添加浮選鎂砂顆粒和Al2O3細(xì)粉對方鎂石-尖晶石磚性能的影響

李燕京 孫加林 李 勇 康 劍 馬淑龍 馬 飛 高長賀 張積禮 張海波

1）北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 北京 100083

2）北京金隅通達(dá)耐火技術(shù)有限公司 北京 100041

3）鞏義通達(dá)中原耐火技術(shù)有限公司 河南鄭州 451200

方鎂石-尖晶石材料被廣泛應(yīng)用于水泥、玻璃、石灰和鋼鐵等行業(yè)［1-4］。由于高品位菱鎂礦資源日漸減少，采用低品位菱鎂礦浮選提純?nèi)諠u增多［5-8］。使用浮選菱鎂礦煅燒生產(chǎn)的鎂砂（以下稱為浮選鎂砂）具有純度高、密度高、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)［7-8］。但浮選鎂砂的硅含量低，會造成氧化鈣以游離形式存在，影響制品的抗熱震性和高溫強(qiáng)度等。

在本工作中，以燒結(jié)鎂砂、浮選鎂砂、電熔鎂鋁尖晶石和煅燒Al2O3細(xì)粉為主要原料制備方鎂石-尖晶石磚，主要研究了以浮選鎂砂顆粒替代普通燒結(jié)鎂砂顆粒以及在此基礎(chǔ)上添加不同量煅燒Al2O3細(xì)粉對方鎂石-尖晶石磚的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)用主要原料有：粒度≤3 mm的電熔鎂鋁尖晶石顆粒，粒度≤5 mm的燒結(jié)鎂砂顆粒，粒度≤0.088 mm的燒結(jié)鎂砂細(xì)粉，粒度≤5 mm的燒結(jié)浮選鎂砂顆粒，粒度≤0.074 mm的煅燒Al2O3細(xì)粉。以木質(zhì)素磺酸鈣為結(jié)合劑。主要原料的主要理化性能見表1。

表1 主要原料的主要理化性能Table 1 Main chemical composition and physical properties of main starting materials

1.2 試樣制備

按表2的試驗(yàn)配方配料。將燒結(jié)鎂砂細(xì)粉和煅燒Al2O3細(xì)粉混合均勻制成預(yù)混粉。將顆粒料加入強(qiáng)力混練機(jī)中混合1～3 min，再加入木質(zhì)素磺酸鈣結(jié)合劑混合3～5 min，然后加入預(yù)混粉混合10～15 min。采用1 000 t級雙螺旋壓力機(jī)，以1 000 t壓力，模壓成型為230 mm×114 mm×60 mm的磚坯，在110℃干燥24 h后，在箱式電阻爐中于1 650℃保溫4 h燒成。

表2 試驗(yàn)配方Table 2 Experimental formulations

1.3 性能檢測

按GB／T 2997—2015檢測燒后試樣的顯氣孔率和體積密度，按GB／T 5072—2008檢測燒后試樣的常溫耐壓強(qiáng)度，按GB／T 3002—2017檢測燒后試樣的1 450℃的高溫抗折強(qiáng)度；按GB／T 30873—2014的方法1檢測燒后試樣的抗熱震性。對燒后試樣進(jìn)行XRD和SEM分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 常溫性能

燒后試樣的顯氣孔率和體積密度見圖1?？梢钥闯?，從試樣M1到試樣M4，顯氣孔率逐漸減小，體積密度逐漸增大。分析認(rèn)為：浮選鎂砂的致密度大于燒結(jié)鎂砂的，導(dǎo)致試樣M2的致密度大于試樣M1的；引入的煅燒Al2O3細(xì)粉會與鎂砂反應(yīng)生成尖晶石并發(fā)生體積膨脹，會填充并擠壓部分氣孔，從而導(dǎo)致試樣致密度增大。

圖1 燒后試樣的顯氣孔率和體積密度Fig.1 Apparent porosity and bulk density of fired samples

燒后試樣的常溫耐壓強(qiáng)度見圖2?？梢钥闯?，從試樣M1到試樣M4，常溫耐壓強(qiáng)度逐漸減小。分析認(rèn)為：與試樣M1相比，試樣M2采用的浮選鎂砂的雜質(zhì)較少，燒成過程中產(chǎn)生的液相量較少，燒后試樣內(nèi)部的結(jié)合較差。可能因?yàn)榻Y(jié)合較差對試樣常溫強(qiáng)度的負(fù)向影響超過了致密度較高的正向影響，因此試樣M2的常溫耐壓強(qiáng)度比試樣M1的低。

圖2 燒后試樣的常溫耐壓強(qiáng)度Fig.2 Cold compressive strength of fired samples

試樣中兩個(gè)主要物相方鎂石和鎂鋁尖晶石的熱膨脹系數(shù)分別為13.5×10-6和8×10-6K-1，相差較大。當(dāng)試樣從燒成溫度冷卻至室溫后，必然因方鎂石和鎂鋁尖晶石的收縮率不同而出現(xiàn)微裂紋。煅燒Al2O3細(xì)粉添加量增多，原位尖晶石的生成量增多，這種微裂紋也隨之增多?？赡芤?yàn)槲⒘鸭y增多對常溫強(qiáng)度的負(fù)向影響超過了致密度增大的正向影響，因此燒后試樣M2、M3、M4的常溫強(qiáng)度逐漸降低。

2.2 高溫性能

燒后試樣的抗熱震性見圖3。試樣M1的為12次，試樣M2、M3和M4的均大于25次（25次后停止熱震試驗(yàn)）。

熱震25次后試樣M2、M3和M4的外觀照片見圖4?？梢钥闯?，隨著煅燒Al2O3細(xì)粉添加量從0增大到5%（w），熱震25次后試樣的外觀逐漸變得完整，表明試樣的抗熱震性逐漸提高。

圖4 熱震25次后試樣M2、M3和M4的外觀照片F(xiàn)ig.4 Appearance photos of samples M2，M3 and M4 after 25 cycles of thermal shock

燒后試樣在高溫抗折試驗(yàn)中得到的載荷-時(shí)間曲線見圖5，曲線的載荷峰值大致表征試樣的高溫強(qiáng)度，曲線與橫坐標(biāo)軸圍成的面積則表征試樣的高溫韌性。從圖5可以看出：從試樣M1到試樣M4，其高溫強(qiáng)度和高溫韌性均逐漸增大。

圖5 燒后試樣的載荷-時(shí)間曲線Fig.5 Load-time curves of fired samples

浮選鎂砂的雜質(zhì)含量較低，用其制備的試樣中玻璃相較少，這對試樣的抗熱震性、高溫強(qiáng)度和高溫韌性有利，因此試樣M2的抗熱震性、高溫強(qiáng)度和高溫韌性均比試樣M1的大。

如前所述，隨著煅燒Al2O3細(xì)粉添加量的增多，燒成冷卻后試樣中的微裂紋增多。由于微裂紋能夠阻礙熱震裂紋的擴(kuò)展，因此燒后試樣M2、M3、M4的抗熱震性、高溫強(qiáng)度和高溫韌性均逐漸提高。此外，原位尖晶石生成量的增多提高了試樣的直接結(jié)合程度，也對燒后試樣的抗熱震性、高溫強(qiáng)度和高溫韌性有利，進(jìn)一步促成它們按M2、M3、M4的順序增大。

2.3 物相組成和顯微結(jié)構(gòu)

燒后試樣M2、M3、M4的XRD圖譜見圖6。

圖6 燒后試樣M2、M3和M4的XRD圖譜Fig.6 XRD patterns of fired samples M2，M3 and M4

由圖6可以看出：各試樣均由方鎂石和尖晶石組成；隨著煅燒Al2O3細(xì)粉添加量的增加，尖晶石衍射峰增多增強(qiáng)。

燒后試樣M2、M3和M4基質(zhì)的SEM照片見圖7?？梢钥闯觯簭脑嚇覯2到試樣M4，基質(zhì)的氣孔逐漸減少，致密度逐漸增大。

圖7 燒后試樣M2、M3和M4的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM images of fired samples M2，M3 and M4

3 結(jié)論

（1）以浮選鎂砂顆粒替代普通燒結(jié)鎂砂顆粒制備的方鎂石-尖晶石磚，顯氣孔率和常溫耐壓強(qiáng)度降低，體積密度、抗熱震性、高溫強(qiáng)度和高溫韌性提高。

（2）在以浮選鎂砂顆粒替代普通燒結(jié)鎂砂顆粒制備的方鎂石-尖晶石磚中，隨著煅燒Al2O3細(xì)粉引入量的增多，顯氣孔率和常溫耐壓強(qiáng)度降低，體積密度、抗熱震性、高溫強(qiáng)度和高溫韌性提高。