藍晶石對礬土基低水泥耐火澆注料的性能影響

摘 要 本文簡要介紹了藍晶石的結構、性能及應用范圍，并結合試驗，研究了藍晶石加入量對礬土基耐火澆注料的體積密度、顯氣孔率、抗折強度和線變化等性能的影響。

關鍵詞 藍晶石，澆注料，力學性能，線變化

1前 言

藍晶石的成分為Al2[SiO4]O，與紅柱石、硅線石成同質多象。它主要形成于中級變質作用壓力較高的條件下，主要產于區域變質結晶片巖中，其變質相由綠片巖相到角閃巖相[1]，與石榴石、十字石、云母和石英共生。藍晶石具有高溫膨脹性、較高的耐火度，是用作不定形耐火材料的極好原料。目前國內已有藍晶石礦20余處，在耐火材料行業發揮著不容忽視的作用。

2藍晶石的結構、性能及應用

2.1 藍晶石的結構

藍晶石為島狀鋁硅酸鹽，屬三斜晶系，沿C軸呈扁平長柱狀，有時晶體的末端膨大呈帽狀，晶面具有條紋。Winter、Ghose等對25℃、400℃、600℃時藍晶石的晶體結構進行了研究，發現Al和Si分屬八面體和四面體結構[2]。Al八面體邊緣呈之字形且與C軸或[001]面平行，比起紅柱石和硅線石，藍晶石中的Al八面體結構排列更加有序。

藍晶石存在三種形態：(1)針狀和纖維狀集合體；(2)富含藍晶石的假象藍晶石集合體；(3)藍晶石結合礦。

2.2 藍晶石的性能

藍晶石多為藍色或藍灰色、淺白色等，具有玻璃光澤。物理性質見表1。

藍晶石化學組成為標準莫來石相，結構穩定，一般粘土質耐火材料的耐火度為1670～1770℃，而含藍晶石的耐火材料其耐火度通常大于1790℃，最高大于1850℃。藍晶石礦物在加熱過程中轉化為針狀網絡的莫來石和SiO₂的混合物，這是一個不可逆的轉化，在這個轉化過程中，礦物伴隨著體積膨脹，并且形成良好的莫來石針狀網絡，體積膨脹率為16～18%。反應式如下：

3(Al2SiO5)→Al6Si2O13+SiO₂

從圖1可以看出，藍晶石加熱至1000℃無變化，在 1300℃以上逐漸轉變。當溫度在1100～1300℃時，試樣體積膨脹不大，藍晶石分解緩慢，莫來石化不完全，晶體微小。當溫度達到1300～1450℃時，藍晶石快速分解，莫來石化漸趨完全，體積膨脹很大，約在1450℃時，藍晶石的膨脹曲線達到最大。當溫度超過1450℃時，藍晶石已完全分解，莫來石化完成，晶體開始發育，物料基本不再膨脹，甚至產生收縮。藍晶石的膨脹性不僅與顆粒有關，同時也與純度有關，純度越高，膨脹也就越大，并隨Al2O3含量增高，線膨脹增大。

此外，藍晶石還耐酸堿、耐腐蝕，抗沖擊力強，熱態強度高，電絕緣性能也較好。

2.3 藍晶石的主要用途

由于藍晶石具有以上優異的性能，被廣泛應用于各個領域。

(1) 利用藍晶石高溫一次永久性膨脹特性，直接加入不定形耐火材料(如澆注料、可塑料、膠泥)中作高溫膨脹劑，從而提高制品的性能，消除材料在高溫和冷卻過程中產生的收縮裂紋、剝落以及影響使用壽命等弱點，從而延長爐襯壽命。

(2) 用藍晶石高鋁礦物生產的鋁酸鹽纖維，可用于制作汽車、宇宙飛船和雷達的零部件。

(3) 用藍晶石煅燒形成的莫來石制作高級耐火材料，可用于高溫爐并使其爐齡延長5～6年，節約能源。

(4) 在高鋁水泥中加入藍晶石制成藍晶石水泥，耐火溫度高達l650℃，可應用于軍工建筑。

3試 驗

3.1 試驗原料

試驗用主要原料為高鋁礬土熟料（骨料：臨界粒度為5mm；粉料：＜0.088mm）、SiO₂、微粉、Al2O3微粉、鋁酸鹽水泥（CA-70）和藍晶石粉，其主要成分見表2。分散劑采用含三聚磷酸鈉（STP）、高效減水劑（FDN）和木質素磺酸鈣（木鈣，相對分子量為2000～100000）的復合外加劑。

3.2 試驗過程

試驗所用骨料為高鋁礬土熟料顆粒，粉料由礬土熟料細粉、SiO₂微粉、α-Al2O3微粉、藍晶石和水泥組成。骨料與粉料的質量比為70：30。復合外加劑和水采用外加方式。按照試驗方案向料中加入不同量的微粉，在攪拌機內干混30s，并在30s內勻速加入一定量的水，攪拌2min。將拌好的澆注料裝入40mm×40mm×160mm的試模，自然養護24h后脫模。試樣在烘干（110℃，24h）和熱處理后（ 1100℃，3h、1450℃，3h），分別按國標測量試樣的體積密度、顯氣孔率、冷態抗折強度和線變化。

4結果與討論

從圖2、3可以看出，隨著藍晶石的加入，澆注料在各個溫度的體積密度均有所增加，顯氣孔率大致都呈先增加后降低再增加的趨勢，但變化幅度都不是很大，體積密度和顯氣孔率基本上不會由于藍晶石的引入而有很大的改變。

由圖4可以看出，藍晶石加入量對干燥后和1100℃熱處理后試樣的抗折強度影響不大，但經1450℃熱處理后試樣的抗折強度明顯提高，加入2%的藍晶石，其抗折強度可提高26.5%左右。這是因為低于1100℃時，藍晶石分解反應還未發生，而經1450℃熱處理后，網絡狀莫來石形成，加之原料中少量堿性物質引入而促進了液相燒結，使試樣的抗折強度大大提高[3，4]。但由于藍晶石的增加，其分解反應產生的膨脹也增加，會對試樣的抗折強度產生不利影響，使強度的增加受到了限制，所以加入4%、6%的藍晶石的抗折強度增加并不明顯。

從圖5可以看出，1100℃時，藍晶石的加入量基本不影響試樣的線變化，但經1450℃熱處理后，隨著藍晶石加入量的增加，試樣的線變化逐漸由收縮變為膨脹。這是由于藍晶石分解反應的發生導致產生了體積膨脹而造成的。

5結 語

藍晶石作為耐火澆注料的膨脹劑，在補償澆注料燒結時體積收縮的同時也改善了澆注料的其它性能。從上述試驗結果可知：（1）藍晶石的加入對澆注料的體積密度和顯氣孔率影響不大；（2）加入適量的藍晶石可以明顯改善澆注料的力學性能；（3）藍晶石的加入可以提高澆注料的體積穩定性。

參考文獻

1 王錫林，王蘇新.藍晶石特性的探討[J].佛山陶瓷.2005，5:31～33

2 Musa Karakus，Robert Moore.Structure，Properties and Behavior of Kyanite: Use in Refractory Monolithics[J].China's Refractories，2003，12(3):3～6

3 張 玲，竇叔菊.藍晶石對低水泥澆注料性能的影響[J].鞍山鋼鐵學院學報，2001，24(2):115～117

4 宋繼芳，李君文.高溫燒結條件下藍晶石的莫來石化[J].礦產綜合利用，2003，5:27～30