強(qiáng)度，結(jié)果如下：
由上述數(shù)據(jù)中冷態(tài)強(qiáng)度的突變可以認(rèn)為：莫來石約在1000℃時形成，這也可以用熱力學(xué)計算加以證明，例如γ-Al2O3與無定形SiO2之間形成莫來石的△G900k已為-38.2千焦。而α-Al2O3與無定形SiO2之間形成莫來石的△G1100k則為-0.26千焦。也就是說，α和γ-Al2O3只要充分活化后滿足動力學(xué)條件，則分別可以在827℃和327℃就能形成莫來石了。但是由圖2的1000℃×3h燒后的試樣中并不能觀察到晶態(tài)莫來石的存在，對此，我們認(rèn)為：在如此低的溫度下，雖然莫來石可以形成，但由于擴(kuò)散量很小，所以形成的初生態(tài)或非化學(xué)計算莫來石并不能長大成為足以觀察到的莫來石晶體，但卻已發(fā)揮了其較大的結(jié)合強(qiáng)度，為了進(jìn)一步證實我們這一推測，我們對A、B兩種復(fù)合膠結(jié)劑分別作了差熱分析、其差熱曲線如圖3所示；

圖3 A、B兩種復(fù)合膠結(jié)劑的差熱分析曲線

由圖3可以看到；B膠的常溫凝固性能是由于形成了三水鋁石（331℃峰）和勃姆石溶膠（523℃峰）之故，同時，A、B膠的差熱曲線分別由743℃和704℃開始下降、我們認(rèn)為：這就是非化學(xué)計量莫來石形成的開始溫度。而兩種膠開始形成莫來石溫度的差別可以認(rèn)為是由于A膠中的Al2O3以α-Al2O3狀態(tài)存在，而B膠中則由三水鋁石和勃姆石溶膠分解后以γ-Al2O3形態(tài)存在所致。
結(jié)論
自己配制的復(fù)合膠結(jié)劑可以使傳統(tǒng)上需要1700℃燒成的莫來石結(jié)合剛玉磚制品的燒成溫度降到1500℃制品的性能與高溫?zé)芍破废嘟€具有特別高的冷態(tài)抗折和耐壓強(qiáng)度。
自制復(fù)合膠結(jié)劑價格低廉，僅相當(dāng)于白剛玉原料價格的十分之一，由于降低燒結(jié)溫度，不僅可以節(jié)能和降低成本，而且可以使這類制品在普通燒高鋁磚的窯中燒成，具有工業(yè)推廣價值。
復(fù)合膠結(jié)劑的結(jié)合機(jī)理；我們通過初步研究認(rèn)為是由于較低的溫度下形成非化學(xué)計量莫來石所致。