矾土基莫来石的性能分析

苏玉柱 罗华明 王涵宇 范明明 金 懿 占华生

北京金隅通达耐火技术有限公司 北京 100043

莫来石具有高熔点，低热膨胀系数，优良的抗蠕变性、抗热震性、抗腐蚀性等特点［1］，已成为许多工业领域的耐火原料［2-3］。莫来石分为天然莫来石和合成莫来石两类，天然莫来石很少，一般采用人工合成。我国莫来石工业化合成方法可分为烧结法和电熔法，烧结法合成莫来石是以硅石、高岭石、高铝矾土和工业氧化铝等为原料，按莫来石组成配料，经充分混合和磨细，制成泥条或砖坯，在回转窑或隧道窑中煅烧而成［4-5］。电熔法合成莫来石是将配好的物料混合后装入电弧炉中，在电弧炉的高温下熔融，冷却析晶而成［6］。采用不同工艺合成莫来石，莫来石晶体发育程度与其生产工艺中的烧成温度、保温时间和冷却制度有关，不同工艺合成的莫来石在晶粒尺寸和显微结构的差异会造成莫来石使用性能的差异。为此，利用XRD、SEM等分析我国山西、河南、湖南等典型产区矾土基合成莫来石的性能特点，为莫来石原料的合理使用提供理论依据。

1 试验

1.1 原料取样

分别从山西、河南、湖南等典型产区获取8种具有代表性的矾土基莫来石原料，其中山西A、河南A、山西B、山西C（与山西B属于同一个生产厂家，但属于欠烧样）为隧道窑烧制，河南B、山西D、湖南A为回转窑烧制，湖南B为电弧炉电熔工艺生产。

1.2 性能检测

采用GB／T 2999—2016检测原料的显气孔率、吸水率及体积密度，采用布鲁克D8 ADVANCE型X射线衍射仪分析物相组成，采用日立公司的S-3400N型扫描电子显微镜观察试样显微结构。

玻璃相含量根据文献［7］检测，w（玻璃相）＝（莫来石处理前后质量差÷处理前质量）×100%。

2 结果与讨论

2.1 理化性能

合成莫来石原料的理化性能见表1。由表1可见：回转窑烧制的莫来石具有低的吸水率和小的显气孔率；隧道窑烧制的莫来石吸水率较回转窑烧制的大，其中吸水率范围为2.5% ～3.5%，其中山西C与山西B虽然属于同一个厂家，但山西C为欠烧产品，吸水率较高；电弧炉生产的莫来石吸水率（≤1%）最低。由表1还可看出：莫来石中含有68% ～71%（w）的Al2O3；电熔莫来石杂质较少；隧道窑、回转窑烧制的烧结莫来石中杂质合量为6.0%～9.0%（w），杂质主要为TiO2、Fe2O3、CaO和MgO等，且杂质中的TiO2含量均较高。

表1 合成莫来石原料的理化性能

2.2 物相组成

图1为合成莫来石原料的XRD图谱。

图1 合成莫来石原料的XRD图谱

由图1（a）可见，所有莫来石原料的主要物相均为莫来石，部分原料中含有少量刚玉和金红石。

由图1（b）金红石相特征峰（2θ为27°左右）的放大图可看出：河南A、河南B和山西B的金红石特征峰较为明显；山西A、山西C、山西D和湖南A的金红石衍射峰强度偏低；湖南B（电熔莫来石）则没有金红石析出，说明TiO2随其他杂质进入液相。

由图1（c）刚玉相特征峰（2θ＝38°～44°）的放大图可看出：山西B、山西C、河南B和山西D中刚玉相衍射峰明显，表明这4种莫来石中含有较多的刚玉相；而山西A和河南A中刚玉相特征峰微弱，说明这2种莫来石中含有的刚玉相较少；湖南A和湖南B中的刚玉衍射峰难以分辨，含量为痕量或者没有刚玉相。

采用MAUD软件对各合成莫来石进行全谱拟合分析，计算衍射图谱中各晶相的比例，各晶相含量和根据文献［7］测出的玻璃相含量见表2。

表2 合成莫来石中各晶相和玻璃相含量

由表2可以看出：山西B、山西C、山西D和河南B中的刚玉相含量较大，从14%到20%（w）不等；湖南B电熔莫来石中玻璃相含量较低，为6%（w），但烧结莫来石玻璃相含量为8%～14%（w）。

2.3 显微结构

在回转窑中煅烧合成莫来石原料的SEM照片如图2所示。可见，采用回转窑合成的原料河南B、山西D和湖南A的显微结构相似，莫来石晶粒尺寸小，莫来石晶体截面边长2～4μm，晶体长度10～20μm。其中，河南B、山西D中含有莫来石和粒状刚玉，莫来石多呈针状，发育不是很完全，莫来石晶体之间边界不是很清晰，而湖南A中莫来石呈柱状较多，发育相对较好。

图2 在回转窑中煅烧合成莫来石原料的SEM照片

在隧道窑中煅烧合成莫来石原料的SEM照片如图3所示。可见，河南A和山西A中气孔分布均匀，大部分区域莫来石发育良好，其中河南A中发育良好的柱状莫来石呈网状交织在一起。山西B和山西C中气孔分布状况相近，气孔及孔径大小不均一，莫来石发育相对较好，存在部分刚玉相，这和XRD衍射分析一致。隧道窑具有烧成温度稳定，保温时间长，可以较好控制冷却制度等优点，用来制备莫来石可以让莫来石充分生长。因此，与回转窑煅烧的莫来石相比，隧道窑煅烧的莫来石晶体发育完整，呈柱状，且长径比大，晶体截面边长超过4μm，晶粒长度超过30μm。隧道窑煅烧的莫来石保温时间长，降温缓慢，有利于原料中局部聚集的氧化铝冷凝生成结晶程度好的粒状刚玉相。

图3 在隧道窑中煅烧合成莫来石原料的SEM照片

电熔莫来石原料（湖南B）的SEM 照片如图4所示。

图4 电熔莫来石原料的SEM照片

由图4可以看出，电熔莫来石与烧结莫来石微观结构差异较大，高倍下能见少量孔洞或者缺陷，低倍下电熔莫来石晶粒发育非常好，莫来石晶体非常粗壮，晶体边界非常明显，晶粒截面边长可达50μm，长度超过1 mm。

3 结论

（1）回转窑烧制的莫来石吸水率（≤2.0%）低，隧道窑烧制的莫来石吸水率为2.5%～3.5%，电熔莫来石最致密，吸水率＜1.0%。

（2）合成莫来石中含有68% ～71%（w）的Al2O3，电熔莫来石杂质较少，烧结莫来石杂质合量在6.0%～9.0%（w），杂质主要为TiO2、Fe2O3、CaO和MgO等，杂质中TiO2含量均较高。

（3）合成莫来石的主要物相为莫来石，部分原料中含有少量刚玉相和金红石，其中山西B、山西C、山西D和河南B中的刚玉相含量较大，从14%到20%（w）不等。

（4）电熔莫来石中玻璃相含量较少，烧结莫来石含8%～14%（w）玻璃相，属于一个比较高的范围。

（5）隧道窑煅烧莫来石晶粒发育完整，长径比大，莫来石为柱状，莫来石晶体长度超过30μm；回转窑煅烧莫来石晶粒截面尺寸小，长度在20μm以内；电熔莫来石晶体发育粗壮并且完整，晶体边界非常明显，晶粒截面边长可达50μm，长度超过1 mm。