工艺参数对镁铝尖晶石保温材料物相与性能的影响

张　欣，李沅铮，周剑林

(湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室，湘潭　411201)



工艺参数对镁铝尖晶石保温材料物相与性能的影响

张欣，李沅铮，周剑林

(湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室，湘潭411201)

以α-Al2O3微粉、电熔镁砂和ρ-Al2O3为原料，采用泡沫胶凝法制备了体积密度0.9～1.1 g/cm3镁铝尖晶石保温材料，考察了ρ-Al2O3、电熔镁砂加入量、烧成温度和保温时间对镁铝尖晶石保温材料物相与性能的影响。研究结果表明，随着ρ-Al2O3加入量增加试样常温耐压强度与烧成线变化率增大，物相组成均为“刚玉+镁铝尖晶石”；增加MgO加入量试样先收缩后膨胀，加入量为20wt%时常温耐压强度达最大值，物相组成由“刚玉+镁铝尖晶石”变为“镁铝尖晶石”再变为“镁铝尖晶石+方镁石”；提高烧成温度能明显促进试样烧结，延长保温时间可提高试样常温耐压强度。

镁铝尖晶石耐火材料； 保温材料； 泡沫胶凝法； ρ-Al2O3； XRD

1　引　言

轻质多孔的镁铝尖晶石保温材料具有气孔率高、体积密度低、热导率低等特点，用于高温窑炉保温，可显著节约能源，提高能源利用效率[1]。镁铝尖晶石质保温材料的制备方法很多[2-6]。孙丽枫等[7]通过加入木屑和聚氨酯小球等造孔剂制备了气孔率68%～75%镁铝尖晶石保温材料。李晓星等[8,9]以氧化铝微粉、电熔镁砂为原料，外加6wt%的淀粉泡沫胶凝法制备了体积密度0.9～1.1 g/cm3、耐压强度2～12 MPa的刚玉尖晶石保温材料，研究了烧成温度、泡沫加入量、电熔镁砂含量及粒度以及工业氧化铝取代量对刚玉尖晶石轻质隔热材料的物理性能和显微结构的影响。

本文以α-Al2O3微粉、电熔镁砂和ρ-Al2O3为原料泡沫胶凝法制备体积密度0.9～1.1 g/cm3镁铝尖晶石保温材料，考察ρ-Al2O3与电熔镁砂加入量和烧成温度与保温时间对镁铝尖晶石保温材料物相与性能的影响。

2　试　验

2.1试验原料及试样制备

α-Al2O3微粉：青岛安迈铝业产CT-9-FG；电熔镁砂：MgO≥ 97%，粒度200目；ρ-Al2O3：郑州铝业产ZF-1。

试验方案见表1。

表1　试验方案

按表1配比，球磨机中以刚玉球为研磨介质、球料比1∶1球磨30 min制得原料粉体；加水搅拌得原料浆体；以甙类天然植物为发泡剂通过机械高速搅拌发泡制得泡沫[8]，加入适量泡沫，搅拌均匀得泡沫浆体；注模(70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm)成型，经养护、干燥，置于高温电炉中不同温度与保温时间烧成制备体积密度0.9～1.1 g/cm3镁铝尖晶石保温材料。

2.2性能检测

测定试样烧成线变化率、常温耐压强度和1550 ℃×3 h重烧线变化。采用D 8-Advance X-射线粉末衍射仪进行XRD分析，采用JSM-6380LV扫描电子显微镜进行SEM观察。

3　结果与讨论

ρ-Al2O3是Al(OH)3在真空、快速脱水情况下形成的一种几乎呈无定形态的氧化铝，X射线衍射峰弥散，见图1[9]。

图1　ρ-Al2O3的XRD图谱Fig.1　XRD pattern of ρ-Al2O3

ρ-Al2O3活性高，能与水发生水化反应生成具有较高强度的氢氧化铝凝胶(Al(OH)3+AlOOH)[10-12]，使得泡沫浆体固化并赋予多孔坯体一定的机械强度。

3.1ρ-Al2O3加入量对镁铝尖晶石保温材料性能的影响

固定电熔镁砂加入量20wt%，研究ρ-Al2O3加入量对镁铝尖晶石保温材料耐压强度与线变化率的影响，结果见图2。由图可知，随着ρ-Al2O3加入量增加试样常温耐压强度与烧成线变化率增大。

ρ-Al2O3水化产物在烧成过程中脱水生成系列低温型活性氧化铝[13]。活性氧化铝一方面与电熔镁砂中的氧化镁反应生成镁铝尖晶石：

另一方面，低温型氧化铝将转变为高温型α-Al2O3，并发生烧结。镁铝尖晶石生成反应呈膨胀性，活性Al2O3烧结收缩。镁铝尖晶石生成反应引起的膨胀不足以抵消活性Al2O3烧结收缩，因此除ρ-Al2O3加入量10wt%外其余试样均表现为负的烧成线变化率，而且ρ-Al2O3加入量越多烧成线变化率负得越大，但试样的耐压强度随ρ-Al2O3加入量增加而增大。

试样经1550 ℃×3 h烧成后，重烧线变化率均仅约0.2%，说明该烧成参数下试样的烧成反应进行得较为完全了。

图2　ρ-Al2O3加入量对镁铝尖晶石保温材料性能的影响Fig.2　Effect of amount of ρ-Al2O3 on properties of MA spinel insulation material

3.2电熔镁砂加入量对镁铝尖晶石保温材料性能的影响

固定ρ-Al2O3加入量15wt%，研究电熔镁砂加入量对镁铝尖晶石保温材料耐压强度与线变化率的影响，结果见图3。

MgO可与Al2O3形成置换型固溶体，造成许多晶体缺陷促进烧结，故电熔镁砂加入量增加试样常温耐压强度增大。但当电熔镁砂加入量大于20wt%时生成大量尖晶石产生显著膨胀使试样结构变得疏松，因而常温耐压强度降低。

图3　电熔镁砂加入量对镁铝尖晶石保温材料性能的影响Fig.3　Effect of amount of fused magnesia on properties of MA spinel insulation material

3.3烧成温度与保温时间对镁铝尖晶石保温材料性能的影响

图4是烧成温度与保温时间对尖晶石保温材料耐压强度与线变化率的影响，从图4(a)可知，提高烧成温度(保温时间6 h)常温耐压强度增大，烧成线变化率由正变负。从图4(b)可知，延长保温时间(烧成温度1550 ℃)对试样烧成线变化率基本没有影响，但保温3 h的试样常温耐压强度低于保温6 h、9 h。由此，延长保温时间提高试样常温耐压强度。

图4　烧成温度与保温时间对镁铝尖晶石保温材料性能的影响Fig.4　Effect of sintering temperature and holding time on properties of MA spinel insulation material

图5、图6是烧后试样SEM照片。从图5可看到，烧成温度提高，晶粒明显变得粗大，结晶更加完整。从图6可看到，延长保温时间，晶粒形貌与大小、晶粒结晶状态相差不大。

图5　不同烧结温度试样SEM照片Fig.5　SEM images of samples sintered at different temperatures

图6　1550 ℃保温3 h、6 h、9 h试样SEM照片Fig.6　SEM images of samples sintered at 1550℃ holding for 3 h、6 h、9 h

3.4 镁铝尖晶石保温材料的物相组成

图7示出了不同ρ-Al2O3加入量试样烧后XRD图谱。由图可知，各试样中都存在刚玉相和镁铝尖晶石相，这是因为方镁石在高温下与Al2O3反应生成了镁铝尖晶石相。由MgO-Al2O3相图可知，MgO为20wt%时，试样处在Al2MgO4富铝固溶区，MgO全部与Al2O3反应，剩余的Al2O3除少量与Al2MgO4发生固溶外，大部分以刚玉相独立存在。因此，改变ρ-Al2O3加入量不会引起试样物相组成的变化。

图8示出了不同电熔镁砂加入量试样烧后XRD图谱。由图可知，电熔镁砂加入量小于20wt%时，MgO全部参与尖晶石反应而没有剩余，而Al2O3除了少量与Al2MgO4发生固溶，大部分以刚玉相独立存在，因此试样中只有刚玉相和镁铝尖晶石相。当电熔镁砂加入量为25wt%左右，MgO亦完全参与反应而没有剩余，但剩余的Al2O3也非常少，几乎全部被固溶到Al2MgO4中，因此试样中只有镁铝尖晶石相。当电熔镁砂加入量为30wt%时，原料组成移到Al2MgO4富镁固溶区，此时Al2O3全部参与尖晶石反应而出现MgO富余，因此试样中除了镁铝尖晶石相外还存在方镁石相。

图7　不同ρ-Al2O3加入量的XRD图谱Fig.7　XRD patterns of samples with different amounts of ρ-Al2O3

图8　不同电熔镁砂加入量的XRD图谱Fig.8　XRD patterns of samples with different amounts of fused magnesia

4　结　论

随着ρ-Al2O3加入量增加试样常温耐压强度与烧成线变化率增大，物相组成均为“刚玉+镁铝尖晶石”；增加MgO加入量常温耐压强度先增后降，加入量为20wt%时达最大值，线变化率由收缩逐渐变为膨胀，物相组成由“刚玉+镁铝尖晶石”变为“镁铝尖晶石”再变为“镁铝尖晶石+方镁石”；提高烧成温度常温耐压强度增大，烧成线变化率由正变负，延长保温时间对烧成线变化率基本没有影响，但可提高常温耐压强度。

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Influence of Process Parameters on Phase and Properties of MA Spinel Heat Insulating Material

ZHANGXin,LIYuan-zheng,ZHOUJian-lin

(Hunan Province Key Laboratory of Coal Resource Clean Utilization and Mine Environment Protection,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China)

The magnesium aluminium spinel heat insulating materials of 0.9-1.0 g/cm3bulk density was prepared by using α-Al2O3fine powder, fused magnesia and ρ-Al2O3as raw materials though foam gelation method. The effect of amounts of ρ-Al2O3and fused magnesia, sintering temperature and holding time on phase and properties of the heat insulating material was investigated. It has been showed that the cold crushing strength and the firing line change rate increased with the increase of amount of ρ-Al2O3, and all samples have the same phase composition of "corundum+spinel". With the increase of amount of fused magnesia, the firing line change rate gradually changed from shrinkage to expansion，the cold crushing strength attained its maximum at 20wt%fused magnesia, phase composition changed from "corundum+spinel" to "spinel" and then to "spinel+periclase". Higher sintering temperature can obviously promote sintering and the cold crushing strength can be enhanced when prolonging holding time.

magnesium aluminium spinel;heat insulating material;foamgelation method;ρ-Al2O3;XRD

湖南省教育厅一般项目(14C0457);煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室开放基金项目(E21506)

张欣(1965-)，男，高级工程师.主要从事耐火材料与保温材料研究工作.

TU526

A

1001-1625(2016)06-1902-05