高性能电熔莫来石砖的研制

吕建新 史亮

（江苏省宜兴非金属化工机械厂有限公司，宜兴214221）

0 前言

本文研究了一种电熔莫来石砖的研制方法，特别是一种主要用于二氧化钛氯化器中，该氯化器是由二氧化钛矿石（锐钛型）生产纯二氧化钛的高温流化床型反应堆专用砖，在该反应堆中矿石被破碎与其它配料混和，加氯反应生产气相氯化物，然后分离纯化。该流化床反应堆温度高达1 200℃，加上潮湿的盐酸，环境非常恶劣。因此要求较高的抗压、抗折强度，重烧线收缩1 600℃×5h为0，这样才能保证流化床反应堆在这种高温、高腐蚀性的条件下运行较长时间。目前，二氧化钛流化床反应堆氯化器专用砖主要由西德生产，市场价格昂贵，原砖 （80D）莫来石相仅为60%～70%（产品Al2O3含量 45.8%，SiO2含量50.5%），因此使用时不太理想，无法满足客户需求，因为砖的抗压强度低，将导致反应堆在运行时砖体开裂、剥落等重烧线收缩无法保证为0时，在反应堆高温时砖体将产生膨胀或收缩，导致整个反应堆开裂、崩塌。随着产业技术的进步，对砖的性能提出了更高的要求。本文主要是在砖的耐酸性及耐高温性方面克服了现有技术的缺点，提供一种具有成本低、体积密度高、耐火度高、耐酸度强、重烧线收缩低、热震稳定性能优异，尤其是常温抗折强度、抗压强度等优于德国砖性能的耐酸、耐高温砖。

研制的耐酸、耐高温砖主要由莫来石相组成，含量大于80%（Al2O3含量64.5%，SiO2含量33.5%），并含少量的方石英相，具有较强的抗折、抗压能力，重烧线收缩低的特点。

1 试验过程

1.1 原料

试验原料主要是由电熔莫来石、兰晶石、粘土、改性添加剂组成，原料的理化性能见表1。

表1 原料的理化性能（%）

1.2 坯体配方组成见表2。

表2 坯体配方组成范围(%)

1.3 工艺流程及工艺参数

（1）工艺流程图：

（2）主要工艺参数：

砖坯水分3%~6%；干燥水分＜2%；体积密度＞2.8g/cm3；耐火度＞1 650℃；荷重软化点 （0.6%）＞1 450℃；抗压强度＞85MPa；常温抗折强度＞17.5MPa；重烧线收缩(1 600 ℃×5h)为0；气孔率＜15%；耐酸度＞99；抗热震性（1 100℃~室温）＞20次；烧成温度1 580～1 620℃。

1.4 性能测试

用络合滴定法分析了原料的化学成分；用煮沸法测试了产品的体积密度；用强度仪测试了产品的抗压强度；用加热法测试了产品的重烧线收缩；用煮沸法测试了产品的气孔率；另测试了产品的耐酸度、抗热震性、常温抗折强度、荷重软化点。其性能检测结果比照德国砖见表3。

1.5 实验内容

本产品要达到高强度、高体积密度、高耐酸度，采用高纯电熔莫来石及合理的颗粒级配是关键。

本试验主要采用东北产高纯电熔莫来石，其指标见表4。（1）采用合理的电熔莫来石颗粒级配达到最致密化。

根据安德烈森（Andreasen）紧密堆积曲线，在连续的颗粒系列中最大颗粒半径为Rmax，任意大小的颗粒半径为R，则按下列方式：mR=（R÷Rmax）q，式中 q 为 1/2～1/3 时，该颗粒系中构成紧密堆积，式中mR是R以下的含有量，其曲线图见图1：

表3 研制的莫来石砖与德国砖性能检测结果对比

表4 东北产高纯电熔莫来石性能

图1 安德烈森紧密堆积曲线

本试验采用粗、中、细三种颗粒级配，主要以粗颗粒构成产品坯体的骨框架，中颗粒填充于粗颗粒间的空隙与大颗粒相切，细粉又填充于中颗粒和大颗粒构成的空隙中达到最佳堆积密度。

根据安德烈森紧密堆积曲线，本试验设定最大颗粒平均粒径为3 mm，最小颗粒为0.3 mm，中间颗粒为1 mm。对3个颗粒级配高纯电熔莫来石采用干法搅料，外加剂5%、糊精5%，所利用10t压机干法压制成20mm×20mm×20 mm试块在1 650℃×5h烧成，测试其体积密度及气孔率见表5。

表5 不同配比的莫来石砖体积密度及气孔率

以上实验发现：粗颗粒减少，体积密度下降，随着细颗粒增加，气孔率下降，如果以中间颗粒增加以替代粗颗粒，体积密度与气孔率均达不到理想状态，因此增加细颗粒比例、减少中间颗粒能增加产品的体积密度及降低气孔率，同样在保证有足够的细颗粒情况下增加粗颗粒，也能提高产品的体积密度、降低气孔率，但如果无中间颗粒将会产生产品龟裂及制作困难等弊病，因此需适量的中间颗粒。我们从2#、6#电镜对比中会看到，2#比6#致密，气孔少（见图2）。

图2 2#与6#电镜测试图

（2）重烧线收缩实验

本产品对重烧线收缩（1 600℃×5h）要求为0，为此通过加入合理比例的蓝晶石来调整重烧线收缩。加入蓝晶石主要是利用蓝晶石受热膨胀的显著特点，作为高温膨胀剂以抵消其他矿物原料在高温下的体积收缩，添加适当能保证产品在1 600℃×5h重烧线收缩为0。

本试验采用河南省铜柏山产蓝晶石，蓝晶石含量＞80%，化学组成见表6。

表6 河南省铜柏山产蓝晶石化学组成（%）

该纯单一组分用10t压机制成20mm×20mm×100mm试块进行烧成试验，测得膨胀线率见表7。

表7 试块膨胀线率(%)

本试验以2#配比为基本配方，以外加形式加入利用10t压机制成20mm×20mm×100 mm试条，在1 650℃×5h烧结，再测试其1 650℃×5h重烧线收缩见表8。

表8 2#配比经1 650℃×5h重烧线收缩(%)

表9 精确比例重烧线收缩结果（%）

2 结果与讨论

（1）配方设计是本耐酸、耐高温砖的关键，本耐酸、耐高温砖莫来石含量大于80%（Al2O3含量64.5%，SiO2含量33.5%），本砖主要由莫来石相组成，含少量的方石英相，因此有较强的抗折、抗压能力，采用蓝晶石能降低产品的重烧线收缩率，原料的颗粒级配对产品的体积密度及气孔率至关重要。

（2）经过本砖与德国砖的性能检测结果可以看出，本砖的体积密度增加1.4倍，耐火度增加3.1%，常温抗压强度增加11%，耐热震性增加2.5倍。本莫来石砖的性能大大优于德国产80D砖的性能。

3 结论

研发产品具有体积密度高、耐火度高、常温耐压和抗折强度高、重烧线变化率低、热震稳定性能优异的优点。电熔莫来石砖的制备方法具有工艺简单、成本低廉、可操作性强的优点。

［1］素木洋一.硅酸盐手册［M］.北京：轻工业出版社.

［2］曲木兰.耐火材料工艺学［M］.北京：江苏出版社.

［3］钦征骑.新型陶瓷材料手册［M］.北京：江苏科学技术出版社.