高鋁磚膨脹的理論探討及工藝控制

孫華云，于樂海，李明晶

(山東工業職業學院，山東 淄博 256414)

用特級煅焦YNS-44、一級礬土熟料GAI-80和優質粘土制成GL-55高鋁高爐磚，在隧道窯三種熱工制度下分別進行燒制。熱工制度分別為1430 ℃×10 h、1365 ℃×8 h、1330 ℃×8 h，制品的尺寸膨脹率分別為2%～3.5%、1.0%～2%、0.5%～1%。由此可知：在1430 ℃×10 h的熱工制度下，燒成制品膨脹勢頭最大；1365 ℃×8 h下膨脹勢頭次之，這兩種情況，成品外形尺寸絕大多數超出YB/T 5015-1993標準規定的尺寸公差范圍。而在第三種熱工制度下，燒成膨脹勢頭減弱，膨脹率在0.5%～1%之間，雖然外形尺寸完全滿足標準的要求，但從成品的理化指標檢測來看，測得氣孔率絕大多數超出GL-55、YB/T 5015-1993要求的氣孔率指標，由此說明在此熱工制度下燒成，制品的燒結性存在很大的欠缺。用上述三種熱工制度燒制上述配方的GL-55高鋁高爐磚，均不能滿足外形尺寸和理化指標的要求。由此考慮重新調整配方，改變一級礬土熟料在骨料和細粉中加入量的比例，以適應熱工制度的要求，保證制品的外形尺寸和理化指標達到標準的要求。

1 試驗的構思與設計

1.1 膨脹的初步分析

根據Al2O3-SiO2二元系統相關圖可知，在莫來石A3S2的組成點上，Al2O3含量為71.8%，也就是說，Al2O3含量達到或接近此數值時，莫來石化的傾向會很大，而且二次莫來石化伴隨有10%的體積效應。根據配方，計算基質和骨料中Al2O3的含量：

A=(35%·M+10%·N)/45%=(0.35×83%+0.10×30.18%)/45%=71.2%

(1)

B=(10%·M+45%·P)/55%=(0.1×83%+0.45×45%)/55%=51.9%

(2)

其中 A——基質中Al2O3的含量，%；

B——骨料中Al2O3的含量 ，%；

M——一級礬土熟料中Al2O3的含量，%；

N——結合粘土Al2O3的含量，%；

P——特級煅焦Al2O3的含量，%。

由上述計算可知，基質中的Al2O3含量高達71.2%，接近莫來石A3S2的組成點，由于細粉的顆粒很小，顆粒的比表面積δ=3/R，隨半徑的減少而顯著的增大，因此比表面積越大，顆粒的活性越高。接觸面積越大，反應越完全。所以燒成過程中，二次莫來石反應主要集中在基質中進行，而二次莫來石化開始于1200 ℃，結束于1400～1500 ℃[1]。因此燒成溫度越高，則二次莫來石化在基質中進行地越徹底；溫度低，則進行得不夠完全，由于該反應存在10%的體積效應，在上述三種熱工制度燒成時，呈現出了不同的體積膨脹效應。

1.2 試驗設計

為了得到良好的外形尺寸，同時又能滿足制品的理化指標要求，調整原料進行試驗，旨在減少基質中Al2O3的含量，使之遠低于莫來石的組成點，均衡骨料和基質中的Al2O3含量，從而遏制該反應在基質中的大量發生。將部分礬土改用顆粒加入后，則骨料中Al2O3含量提高，基質中的Al2O3含量有所降低[2]。由于骨料的比表面積較小，活性差，很少與游離的SiO2參與反應，即使反應，也僅限于表面的薄層，不致于對膨脹構成顯著影響。同時考慮到GL-55高鋁高爐磚高溫性能的要求，在基質中又不能不加入部分一級礬土熟料，優化基質，穩定制品性能[3]。因此設計了以下四種配比進行試驗。

2 試驗的過程及檢測數據分析

2.1 原料

采用特級煅焦(YNS-44牌號)，山西陽泉一級礬土熟料(GAI-80牌號)和結合粘土。原料的理化指標檢測見表1。

表1 原料的理化指標檢測

2.2 泥料制備

根據各配比稱量后的料，按先加骨料，再加結合劑，后加細粉的順序加入濕碾中混練[4]。水分全部采用紙漿帶入，泥料有效混練時間8 min。

2.3 泥料的粒度分析

混好的泥料進行粒度分析，分析結果見表2。

表2 泥料的粒度組成及水分

2.4 成型

在300T的磨擦壓磚機上成型，控制打壓次數7次，控制濕坯的體積密度和氣孔率。

2.5 燒成

采用1.8 m×1.8 m的窯車裝車，裝于二層以上，在隧道窯內燒成，燒成的熱工制度為1360 ℃×8 h。成品尺寸變化率(平均值)見表3。

從表3中數據看出，1#、4#配方的變化基本一致，裝車受壓方向略呈收縮趨勢，2#配方因基質中加入一級礬土量小而呈明顯的收縮趨勢，3#配方因基質中一級礬土熟料的加入量偏高，而呈微膨脹勢頭。4個配方的變化率均比原生產配方要小得多，而且成品尺寸完全符合YB/T 5015-1993的要求。

2.6 成品理化指標檢測

取4個配方分別做指標檢測，成品理化指標檢測見表4，其中4-1試樣，體積密度低，成品氣孔率和耐壓不合格，可以通過調節生產工藝，提高濕坯體積密度來保證成品氣孔率和耐壓指標的要求[5]。除4-1試樣外，其余試樣的理化指標均達到YB/T 5015-1993的要求。

表4 成品理化指標檢測

3 分析與計算

3.1 理論分析

在制磚燒成過程中，由于發生二次莫來石化反應，導致制品膨脹，引起制品二次莫來石化反應有兩個方面的原因:其一，一級礬土(D-K型)在原料煅燒時，燒結不充分，制品燒成中還存在潛在的二次莫來石化反應；其二，結合粘土帶入的游離SiO2與礬土熟料中的假剛玉發生二次莫來石化反應，引起膨脹[6]。本試驗是在1360 ℃×8 h的熱工制度下燒成，而一級礬土熟料煅燒溫度高達1450 ℃以上。因此在一級礬土熟料內部未進行完全的二次莫來石化反應，在制磚燒成時，該反應不會再進行下去。因此結合粘土帶入的游離SiO2與礬土熟料中的假剛玉發生二次莫來石化反應是引起制品膨脹的主要原因。由此，若基質中加入過量的一級礬土熟料，則基質中進行大量的二次莫來石化，造成成品尺寸超標[7]。如果減少一級礬土熟料在基質中加入量，那么結合粘土中游離SiO2被不足量的礬土熟料中的剛玉相消化后，還有部分剩余，則這部分的游離SiO2將在礬土熟料顆粒表面發生二次莫來石化反應，造成顆粒局部膨脹，顆粒與顆粒互相攤開，加大了顆粒之間的空隙[8]，這部分空隙很難靠液相燒結來結合。基于這一點探討了在基質中加入多少礬土熟料才足以消化掉結合粘土帶入的游離SiO2，從而不致于在顆粒表面發生二次莫來石化反應。

3.2 理論計算

選用的結合粘土主要礦物成分為高嶺石(Al2O3·2SiO2·2H2O)，Al2O3的含量為30.18%，SiO2的含量為52.86%，在加熱過程中發生一系列的物理化學反應，當溫度升高到1200 ℃析出A3S2和游離SiO2[9]。由于SiO2過量，Al2O3不足，游離SiO2含量按如下步驟計算：

3 Al2O3·2 SiO2

3×102 2×60 X——表示SiO2的消耗量%

30.18% X

X=(2×60×30.18%)/(3×102)=11.84%

(3)

剩余的SiO2的含量：52.86%-11.84%=41.02%

(4)

根據王金相的研究，對于水鋁石-高嶺石(D-K型)的礬土料煅燒后物相含量計算如下：

莫來石含量M=343.8-3.76A=343.8-3.76×83.2=31.0%

(5)

剛玉含量C=3.6A-239=3.6×83.2-239=60.5%

(6)

玻璃相含量G=-4.21+0.1523A=-4.21+0.1523×83.2=8.5%

(7)

如果結合粘土按加入8%的話，其自身莫來石化后，剩余的SiO2游離在整個配料中的含量為:8%×41.02%×100%=3.28%，該部分游離的SiO2在基質中全部參與二次莫來石化所消耗的礬土熟料量用Y表示，則

3α- Al2O3+2SiO2→A3S2

3×102 2×60

60.5%Y 3.28%

Y=(3×102×3.28%)/(2×60×60.5%)=13.8%

(8)

所以在基質中加入13.8%的一級礬土熟料，足以把結合粘土中過剩的游離SiO2全部消耗掉，而不會在礬土熟料顆粒的表面發生二次莫來石化反應。

4 GL-55高鋁高爐磚的控制工藝

由以上試驗結果結合理論計算說明，選用優質原料，優化顆粒配比，改變一級礬土熟料在骨料和細粉中加入量的比例，嚴格控制工藝操作及工藝參數，可以生產出合格的GL-55高鋁高爐磚。

4.1 原料的選擇

煅燒質量良好的特級煅焦(YNS-44牌號)和一級礬土熟料(GAI-80牌號)，選用優質結合粘土。

4.2 生熟料配比的調整

減少結合粘土的加入量，增加熟料用量，減少二次莫來石化反應的進行量。

4.3 均衡骨料和基質中的Al2O3含量

減少基質中的Al2O3含量，增加骨料中的Al2O3含量，使基質中的Al2O3含量遠低于莫來石的組成點。但要保證基質的Al2O3含量略高于骨料中的Al2O3含量。

4.4 基質中一級礬土熟料加入量的確定

根據上述計算，在基質中加入13.8%的一級礬土熟料，其余礬土熟料采用顆粒加入，就可以保證結合粘土帶入的游離SiO2在基質中全部消化掉，而不致于在礬土顆粒表面進行反應，細粉不足可以用特級煅焦充作細粉來補充[10]。

4.5 成型

保證打壓次數不低于8次，控制濕坯體積密度，保證濕坯的外形質量。

4.6 燒成

采用1360 ℃±10℃×8 h的熱工制度，即可保證制品的良好燒結。

5 結論

采用特級煅焦(YNS-44)、一級礬土熟料(GAI-80)和優質結合粘土，優化顆粒配比，改變一級礬土熟料在骨料和細粉中加入量的比例，基質中加入13.8%的一級礬土熟料，其余礬土熟料采用顆粒加入，嚴格控制生產工藝參數，在1360 ℃(±10℃)×8 h的熱工制度下，生產的微膨脹GL-55高鋁高爐磚，其外形尺寸和理化指標良好，均滿足企業標準，目前此工藝已進行規模化大批量生產。