高性能電熔莫來石磚的研制

呂建新 史亮

（江蘇省宜興非金屬化工機械廠有限公司，宜興214221）

0 前言

本文研究了一種電熔莫來石磚的研制方法，特別是一種主要用于二氧化鈦氯化器中，該氯化器是由二氧化鈦礦石（銳鈦型）生產純二氧化鈦的高溫流化床型反應堆專用磚，在該反應堆中礦石被破碎與其它配料混和，加氯反應生產氣相氯化物，然后分離純化。該流化床反應堆溫度高達1 200℃，加上潮濕的鹽酸，環境非常惡劣。因此要求較高的抗壓、抗折強度，重燒線收縮1 600℃×5h為0，這樣才能保證流化床反應堆在這種高溫、高腐蝕性的條件下運行較長時間。目前，二氧化鈦流化床反應堆氯化器專用磚主要由西德生產，市場價格昂貴，原磚 （80D）莫來石相僅為60%～70%（產品Al2O3含量 45.8%，SiO2含量50.5%），因此使用時不太理想，無法滿足客戶需求，因為磚的抗壓強度低，將導致反應堆在運行時磚體開裂、剝落等重燒線收縮無法保證為0時，在反應堆高溫時磚體將產生膨脹或收縮，導致整個反應堆開裂、崩塌。隨著產業技術的進步，對磚的性能提出了更高的要求。本文主要是在磚的耐酸性及耐高溫性方面克服了現有技術的缺點，提供一種具有成本低、體積密度高、耐火度高、耐酸度強、重燒線收縮低、熱震穩定性能優異，尤其是常溫抗折強度、抗壓強度等優于德國磚性能的耐酸、耐高溫磚。

研制的耐酸、耐高溫磚主要由莫來石相組成，含量大于80%（Al2O3含量64.5%，SiO2含量33.5%），并含少量的方石英相，具有較強的抗折、抗壓能力，重燒線收縮低的特點。

1 試驗過程

1.1 原料

試驗原料主要是由電熔莫來石、蘭晶石、粘土、改性添加劑組成，原料的理化性能見表1。

表1 原料的理化性能（%）

1.2 坯體配方組成見表2。

表2 坯體配方組成范圍(%)

1.3 工藝流程及工藝參數

（1）工藝流程圖：

（2）主要工藝參數：

磚坯水分3%~6%；干燥水分＜2%；體積密度＞2.8g/cm3；耐火度＞1 650℃；荷重軟化點 （0.6%）＞1 450℃；抗壓強度＞85MPa；常溫抗折強度＞17.5MPa；重燒線收縮(1 600 ℃×5h)為0；氣孔率＜15%；耐酸度＞99；抗熱震性（1 100℃~室溫）＞20次；燒成溫度1 580～1 620℃。

1.4 性能測試

用絡合滴定法分析了原料的化學成分；用煮沸法測試了產品的體積密度；用強度儀測試了產品的抗壓強度；用加熱法測試了產品的重燒線收縮；用煮沸法測試了產品的氣孔率；另測試了產品的耐酸度、抗熱震性、常溫抗折強度、荷重軟化點。其性能檢測結果比照德國磚見表3。

1.5 實驗內容

本產品要達到高強度、高體積密度、高耐酸度，采用高純電熔莫來石及合理的顆粒級配是關鍵。

本試驗主要采用東北產高純電熔莫來石，其指標見表4。（1）采用合理的電熔莫來石顆粒級配達到最致密化。

根據安德烈森（Andreasen）緊密堆積曲線，在連續的顆粒系列中最大顆粒半徑為Rmax，任意大小的顆粒半徑為R，則按下列方式：mR=（R÷Rmax）q，式中 q 為 1/2～1/3 時，該顆粒系中構成緊密堆積，式中mR是R以下的含有量，其曲線圖見圖1：

表3 研制的莫來石磚與德國磚性能檢測結果對比

表4 東北產高純電熔莫來石性能

圖1 安德烈森緊密堆積曲線

本試驗采用粗、中、細三種顆粒級配，主要以粗顆粒構成產品坯體的骨框架，中顆粒填充于粗顆粒間的空隙與大顆粒相切，細粉又填充于中顆粒和大顆粒構成的空隙中達到最佳堆積密度。

根據安德烈森緊密堆積曲線，本試驗設定最大顆粒平均粒徑為3 mm，最小顆粒為0.3 mm，中間顆粒為1 mm。對3個顆粒級配高純電熔莫來石采用干法攪料，外加劑5%、糊精5%，所利用10t壓機干法壓制成20mm×20mm×20 mm試塊在1 650℃×5h燒成，測試其體積密度及氣孔率見表5。

表5 不同配比的莫來石磚體積密度及氣孔率

以上實驗發現：粗顆粒減少，體積密度下降，隨著細顆粒增加，氣孔率下降，如果以中間顆粒增加以替代粗顆粒，體積密度與氣孔率均達不到理想狀態，因此增加細顆粒比例、減少中間顆粒能增加產品的體積密度及降低氣孔率，同樣在保證有足夠的細顆粒情況下增加粗顆粒，也能提高產品的體積密度、降低氣孔率，但如果無中間顆粒將會產生產品龜裂及制作困難等弊病，因此需適量的中間顆粒。我們從2#、6#電鏡對比中會看到，2#比6#致密，氣孔少（見圖2）。

圖2 2#與6#電鏡測試圖

（2）重燒線收縮實驗

本產品對重燒線收縮（1 600℃×5h）要求為0，為此通過加入合理比例的藍晶石來調整重燒線收縮。加入藍晶石主要是利用藍晶石受熱膨脹的顯著特點，作為高溫膨脹劑以抵消其他礦物原料在高溫下的體積收縮，添加適當能保證產品在1 600℃×5h重燒線收縮為0。

本試驗采用河南省銅柏山產藍晶石，藍晶石含量＞80%，化學組成見表6。

表6 河南省銅柏山產藍晶石化學組成（%）

該純單一組分用10t壓機制成20mm×20mm×100mm試塊進行燒成試驗，測得膨脹線率見表7。

表7 試塊膨脹線率(%)

本試驗以2#配比為基本配方，以外加形式加入利用10t壓機制成20mm×20mm×100 mm試條，在1 650℃×5h燒結，再測試其1 650℃×5h重燒線收縮見表8。

表8 2#配比經1 650℃×5h重燒線收縮(%)

表9 精確比例重燒線收縮結果（%）

2 結果與討論

（1）配方設計是本耐酸、耐高溫磚的關鍵，本耐酸、耐高溫磚莫來石含量大于80%（Al2O3含量64.5%，SiO2含量33.5%），本磚主要由莫來石相組成，含少量的方石英相，因此有較強的抗折、抗壓能力，采用藍晶石能降低產品的重燒線收縮率，原料的顆粒級配對產品的體積密度及氣孔率至關重要。

（2）經過本磚與德國磚的性能檢測結果可以看出，本磚的體積密度增加1.4倍，耐火度增加3.1%，常溫抗壓強度增加11%，耐熱震性增加2.5倍。本莫來石磚的性能大大優于德國產80D磚的性能。

3 結論

研發產品具有體積密度高、耐火度高、常溫耐壓和抗折強度高、重燒線變化率低、熱震穩定性能優異的優點。電熔莫來石磚的制備方法具有工藝簡單、成本低廉、可操作性強的優點。

［1］素木洋一.硅酸鹽手冊［M］.北京：輕工業出版社.

［2］曲木蘭.耐火材料工藝學［M］.北京：江蘇出版社.

［3］欽征騎.新型陶瓷材料手冊［M］.北京：江蘇科學技術出版社.