摘 要：对矾土熟料和矾土均化料两种耐火原料的理化性能进行了比较, 研究以其为骨料制备的水泥窑用高铝浇注料的性能。结果表明:经过均化提纯工艺制备的矾土均化料较矾土熟料理化性能均一稳定, 并基本上克服了后者不同粒度间化学组成差异的问题;与矾土熟料相比, 以矾土均化料为骨料制备高铝浇注料具有更好的性能, 可以满足更高一级水泥窑用高铝浇注料指标的要求。
我国高铝矾土资源储量丰富, 但由于近年来的无序开采, 高品位的矾土原料储量急剧下滑, 并且总体利用率低, 利用技术水平有限。近几年, 部分企业着手进行以中低品位高铝矾土为主要原料制备优质耐火材料, 从而提高资源利用率的工作。其中, 采用均化提纯工艺制备矾土均化料就是一条切实可行之路[1]。在本工作中, 研究了相同品级的高铝矾土熟料及采用均化提纯合成工艺制备的矾土均化料的理化性能, 并借助一基础配方分别比较了以两者作为骨料所制备的高铝浇注料的性能, 为两种矾土原料的工业化应用提供依据。
实验 1.1 两种矾土原料的性能测定
试验所用矾土熟料和矾土均化料为两厂家同一批次的块状样品。其理化性能研究过程如下:1) 在破碎、分级前, 分别抽取两种矾土基耐火原料有代表性的块料 (同一批次中) 各5块, 按照GB/T 6900—2006测其SiO2、Al2O3和Fe2O3含量, 按照GB/T 2999—2002测其体积密度和显气孔率;2) 将两种矾土块料破碎、分级后, 分别按8～5、5～3、3～1和≤1 mm的粒度取样, 取样方法参照GB/T 17617—1998, 然后按照GB/T 6900—2006检测不同粒度的两种原料的化学组成。
1.2 两种矾土原料在高铝浇注料中的应用
分别以两种矾土原料作骨料 (8～5、5～3、3～1和≤1 mm) , 以特级矾土粉、SiO2微粉、焦宝石微粉和高铝水泥为基质料 (其主要化学组成如表1所示) , 按照表2所示水泥窑用高铝浇注料的基础配方分别制成两种高铝浇注料。将原料称好后加入适量水搅拌均匀, 振动浇注成型为40 mm×40 mm×160 mm和100 mm×100 mm×30 mm的试样, 室温下自然养护24 h后脱模, 恒温、恒湿养护24 h后, 于110 ℃烘干24 h。然后, 一部分按YB/T 5200—1993测体积密度和显气孔率, 按GB/T 3001—2007测常温抗折强度, 按GB/T 5072—2008测常温耐压强度;另一部分经1 200 ℃热处理3 h后按上述标准检测体积密度、显气孔率、常温耐压及抗折强度, 同时按GB/T 5988—2007测加热永久线变化, 按GB/T 3002—2004测1 200 ℃下的热态抗折强度, 按GB/T 18301—2001测常温耐磨性。
结果与讨论 2.1 两种矾土原料的性能
破碎分级前所抽取的两种矾土块料样品的理化指标见表3。由表3可见, 从各自抽取的5个样品来看, 无论是Al2O3含量还是Fe2O3含量, 矾土熟料的波动均远远高于矾土均化料, 在极差方面, 前者是后者的7倍以上, 同时后者Fe2O3杂质的含量也显著降低。这表明, 矾土熟料由于在烧成之前没有经过严格拣选, 各块之间成分波动不可避免, 甚至差异很大;而经过均化处理工艺后, 可以将成分差异较大的矾土块料均质化, 明显改善矾土熟料化学组成的波动问题, 将化学组成波动控制在一个合理的范围之内, 同时, 由于均化过程中部分杂质也可以有效去除, 从而在一定程度上降低原料杂质含量, 提升原料品质。
表3 抽取块状样品的理化指标
从表3中亦可见, 矾土熟料各样品间的体积密度和显气孔率差异也比较大, 而矾土均化料样品间的差异基本可以忽略。这是因为, 矾土熟料化学组成波动大, 而各种混级的原料一起烧成时, 势必会造成烧结温度较低的能够完好烧成, 烧结温度较高的出现欠烧或过烧的现象, 从而导致了显气孔率波动较大;而矾土均化料在烧成之前经过了多级均化, 化学组成比较稳定, 如果工艺控制严格, 在合适的烧成制度下显然是可以避免体积密度和显气孔率的波动问题, 实现产品性能的均一稳定。
两种矾土原料破碎后不同粒度颗粒的化学组成如表4所示。由表4可见, 不同颗粒的两种原料中均表现出了随着粒度的减小, Al2O3含量逐渐降低, SiO2、Fe2O3含量逐渐增加的趋势, 而且矾土熟料块料的变化趋势较矾土均化料更加明显, 尤其是≤1 mm的有较大变化。分析表明, 矾土熟料和矾土均化料均为块状烧成, 前者未经均化, 成分富集现象比较明显, 尤其是杂质富集, 导致在烧成过程中出现液相富集, 在破碎时由于液相形成的玻璃相强度较低而形成了粒度较小的颗粒, 因此在≤1 mm的颗粒中Al2O3含量普遍较低, 而SiO2、Fe2O3等杂质含量普遍较高;后者因为经过均化提纯工艺处理, 烧结效果较好, 加之液相被有效分散, 因此, 各粒度颗粒间的化学成分差异在一定程度上被消除。
表4 两种矾土原料不同粒度颗粒的化学组成
通过比较两种矾土原料的物理化学性能可见, 经过均化提纯处理的矾土均化料, 无论其块料还是各粒级的颗粒, 均较矾土熟料表现出良好的均一稳定性。
2.2 两种矾土原料所制浇注料的性能
分别以两种矾土为骨料制备的高铝浇注料的性能指标见表5。从表5可以看出, 在相同基质条件下, 以矾土均化料为骨料的试样G性能均优于以矾土熟料为骨料的试样B, 这可能是由于矾土均化料的性能均一, 消除了矾土熟料因杂质富集所形成的“短板效应”。值得注意的是, 试样G的高温强度和常温耐磨性也均比试样B的高, 这与矾土均化料骨料中矿相主要为发育良好的莫来石相和刚玉相, 且宏观上更为致密, 基质的结合性更好有关。可见, 这两种浇注料均可满足水泥窑用高铝浇注料指标的要求, 而前者还可以作为更高级别的产品应用。
表5 以两种矾土为骨料制备的高铝浇注料的性能
结论
在理化性能方面, 无论是块料还是各粒度颗粒料, 经均化提纯工艺制备的矾土均化料都较矾土熟料均一、稳定;而且以矾土均化料为骨料制备的高铝浇注料较以矾土熟料为骨料的性能指标更好, 尤其是在高温力学性能和耐磨性方面, 可作为更高一级别的耐火材料应用。
