可塑法制备轻质耐火材料试验及各原料对成品的影响

之前公众号上介绍过发泡法及浇注成型制备轻质莫来石耐火材料，今天这篇文章的成型工艺，采可塑法制备莫来石轻质制品进行对比试验。可塑法成型和浇注法成型的主要区别在于加水量的不同，可塑法成型所用的水分一般在16%左右，浇注法成型所用的水分在40%左右。本章主要研究了膨胀珍珠岩、煤矸石、石英砂、发泡剂对制品烧后性能的影响。

试 验

1.1

试验原料

本次试验以工业氧化铝(中国河南，氧化铝含量99.3%)、煤矸石(氧化铝含量49.6%,氧化硅含量25.45%),膨胀珍珠岩(氧化硅含量61.03%),矾土(氧化铝含量25.57%,氧化硅含量55.94%)为主要原料;粘土为结合剂(苏州，氧化铝含量37.62%),发泡剂选择十二烷基苯磺酸钠，外加剂是三聚磷酸钠、糊精等。表1是本章试验的基本配方。

表1 原料配比/%

普通膨胀珍珠岩与球形闭孔珍珠岩的区别

1)普通膨胀珍珠岩

普通膨胀珍珠岩具有多孔、穿孔、质轻、吸音、保温绝热、绝缘阻燃等功能特性，从二十世纪四十年代起，已广泛应用于建材、化工、石油、电力等行业作为保温隔热材料，但因其表面多孔、质脆、强度低、吸水率高、耐火度低等性能缺陷很少应用于轻质隔热耐火制品的生产。

2)球形闭孔珍珠岩

球形闭孔珍珠岩是由拣选的一定粒径的珍珠岩砂在电加热方式下达到一定温度，后由内到表面均匀膨胀，膨胀颗粒表面又经瞬间高温熔融，克服表面张力而自由闭合，经降温后形成连续玻质化的颗粒表面，而内部保持着完整的多孔，中间为空心结构，具有纯度高，筒压强度高，颗粒均匀，吸水率低，易分散等性能。现已推广在建筑、冶金、石化、电力等行业作为高档隔热材料和轻质填料。

表2普通膨胀珍珠岩与球状闭孔珍珠岩性能比较

1.2

试验过程

将原料分别按比例配好，在泥沙搅拌机中搅拌6〜8min,混合均匀，然后在搅拌过程中加入适量的水，制成的泥料在36mmx36mm的模具中挤压成型，脱模后自然干燥一天，在烘箱110°C保温24h,干燥后分别在高温烧结炉中1250℃,1300℃,1350℃保温3个小时，研究制品常温物理性能的变化。

研究过程中主要测定了制品的显气孔率、容重、烧后线变化率、耐压强度，孔径分布。

结果与分析

2.1

原料种类对制品性能的影响

2.1.1珍珠岩加入量对制品性能的影响

为了减小制品的容重，需要往制品中加入膨胀珍珠岩细骨料。按A配方(如表1所示)分别将原料配好，珍珠岩的加入量为8%,10%,12%,15%,其他的原料及外加剂的加入量不变。图1〜图4是在1250℃x3h,1300℃h,1350℃x3h膨胀珍珠岩加入量对制品容重，显气孔率，耐压强度，烧后线变化率的影响。

图1 珍珠岩加入量对制品容重的影响

图2 珍珠岩加入量对制品显气孔率的影响

由图1〜图2可知，经过1250°Cx3h,1300°Cx3h,1350°Cx3h高温烧后，制品的容重在1.19g/cm³~1.4g/cm³之间变化，显气孔率在50%〜60%之间。随着球状珍珠岩的加入量的增加，制品的容重逐渐减小，显气孔率耐压强度和烧后线变化率均逐渐减小。当珍珠岩的加入量为15%时，制品的容重最小，强度最低。可能是珍珠岩的容重小，表面有很多微小的气孔，制品的显气孔率随着珍珠岩加入量的增多而逐渐增大，因此随着珍珠岩加入量的增多，制品的的容重减小。

图3珍珠岩加入量对制品耐压强度的影响

图4珍珠岩加入量对制品线变化率的影响

如图3所示，随着温度的升高，制品的耐压增大，黏土和矾土在1200°C左右，一次莫来石化，生成莫来石晶体，增加了制品的强度。

如图1和图4所示，烧成温度的影响也很明显，随着烧成温度的升高，容重变大，可能是高温下制品的收缩变大，矾土和黏土中有少量的杂质，高温下形成液相，促进烧结，致密性增加，产生体积收缩。另外膨胀珍珠岩在高温条件下收缩。实际上在1200℃左右，膨胀珍珠岩已处于熔融状态，成为微小的液滴。一方面，膨胀珍珠岩的收缩使原来其颗粒所占据的位置变为孔洞;另一方面，珍珠岩融化所形成的液滴对其他物料产生润湿作用。促进烧结和化学反应的进行。

从工业氧化铝与粘土化学组成及相互反应考虑，粘土与工业氧化铝在烧成过程中发生了一系列的物理化学变化，并伴有体积变化。粘土的主要矿物组成是高岭石，因此粘土的加热变化其实就是高岭石的加热变化及高岭石与其它物质之间发生的理化反应过程。在加热的过程中，粘土发生脱水、分解、化合及晶型转变等过程，当温度升至500℃右，会失去结构水。当温度升至980°C左右，生成大量的Al-Si尖晶石、无定型SiO₂与少量的弱结晶莫来石。当温度升高至1200~1250°C左右时，Al-Si尖晶石转化为莫来石，而不释放出无定型的SiO₂，1250℃-1300℃左右生成的无定型的SiO₂转化为方石英，发生的反应如式(1)及(2):

在加热的过程中会出现一定的体积收缩，主要由于粘土在加热过程中出现脱水、分解、液相形成及莫来石的长大等。体积收缩在不同的范围内不一样。通常在1000℃左右开始有明显的收缩。当温度升高到1250℃左右时，收缩趋于停止，粘土达到烧结状态。

2.1.2煤矸石加入量对制品物理性能的影响

煤矸石是煤炭生产和加工过程中产生的固体废弃物，目前我国煤炭年产量已突破16亿吨，居世:界第一位，全国现有煤矸石山1500多座，累计堆存煤矸石30多亿吨，占地约1.2万公顷，并且以每年1.2〜1.5亿吨的速度增长。煤矸石石已是我国排放量最大的工业固体废弃物之一。煤矸石的长期堆存，不但占用大量土地，同时造成自燃、场尘和渣液渗滤，从而污染大气和地下水质。煤矸石是一种可以利用的资源，可以制备轻质莫来石耐火材料。

按B配方(如表1所示)分别将原料配好，煤矸石的加入量为5%,10%,15%,20%.1250℃x3h,1300℃x3h,1350℃x3h下煤矸石加入量对制品容重:，显气孔率，耐压强度，烧后线变化率的影响如图5〜图8所示。

图5煤矸石加入量对制品容重的影响

图6煤矸石加入量对制品显气孔率的影响

如图5〜图7所示，随着煤矸石加入量的增加，容重呈减小趋势，显气孔率呈增大的趋势，而耐压强度明显降低。与珍珠岩加入量的规律基本相似。煤矸石中含有大量石灰岩，在600℃左右，其碳酸盐的分解，会产生大量二氧化碳气体，导致砖坯膨胀，因此制品的容重减小，强度降低。显气孔率与强度成反比的主要原因是气孔越多，其周围应力越集中。当材料所受应力超过所能承受的极限时，会出现损伤或开裂，强度降低。

图7 煤矸石加入量对制品耐压强度的影响

图8 煤矸石对制品线变化率的影响

如图8所示，制品线变化率随着煤矸石加入量的增加呈减小的趋势。引起烧后收缩增大主要有两方面的原因，首先，随着煤矸石加入量的增加，煤矸石中碳酸盐分解产生更多气孔,固体颗粒会填充于该空隙;其次，粘土在烧成过程中会发生脱水、分解、化合等反应，砖内组织因烧结致密而收缩引起。

2.2

发泡剂加入量对制品性能的影响

2.2.1发泡剂加入量对制品性能的影响

在2.1.2的基础上，选择效果较好的B4配方，研究了发泡剂加入量对制品物理性能的影响。发泡剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)的加 入量分别为0,0.2%,0.5%,0.8%,1%.1300℃下发泡剂加入量对制品容重，显气孔率，耐压强度，孔径分布的影响见图9〜图11和表3。

图9发泡剂加入量对制品容重显气孔率的影响

图10发泡剂加入量对制品耐压强度的影响

由图9可见，随着SDBS加入量的增大，制品的容重呈减小的趋势，显气孔率变大，在煤矸石加入的基础上，SDBS发泡产生大量的微小气孔，减轻制品的容重，其加入量小于0.5%时,容重的变化不是很明显，发泡剂没有起到相应的效果;加入0.5%SDBS,容重下降的趋势非常明显，由图10可见，制品的耐压强度和其容重的变化有相同的规律。

图11 发泡剂加入量对制品孔径分布的影响

表3 发泡剂加入量对制品孔径分布和平均孔径的影响

由图11和表3可以看出:制品A孔径主要分布在小于20μm的范围内，制品B孔径主要分布在10-50μm的范围内，制品C孔径主要分布在10〜20μm的范围内，制品D孔径主要分布在大于50μm的范围内制品B和C在小于20μm的气孔所占体积为60%,制品A气孔所占体积为85%,制品D在小于20μm的气孔所占体积为30%,随着发泡剂的加入量的增加，制品中小于20pm的气孔所占体积在逐渐减少，发泡剂的加入量增加后，泥浆中形成的气泡，体积逐渐增大，制品中大气孔增多。

在上节的基础上，用普通珍珠岩代替球状珍珠岩进行对比试验。研究了发泡剂的加入量对制品物理性能的影响。加入发泡剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)的含量分别为0,0.2%,0.5%,0.8%,1%。

1300°Cx3h下发泡剂加入量对制品容重，显气孔率，耐压强度，孔径分布的影响见图12〜图14和表4。

图12发泡剂加入量对制品容重显气孔率的影响

图13发泡剂加入量对制品耐压强度的影响

由图12可见，普通珍珠岩代替球状珍珠岩后，随着SDBS加入量的增加，制品的容重呈减小的趋势，显气孔率变大，在煤矸石加入的基础上，SDBS发泡产生大量的微小气孔，减轻制品的容重，加入0.2%SDBS,容重下降的趋势非常明显，其加入量大于0.2%时，下降趋势较为平缓。

由图13可见，制品的耐压强度和其容重的变化有相同的规律。加入普通珍珠岩的制品和球状珍珠岩的制品进行横向比较，随着发泡剂加入量增加，加入普通珍珠岩的制品容重都比加入球状珍珠岩的制品的容重低，但强度小。普通膨胀珍珠岩为一种外形极不规则，表面有许多孔洞、裂缝，凸凹不平和表面不连贯的粒状产品，这种结构特征使材料易碎，压缩比大，强度低，吸水率可以高达500%。

图14 发泡剂加入量对制品孔径分布的影响

表4发泡剂加入量与制品孔径分布和平均孔径的关系

由图14和表4可以看出:制品E和G在小于20μm的气孔所占体积为65%,制品F在小于20μm的气孔所占体积为60%,制品H在小于20μm的气孔所占体积为68%,随着发泡剂的加入量的增加，制品中小于20卩m的气孔所占体积在逐渐增多，发泡剂的加入量增加后，泥浆中形成的气泡，体积逐渐增大，制品中大气孔增多。

2.2.2膨胀剂石英加入量对制品性能的影响

在上节的基础上，研究了石英加入量对制品物理性能的影响。石英加入量分别为0，5%，10%，15%。1300℃×3h下石英加入量对制品容重、显气孔率、耐压强度的影响见图15~图16。

图15石英加入量对制品容重显气孔率的影响

图16石英加入量对制品耐压强度的影响

图17 石英加入量对制品线变化的影响

由图15可见，加入石英后，制品的容重减小，随着石英加入量的增加，制品的容重和显气孔率变化不大。由图16可见，加入石英后，制品的耐压强度明显减小，可能是由于石英起到体积膨胀的作用，从而抵消部分黏土收缩，制品体积变大，结构疏松;制品的耐压强度随着石英加入量的增加有小幅上涨，可能是石英与氧化铝反应生成莫来石，增加了制品的强度。由图17可见，制品的线变化率随着石英加入量的增加而减小，石英在高温状态下发生晶型转变，起到了体积膨胀的作用。

小 结

(1)原料种类显著影响制品的容重和强度，珍珠岩的适宜加入量为15%,煤矸石的适宜加入量为20%。

(2)发泡剂对制品的容重利孔径分布有一定的影响，适宜的加入量为0.5%,用普通珍珠岩代替球状珍珠岩进行对比试验，制品容重减小，但强度降低，平均孔径减小。

(3)石英对制品的容重有一定的影响，起到减小收缩的作用。