不同烧结温度对M60莫来耐火材料的影响

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1、摘要用不同粒径的M60莫来石为原料，利用半十法压制成型，通过固相烧结形 成M60莫来石耐火材料。研究对比了不同烧结温度对莫来石耐火材料的影响。实验结果表明：在1500。烧结温度下M60莫来石耐火材料的线收缩率大，气孔率低，力学性能较1400。有所提高。关键词:M60莫来石，烧结温度，线收缩率,气孔率，耐压强度1、引言耐火材料一般是指主要由无机非金属材料构成的且耐火度不低于1580摄氏 度的材料的制品。耐火度是指材料在高温作用下达到特定软化变形程度时的高曙长餐史建剂任夫臀课程设计（论文）用纸 温，它标志材料抵抗高温作用的性能。耐火材料是为高温技术服务的基础材料， 它与高温技术尤其是高温冶金工业的

2、发展有密切关系。耐火材料按化学、矿物组成可分为以下几类：（1）氧化硅质耐火材料。是以二氧化硅为主要成分的耐火材料，主要的品 种有各种硅砖和石英玻璃制品。（2）硅酸铝质耐火材料。是以三氧化二铝和二氧化硅为基本组成的耐火材 料。根据制品中的三氧化二铝和二氧化硅的含量分为三类：半硅质耐火材料、 粘土质耐火材料和高铝质耐火材料。（3）刚玉质耐火材料。是以三氧化二铝为基本化学组成、以刚玉相为主晶 相的耐火材料。（4）镁质耐火材料。是以氧化镁为主要成分和以方镁石为主要矿物构成的 耐火材料，依其次要的化学和矿物组成的不同有以下品种：镁砖、镁铝砖、镁 硅砖、镁钙砖、镁铭砖、镁碳砖和镁白云石砖，此外还有冶金镁砂

3、。（5）白云石质耐火材料。是一类以氧化钙和氧化镁为主要成分的耐火材料。（6）镁橄榄石质耐火材料。由镁橄榄石为主要矿物组成的耐火材料。（7）尖品石质耐火材料。是一类主要由尖品石组成的耐火材料。（8）含碳质耐火材料。这类材料中含有一定量的碳或碳化物。（9）含锆质耐火材料。这类材料中均含有一定数量的氧化锆。（10）特殊耐火材料。是一类由较纯的难熔的氧化物、碳化物、硅化物和硼 化物以及金属陶瓷构成的耐火材料。耐火材料是高温技术不可缺少的基础材料。所有涉及高温化学反应的工业 生产过程，都必须有既耐火（高温），又耐侵蚀（化学反应），而且在许多情况下 还能抵抗应力或者温度急剧变化的耐火材料作为容器的内村和部

4、件。耐火材料 工业的发展总是与高温工业的发展密切相关，尤其是与钢铁工业相互依存，相 互促进，共同发展。耐火材料发展的一贯方针是：为适应高温新技术越来越苛 刻的要求，不断研究开发质量稳定性、高温性能、使用效果和经济效益等更好 的优质高效的耐火材料新产品，并且围绕这一发展目标，不断促进并实现工艺 流程、生产装备和应用技术的创新，使整个耐火材料行业的技术水平提高到一 个新台阶。莫来石耐火材料属于硅酸铝质耐火材料。硅酸铝质耐火材料是以Al O和SiO 为基本化学组成的耐火材料。我国是最早应用硅酸铝质耐火材料的国家之一。2 古代金属的冶炼，制备玻璃和陶瓷等均采用粘土质耐火材料。我国有丰富的生 产硅酸铝质

5、耐火材料的资源。目前，我国已能大量生产各种型号的硅酸铝质耐 火材料，满足国民生产的需要。硅酸铝质耐火材料的原料广，生产过程简单， 成本低，价格便宜，高温适应性强。冶金、机械、化工、动力及硅酸盐等工业 部门的炉窑，均广泛应用硅酸铝质耐火材料作为主要的筑炉材料。其中应用最 多的是冶金工业。钢铁冶金工业的高炉、热风炉、混铁炉、加热炉、均热炉， 以及有色金属工业中的回转窑、沸腾炉、鼓风炉、反射炉、熔铝炉和有色金属 加热炉等热工设备，大量使用粘土砖、高铝砖、莫来石制品及刚玉制品作为筑魅曰餐史建剂任夫臀课程设计(论文)用纸 炉材料使用寿命比一般耐火制品高得多，但成本高，价格贵。莫来石耐火材料 有很一些特殊

6、的性能特点，为了使莫来石耐火材料能更好符合生产环境要求， 本文将对烧结温度对M6 0莫来石耐火材料的性能影响展开研究。1、1莫来石概况莫来石是一种铝的铝硅酸盐矿物，因1924年最早发现于苏格兰的莫尔岛 (Island of Mull)而得名。天然的莫来石矿在地壳中非常稀少，在20年代初期， 人们首次在莫尔岛发现了天然莫来石矿，我国在湖北武安县和河南林县也有所 发现。天然莫来石矿之所以如此稀少，主要原因是莫来石在自然界中形成需要 高温低压等条件，因此天然产出很少，并且只存在于火成岩的富铝包体、富铝 沉积岩的接触带和高温热变质岩。在工业中更多的是使用人工合成的莫来石， 从1926年电熔法制得莫来石

7、至1928年烧结法生产莫来石以来，莫来石生产己有 70多年历史，现在世界上莫来石及其熟料制品的年产量大约为20万吨。与莫来 石相关的研究可分为三个阶段：第一阶段，从1920年到1950年，主要集中研究 莫来石的结构特征；第二阶段始于1950年，主要集中对莫来石品体生长过程中 A10-Si0二元体系相平衡的研究；第三阶段从70年代中期开始至今，则将研究 重点1转移到对莫来石陶瓷在结构、光学、电子等应用方面的开发研究，这一时 期，莫来石的研究得到了迅速发展。1、2莫来石组成与结构莫来石与硅线石族矿物在晶体结构上颇为相似，以至于在很长时间内一些 科学家不认为它是一种单独的矿物，人们也称莫来石为富铝红

8、柱石。成分和结 构的相似性，决定了它们在物理性质上的相似性。莫来石的化学组成不稳定，从Al 02Si0至02A1 0 - Si0之间可连续变化，- 一2 322 3 一 2一 一-现在一般认为莫来石的化学计量式为3A1203 - 2Si02，其中Al203的质量分数为 71. 8%，Si0的质量分数为28.2%，属于高铝材料，Al 0和Si0质量比对它的 显微结构有重要影响。莫来石与硅线石族矿物十分相似2，它的晶体结构可以看 作是由硅线石结构演变而来。每个晶胞由4个硅线石晶胞组成，而每个硅线石 晶胞由4个A10 Si0组成，因此，莫来石晶胞相当于由16个Al0 . Si0组成，其 中有4个Si

9、4展AL+曾换。为了保持电价平衡，晶胞出现了两个氧原子空位。莫来石属于斜方晶系，即D9 -Pbam。它的结构由平行于c轴的(AlO)八面体 共棱联接而成，这些八面体链击(AlO)和(Si0)四面体双链横向交联在一起，轴 的链位于单位晶胞(001)投影面的4个角顶和中心，在每个单位晶胞Z=1 /2处 (A10)A面体链与(A10、(si0 )四面体相链，四面体组成的双链也平行于c轴。四 面体桥氧位及其它位的氧原子失去后，四面体中剩余氧原子及T位Al3+和Si4+发生 位移T*，同时伴随着四面体中Si4+被Al3+所代替，理想的莫来石结构如图1所示 5。莫来石的化学组成为:A1viA1iv Si

10、O (0MXM1)，X为氧空位数，VI和 W分别代表Al的八面体配位和四面体配位2：随着x值的增大，四面体双链最终会 被打乱而变得无序，由于莫来石成分可以从A10 2Si0至03A10 Si0之间连续变 2 3.22 3.2善长餐史建剂任夫臀课程设计(论文)用纸 化，这种组成的变化反映在结构上就是氧空位数目以及阳离子位移的增加。在 这种结构中，由共用斜方晶体的棱和中心形成(A10 )八面体链不发生变化。63 O O Al USi 0图1 莫来石的晶体结构(沿001面)(a) 理想莫来石晶体结构(黑色原子位于z=0处).(b) 实际莫来石平均晶胞(对于A1 0 - Si0成分的莫来石来说a=0.

11、574, b=0.768, c=0.288)；重线处为部分充填并代表0处氧的缺位而引起位移的原子；3O, 02，03分别代表位移前阴离子的位置；O*代表位移后阴离子的位置；箭头代表 位移方向；T及T*分别代表位移前后阳离子的位置.1、3莫来石的性质图2为A10 -Si0二元系相图，由图可知，莫来石是常压下A10 ,Si0系中唯一 稳定的化合物：由于莫来石结构中(A10)八面体起到了稳定骨架2支撑作用，因而6其十分稳定，熔点高达1850C ；莫来石结构呈链状排列，所以其晶体呈沿c轴延 伸的柱状和针状，其中针状莫来石互相穿插构成坚固的骨架网络结构。莫来石的熔点高、弹性模量低、抗热震稳性能好、化学稳

12、定性高、抗蠕变 性能好，荷重软化温度高，电绝缘强等特点；另外，莫来石还具有较低的热传 导系数和热膨胀系数。因此，莫来石是理想的高级耐火材料，被广泛应用于冶 金、水泥、玻璃、陶瓷、化学、电力、电子等行业。性能表1莫来石的物理性能数值性能数值域 曰餐或匪剂任夫皆 课程设计（论文）用纸图2A1 0 Si0系二元相图2 3- 2AiA柱面角(110)八(110)=89 13杨氏模量（MPa）230光轴角4050(+)断裂强度（d/MPa）246折射率1.664膨胀系数（X 10-6/05.16莫氏硬度7.5断裂韧性（KIC/MPa ）2.9熔点（C）1850蠕变活化能（Kcal/mol）164187密

13、度（g/cm3）3.153.22抗折强度（室温，MPa）58.8Risbud等绘出的二元相图并附亚稳系统（虚线）示于图1中。相图示出如加热氧化硅和氧化铝的混合物，首先在约1 2001 300C下出现液相，随后 液相、莫来石相开始结品。在较低温度下，数小时后最先得到了高黏度硅酸盐玻璃和优质莫来石，这是一个缓慢的过程。2、实验部分曙长餐史*剂任夫臀课程设计（论文）用纸本实验采用M6 0型号不同粒径的莫来石进行烧结及性能检测。2、1确定原料配比（共1545g），如表2所示。表2原料配比粒径含量质量g12406000.511015000.520300325目30450白糊精3452、2均匀混料先将两种

14、粗骨料（粒径分别为12和0.51）进行混合拌匀，然后再混入粒 径为00.5的中颗粒，将混合好的料放进搅拌机，将搅拌机调为中速搅拌5min， 为了防止细粉在搅拌时发生飞散，先在正在搅拌的混合料中加入适量水，然后 缓慢加入细粉，搅拌机中速搅拌510min即可混匀。混匀后取出混合料放进塑料 袋内进行困料1d，使水分分布均匀。2、3成型与干燥实验仪器：材料压制机采用半十法压制成型，将混合料分成15份，每份成型料质量为100g，成型 压力为15MPa，模具直径为38mm，成型压力下稳定约5秒，取下模具，无大裂 纹为佳，共成型14个合格坯体，分别按顺序进行标号。将坯体放入烘箱中，温 度维持在110C保温1

15、2h。半十法成型后坯体的密实度，除受泥料组成与性质影 响以外，也受压制外力、增压速度和加压时间等压制制度所控制。压制方法与 压制不当，易使坯体出现缺陷，如开始加压压力过大过快，气体未及时排出， 易产生层裂。2、4烧成实验仪器：烧结炉（1300 C硅钼棒炉，1600 C硅碳棒炉）、承烧板若干、 游标卡尺烧成的目的是使坯体在高温下发生一系列物理化学变化反应达到烧结，即 坯体形成一定高温稳定的物相和结构，定形，气孔排除，并获得有相当高的密 度、强度和其他各种性能的制品。将干燥好的坯体分为两组，每组7个，各组按 不同的温度制度进行烧成。具体的升温制度如表3所示。升温制度域 曰餐史匪剂任夫陞 课程设计（

16、论文）用纸第一组室温一 (60min)200 C一(160min)1000 C一(150min)1400C(3h)一随炉 冷第组室温一 (60min)200 C一(160min)1000 C一 (170min)1500C(3h)一随炉 冷2、5性能检测2.5.1线收缩率的测定进炉烧之前，用游标卡尺测定每个样品的高度并记录数据。经过高温烧结， 冷却之后再次进行测量并记录。利用公式：线收缩率二 烧后高度 烧前高度烧前高度对记录数据进行处理，结果如表4所示。表4线收缩率的测定烧成温度样 品烧前高 度（mm）烧后高度（mm）烧后直径 （mm）线收缩率备注平均值1400C138.5638.1738.74

17、-0.0101-0.0124238.2337.7338.84-0.0131338.6537.8438.73-0.0210438.1737.8338.79-0.0009538.5537.7338.69-0.0213剔除638.3537.7938.783-0.0146738.1537.5838.84-0.01491500C838.2137.4838.69-0.0191-0.016937.8537.5438.53-0.0008剔除1038.2337.8338.53-0.01051138.3337.8238.54-0.01331238.3337.8138.57-0.01361338.2737.3338

18、.64-0.02461438.2437.6738.55-0.01502.5.2气孔率和体积密度的测定实验仪器：电子天平，精度为0.1mg，最大载荷100g、电热恒温鼓风干燥箱、 抽真空装置等。试样选用外观平整，无明显裂纹为佳。气孔可占制品总容积的090%，并可按许多特征进行分类。按透气性的原理， 气孔可分为开口气孔和闭口气孔。开口气孔又分为毛细孔和非毛细孔（即呈死 胡同型）和封闭的毛细孔。毛细孔分为透气的（有效的）和不透气的（死角或善长餐史建耕任夫臀课程设计（论文）用纸 死空间【孔径大于5um的透气孔，称为贯通的气孔。透气率不仅取决于气孔的 大小和结构，还与流体的性质有关。按气孔所处的位置，气

19、孔可分为填料颗粒内部气孔、结合剂（细小颗粒） 气孔和位于填料与结合剂之间的气孔，即颗粒间气孔和结构气孔。按气孔的成因和形态，气孔可分为下列几种类型：（1）大多是在挤压成型 条件下产生的主要工艺气孔：颗粒间（结构）气孔、穹窿气孔一一卡成拱形的 颗粒团之间的空间（假闭口气孔）、挤压裂缝；（2）在加热条件下产生的主要工 艺气孔：由于收缩而产生的三维裂缝；由于热应力作用而产生的二维裂缝； 由于干燥而产生的裂纹（网纹）；由于疏松而产生的气孔和裂缝；围绕单 个颗粒或一些颗粒边缘收缩的气孔（形成单独的颗粒堆或碎块）。（3）次要的气 孔扩散气孔和毛细气孔：扩散的气孔、类似于球状的气孔；类似于断 层结构形式的裂

20、缝；在断层中形成的气孔（如蜘蛛网上的露珠）；在熔体流 动作用下形成的毛细孔。总气孔率（n o .按公式确定。式中pv一一容积密度，即每1m3物体（包括气孔在内）的质量，kg/m3；p 一一扣除气孔体积的容积密度，kg/m3。闭口气孔率（n 3。）按总气孔率与开口气孔率之差计算，即n 3.二n oa -n or。 式中n”一一开口气孔率（或显气孔率），它是用水在真空下饱和试样的方法或 其他方法确定的9。测定开口气孔时在液体中的称量装置如图3所示。图3测定开口气孔时在液体中的称量装置本实验旨在用水在真空下饱和试样的方法测定开口气孔率。曙长餐史建剂任夫臀课程设计（论文）用纸体积密度、气孔率测定仪操作

21、规程：（1）将除去表面灰尘和颗粒的试样置 于干燥箱中于110C烘干，然后取出放在干燥器中冷却全室温。（2）称量试样 的干燥质量。（3）连接好实验所用的设备，将试样放入托盘内并置于真空干燥 箱内，开启真空泵抽真空至-0.098MP并保持5分钟。（4）打开导流管阀门缓慢向 托盘里注入试样吸收的液体，直至试样完全被淹没，继续保持抽真空5分钟。（5） 停止抽真空，打开真空箱的进气阀，取出托盘在空气中静置30分钟，使试样充 分饱和。（6）在溢流盒内加满吸收液体直至从溢流孔内流出，然后天平去皮， 做好称量准备。（7）将充分饱和试样迅速移至称量架的滤网内，并使液体完全 浸没试样，待液体不再从溢流孔内流出时，

22、称量悬浮重量。（8）从称量架的滤 网内取出试样，放在已吸满液体的毛巾上，用毛巾擦去试样表面多余的液体， 迅速称量试样在空气中的饱和重量。（9）关闭总电源，整理好设备，清扫实验 环境。将记录的数据按以下公式进行处理，得出每个试样的气孔率和体积密度， 并计算各组的平均值。记录及处理结果如表5所示。气孔率二M湿M干x 100 %M湿M浮样品十重（g）湿重（g）浮重（g）体积密度 （g/cm3）平均值气孔率（%）平均值（%）289.75102.9359.062.0462.05130.0430.14390.76103.8360.002.07129.82789.46102.9058.952.03630.5

23、8889.71102.2058.872.0702.07128.8328.951389.21101.6258.622.07528.861488.81101.3358.382.06829.15体积以湿-M浮X P 水表5体积密度和气孔率的测定2.5.3耐压强度测试实验仪器：抗压强度试验机将晾干的两组试样，依次放入抗压强度试验机中，手动给油进行加压测试， 当样品受压破裂的瞬间，机器会显示最高压强，此即样品所能受最大压强。记 录并计算数据如表6所示。耐火材料的常温耐压强度是指在常温下材料单位面积所能承受的最大压 力，用兆帕（MPa）表示，即pS =A式中S试样常温耐压强度，MPa；域 曰餐或匪剂任夫陞

24、 课程设计（论文）用纸P试样破坏总压力，N；A试样受压面积，mm2。表6耐压强度的测定样 品横截面积（mm2）X1000抗压压力（KN）耐压强度 （MPa）平均值21.18529.7825.13125.9125.97071.18531.8826.90331.17830.2725.69611.17929.5825.08926.0341.18231.4226.58261.18131.2026.418131.17329.1724.86824.14425.522141.16725.0321.44881.17730.7426.117101.16634.1929.32226.899111.16631.84

25、27.307121.16828.1124.0673、实验结果与讨论由表4可知，在1500C的烧成温度下烧成的6个试样的平均线收缩率为-0.016mm，而在1400C的烧成温度下的烧成的6个试样的线收缩率平均值为 -0.0124mm，所以在较高温度下试样的线收缩率较大。由表5可知，在1500 C温度下烧成的6个试样的气孔率的平均值为28.95%，而1400C温度下的为30.14%，相应的1500C温度下的试样体积密度也较大。由表6可知，1500C温度下（没有进行气孔率测定的试样）的平均抗压强度为26.899MPa，在1400C温度下（没有进行气孔率测定的试样）的平均抗压强度为26.03MPa。而

26、进行气孔率测定的试样在高温条件下烧成的试样的强度比低温 烧结温度下的强度要低，原因可能是抽取的试样在半干法成型时由于人为原因， 如加压速度过快，成型压力不均匀等因素，在坯体中形成了较多裂纹。在高温下，固相之间反应更完全，扩散系数较大，流动性较强，使分布更 均匀，更有利于气孔的排除，因此造成线收缩率较大，气孔率较小。气孔率是 反应材料烧结性能的指标之一，显气孔率大说明材料的烧结性较差，线收缩率 较小，体积密度小，因此材料的抗压强度就低。由于烧结温度较高的试样在烧曙长餐史建剂任夫臀课程设计（论文）用纸 结过程中，不同粒径颗粒之间可能发生了较复杂的化学反应，产生了液相，烧 结致密化增加，线收缩率增大

27、，体积密度增大，因此抗压强度随之增加。4、结论M60莫来石耐火材料的线收缩率、气孔率以及耐压强度与烧结温度密切相 关，从实验结果看，烧结温度越高，M60莫来石耐火材料的线收缩率越大，气孔 率越小，耐压强度越大，力学性能有所提高。实验结果分析表明，主要是由于 烧结温度越高，反应更充分，扩散系数更大，流动性越强，导致试样的致密化 程度增大。澎 曰餐或匪剂任夫陞 课程设计(论文)用纸参考文献1 薛群虎，徐维忠.耐火材料(第2版).2009 :第2页2 Kumarawa T,Kanzki S. Influence of chemical composition on the mechanicprope

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