莫來石輕質骨料的制備及性能研究

劉鵬程 茆忠軍 遇 龍 趙嘉亮 謝志鵬

1）江蘇中磊節能科技發展有限公司 江蘇鹽城 224213

2）遼寧科技大學材料與冶金學院 遼寧鞍山 114051

3）清華大學新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室 北京 100084

莫來石輕質骨料具有熱導率高、熱膨脹系數小、高溫蠕變小、化學性質穩定等特性，常作為冶金連鑄中間包的永久層材料［1－3］。然而，莫來石輕質骨料在中間包使用過程中極易出現煅燒收縮現象，導致中間包內襯材料發生剝落［4］。

莫來石輕質骨料多以天然高鋁礬土、高嶺土、黏土、煤矸石等為主要原料制備［5－6］，也有以藍晶石為原料制備的。但藍晶石的莫來石化過程伴有16% ～18%的體積膨脹［7］，不利于材料綜合性能的提升［8－9］。因此，如何控制藍晶石的體積膨脹效應是制備性能優良莫來石輕質骨料的關鍵。硅溶膠作為一種常溫結合劑，目前已逐漸應用到耐火材料中［10－11］。硅溶膠中的納米SiO2具有較高的化學反應活性，具有促進燒結收縮的作用，從而可以部分抵消藍晶石莫來石化的膨脹效應。

基于此，在本工作中，以藍晶石細粉為主要原料，核桃殼粉為造孔劑，硅溶膠為結合劑，制備了莫來石輕質骨料，分別研究了煅燒溫度（1 300～1 600℃）和保溫時間（60～180 min）對莫來石輕質骨料的體積密度、顯氣孔率、燒后線變化率、物相組成和顯微結構的影響。

1 試驗

1.1 原料

采用d50＝60.4μm的藍晶石細粉為主要原料，粒度＜0.137 mm的核桃殼粉為造孔劑，其化學組成見表1；采用w（SiO2）＝30%、w（Na2O）≤0.06%、pH＝2.2～3.6、密度為1.19～1.21 g·cm－3、膠粒粒徑為10～20 nm的硅溶膠為結合劑，以固相含量為6%（w）的聚乙烯醇（PVA）作為造粒結合劑。

表1 原料的化學組成Table 1 Chemical composition of starting materials

1.2 試樣制備

各試樣的原料配比相同：藍晶石細粉和核桃殼粉的質量分數分別為70%和30%，每100 g藍晶石細粉和核桃殼粉混合料中加入10 g硅溶膠。按此配比配料后，在行星球磨機中以氧化鋯球為研磨介質（球料質量比為3∶1）混合2 h得到混合物料，在室溫條件下困料24 h后，在110℃真空干燥箱中干燥1 h。然后按每100 g混合物料加入1 g聚乙烯醇進行造粒。采用769YP－24單軸型粉末壓片機壓制成φ20 mm×5 mm的坯體，在110℃干燥箱中干燥24 h后，置于高溫爐中，分別在不同溫度（1 300、1 400、1 500、1 600℃）下保溫180 min以及在1 500℃分別保溫不同時間（60、120、180 min）進行煅燒（升溫速率均為5℃·min－1），最后隨爐冷卻。

1.3 檢測與表征

按GB／T 5988—2022檢測試樣的燒后線變化率，按GB／T 2998—2001檢測試樣的體積密度和顯氣孔率，按GB／T 3001—2007檢測試樣的常溫耐壓強度。

采用X’pert－MPD型X射線衍射儀分析試樣的物相組成；測試條件如下：輻射源Cu Kα射線，管電壓40 kV，管電流為100 mA，掃描范圍10°～90°，掃描速度為10°·min－1；所得衍射數據用HighScore Plus軟件進行分析處理，并采用HighScore軟件進行定量分析，計算各物相的相對含量。采用ΣIGMA型掃描電子顯微鏡觀察試樣的表面形貌。

2 結果與討論

2.1 煅燒溫度的影響

不同溫度保溫180 min燒后試樣體積密度和顯氣孔率與溫度的關系見圖1?？梢钥闯觯? 300和1 400℃煅燒試樣的體積密度和顯氣孔率差別不大，1 500和1 600℃煅燒試樣的體積密度和顯氣孔率差別也不大；但1 500 ℃煅燒試樣的體積密度比1 400℃煅燒試樣的顯著增大，1 500℃煅燒試樣的顯氣孔率比1 400℃煅燒試樣的顯著減小。分析認為，試樣在1 500℃保溫180 min已經完成該有的煅燒致密化。

圖1 不同溫度保溫180 min后試樣的顯氣孔率和體積密度與溫度的關系Fig.1 Apparent porosity and bulk density of specimens fired at different temperatures for 180 min

不同溫度保溫180 min試樣燒后線變化率與溫度的關系見圖2?？梢钥闯觯翰煌瑴囟葻笤嚇泳a生膨脹，但在1 500和1 600℃燒后試樣的線膨脹率比1 300和1 400℃燒后試樣的略小。分析認為：試樣煅燒后發生膨脹是因為藍晶石莫來石化帶來的膨脹效應超過了單純的煅燒收縮效應；當煅燒溫度達到1 500和1 600℃時，藍晶石的莫來石化變化不大，但單純的燒結收縮繼續增大，因此導致試樣的燒后線變化率減小。

圖2 不同溫度保溫180 min試樣的燒后線變化率與溫度的關系Fig.2 Linear change rate on heating of specimens fired at different temperatures for 180 min

不同溫度保溫180 min試樣的SEM照片見圖3?？梢钥闯觯红褵郎囟葹? 300℃時，莫來石晶粒呈短柱狀，長度為1～1.5μm；煅燒溫度為1 400℃時，莫來石晶粒仍然以短柱狀為主，無明顯的變化；煅燒溫度為1 500℃時，莫來石晶粒變大，分布也更均勻，形貌呈長柱狀，長度達4.5μm；煅燒溫度為1 600℃時，試樣的顯微結構沒有發生明顯變化，這進一步表明莫來石輕質骨料的適宜煅燒溫度為1 500℃。

圖3 不同溫度保溫180 min試樣的SEM照片Fig.3 SEM images of specimens fired at different temperatures for 180 min

在不同溫度保溫180 min燒后試樣的XRD圖譜見圖4，各物相含量見表2?？梢钥闯觯? 300℃煅燒所得試樣中含有莫來石（質量分數為46%）、藍晶石（質量分數為22%）、剛玉（質量分數為20%）和方石英（質量分數為12%）；1 400℃煅燒所得試樣中含有莫來石（質量分數為73%）、剛玉（質量分數為18%）、方石英（質量分數為6.4%）、藍晶石（質量分數為2.6%）；1 500和1 600℃煅燒所得試樣中莫來石、剛玉、藍晶石和方石英的物相含量基本保持穩定，且莫來石含量已達到85%（w）以上，藍晶石及方石英的含量在2%（w）左右。這也就表明1 500℃時莫來石化基本完成，重結晶燒結階段結束。因此，莫來石輕質骨料的最佳煅燒溫度是1 500℃。

圖4 不同溫度保溫180 min試樣的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of specimens fired at different temperatures for 180 min

表2 不同溫度保溫180 min試樣的物相相對含量Table 2 Relative phase contents of specimens fired at different temperatures for 180 min

2.2 保溫時間的影響

1 500℃保溫不同時間試樣的體積密度和顯氣孔率見圖5。

圖5 1 500℃保溫不同時間試樣的顯氣孔率和體積密度Fig.5 Apparent porosity and bulk density of specimens fired at 1 500℃for different holding times

由圖5可以看出：隨著保溫時間的延長，試樣的體積密度逐漸增大，顯氣孔率逐漸減小。這是因為延長保溫時間有助于試樣的致密化。

1 500℃保溫不同時間試樣燒后線變化率見圖6?？梢钥闯觯焊髟嚇拥臒缶€變化率幾乎相同。這表明，在1 500℃保溫60～180 min過程中，藍晶石莫來石化的體積膨脹與煅燒收縮是等量變化的。

圖6 1 500℃保溫不同時間試樣的燒后線變化率Fig.6 Linear change rate on heating of specimens fired at 1 500℃for different holding times

1 500℃保溫不同時間試樣的SEM照片見圖7?？梢钥闯觯焊髟嚇又械哪獊硎鶠殚L柱狀，長度均約為4.5μm。綜合考慮體積密度、顯氣孔率和燒后線變化率以及能源消耗后認為，本試驗中莫來石輕質骨料的最佳保溫時間為60 min。

圖7 1 500℃保溫不同時間試樣的SEM照片Fig.7 SEM images of specimens fired at 1 500℃for different holding times

1 500℃保溫不同時間試樣的XRD圖譜和各物相的相對含量見圖8?？梢钥闯觯焊髟嚇泳屑s85%（w）的莫來石和約15%（w）的剛玉，表明在1 500℃保溫60 min基本完成了莫來石化，這進一步證明本試驗中莫來石輕質骨料的最佳保溫時間為60 min。

圖8 1 500℃保溫不同時間試樣的XRD圖譜和各物相的相對含量Fig.8 XRD patterns and relative phase contents of specimens fired at 1 500℃for different holding times

3 結論

在本試驗中，制備莫來石輕質骨料的最佳煅燒條件為1 500℃保溫60 min。制備的莫來石輕質骨料的體積密度為1.18 g·cm－3，顯氣孔率為59.8%，燒后線膨脹率為2.58%，莫來石相含量為86%（w），莫來石晶粒為長柱狀。