高热震稳定性隔热制品氧化铝空心球砖的研制与应用

 　 　 　 氧化铝空心球砖是以工业氧化铝为原料经电弧炉高温烙融、熔体经压缩空气喷吹而制得的一种空心球状物，经模压成型而成。以氧化铝空心球及氧化铝细粉为原料制成的高纯氧化铝空心球砖具有优良的隔热保温性能及耐高温性能，使用温度可高达1800℃，氧化铝空心球砖广泛用于不直接接触高温熔体的高温窑炉的工作衬，也可以用于高温窑炉的保温层材料。但是，氧化铝空心球砖中由于骨料及基质矿相组成均为刚玉相，热膨胀率较大，导致该产品的热震稳定性极差，大大影响了氧化铝空心球砖的使用寿命，特别是在温度波动较大的环境中使用易发生开裂、剥落，使用寿命短，很难满足高温或超高温间歇式窑炉的使用要求。因此，我们研究开发了使用在1700摄氏度以下的莫来石结合氧化铝空心球砖和使用于1800℃的高热稳定性氧化铝空心球砖，以满足不同使用条件高温窑炉的需求，这符合国家节能减排政策，也利于低碳经济的发展方向。

　 　 　 低温型（1700摄氏度）高热震稳定性隔热制品氧化铝空心球砖的试制

　 　 　 普通的高纯氧化铝空心球砖由于氧化铝空心球骨料颗粒呈球面，颗粒之间点结合，不能形成网络交错，相互镶嵌的高强结构，颗粒之间的结合力较差，再加上普通氧化铝心球砖的基质相是刚玉，导致该产品的热震稳定性极差，大大影响了氧化铝空心球砖的使用寿命。通过研究及对进口氧化铝空心球砖分析，认为在氧化铝空心球砖中引入膨胀系数较小的第二相莫来石相可以有效地改善制品的热震稳定性，在基质中引入氧化硅、三石、粘土等微粉来替代部分烧结氧化铝微粉，使得基质内莫来石化，莫来石结合相的引入能大大提高了氧化铝空心球砖的热震稳定性，但随杂引入也降低了其最高使用温度。

　 　 　 原料对氧化铝空心球砖的高温使用性能影响很大，因此原料选择上采用高纯原料，尽量减少氧化铁，二氧化钛等含量，莫来石化试验是选用含硅矿物细粉、氧化铝细粉和适量矿化剂共混，加入纸浆作结合剂，氧化铝空心球砖试制以氧化铝空心球为骨料，含硅矿物和氧化铝细粉的混合粉为基质，加入适量结合剂混练，经睏料后，在加压振动成型机上成型230mmx114mmx65mm标型氧化铝空心球砖。成型的砖坯经干燥后在高温梭式窑内进行烧成。

　 　 　 试验结果可以反映出，配料中含硅矿物增加增加时，氧化锆空心球砖中莫来石含量相应增加，随着氧化铝空心球砖的热震稳定性迅速提高，但莫来石含量增加到27%以上时，氧化铝空心球砖的热震稳定性不再增加，反而下降。由SEM显微结构可以看出，3#、4#的基质部分结构较相似，为多孔网络结构，氧化铝空心球砖的主晶相为发育良好的柱状莫来石晶体，柱状莫来石晶体构成了连续的网络骨架，氧化铝空心球砖少量的玻璃相填充于柱状莫来石晶体之间，基质中残余微量的刚玉相，基质烧结良好，氧化铝空心球砖中基质莫来石网络骨架中包含的气孔多呈封闭形状，气孔直径为20um以下，与板状刚玉颗粒中气孔结构相似可以缓解热应力，对提高热震稳定性有非常好的效果。

　 　 　 含硅的矿物加入较少时，对氧化铝空心球砖的抗热震稳定性改善不大，当加入量较大时，空心球基质中莫来石为主晶相，刚玉晶体很少，莫来石晶体发育良好，呈柱状形态。柱状莫来石晶体构成连续的网络结构，气孔成孤立状态，氧化铝空心球砖的抗热震稳定性大幅度提高。当含硅矿物加入量继续增加时，基质中莫来石晶体虽然发育较好，但可能由于基质过烧在基质与空心球颗粒之间产生大的贯穿裂纹，使氧化铝空心球砖强度降低，热震稳定性也随之下降。因此，氧化铝空心球砖中加入适量的合适种类的含硅矿物可显著提高其热震稳定性。

　 　 　 高温型（1800摄氏度）高热震稳定性隔热制品氧化铝空心球砖的试制

　 　 　 采用3～0.2mm的氧化铝空心球及镁氧化铝空心球为骨料，以烧结氧化铝微粉和含氧化镁的添加物为基质，先将骨料混合均匀后，再加入结合剂及预先混合好的微粉进行混练，泥料经睏置后在加压振动成型机上用木模成型尺寸为230mm*114mm*65mm标型氧化铝空心球砖。成型后的氧化铝空心球砖坯自然放置12小时后进入干燥道进行干燥，干燥后的砖坯在高温梭式窑内烧成。普通高纯氧化铝空心球砖隔热材料的基质部分主要组成为刚玉，刚玉的热膨胀系数较大，这是导致氧化铝空心球砖热震稳定性差的主要原因之一。通过引入热膨胀系数较小的第二相来构成复合材料，利用两者之间膨胀系数失配造成的微裂纹，改善耐火材料抗热冲击性能，从而有效地提高氧化铝空心球砖的抗热震性。普通高温氧化铝空心球砖的基质部分组成为烧结氧化铝，而烧结氧化铝的平均线膨胀系数较大，从面导致该氧化铝空心球砖热震稳定性差。通过在基质中引入适量的氧化镁，使氧化铝空心球砖在烧成过程中原位反应生成平均线膨胀系数较小的第二相——镁铝尖晶石来构成复合材料，由于镁铝尖晶石的线膨胀系数小氧化铝的线膨胀系数，两者之间的膨胀系数失配会造成微裂纹，可有效地缓冲吸收温度波动产生的热应力，从而提高氧化铝空心球砖的抗热震性。

　 　 　当氧化镁的含量超过一定数量时，氧化镁的氧化铝之间的膨胀反应过快，氧化铝空心球砖结构的疏松对材料强度的直接破坏作用大于抗震热时的贡献作用，此时反而起到负面作用。因此，在氧化铝空心球砖的基质部分中加入适量的氧化镁成份，形成一定量的镁铝尖晶石相，提高了氧化铝空心球砖的抗热震性。

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