高致密度刚玉莫来石材料的研制
杨华亮
（1.佛山市南海金刚新材料有限公司，佛山 528200；2.佛山市陶瓷研究所股份有限公司，佛山 528000）
摘 要：本文選用两种外加剂A、B来制备高致密度刚玉莫来石材料，其中A为产生液相物质，B为产生高温结合相物质。试验表明：添加剂A、B均可促进刚玉莫来石粉料的烧结，使吸水率下降、密度上升、烧成收缩增加、抗折强度增大。B添加剂性能更优，单独添加较合适的比例分别为2wt%A，1wt%B。添加剂A、B可使样品形成不同的微观效果：A产生更多的液相，晶体表面部分熔融，晶体尺寸减小；B形成更多的结合相，晶体轮廓更分明，晶体尺寸增大。
关健词：刚玉莫来石；添加剂；致密度
1 引言
随着各种工业生产技术的不断革新和节能环保的推进，多种燃料品种在工业窑炉中得到应用，高温尾气余热也得到较充分的回收利用。燃料燃烧过程和陶瓷坯体烧结过程中会产生大量的腐蚀性气体，这些高污染气体易对炉膛耐材和窑具材料产生损害。
刚玉莫来石是一种常用的中高档耐火材料。因其原料易得、价格适中、制品强度高、耐火度高、抗热震性优良、应用非常广泛[1]。如各种窑炉高温窑具、高温辊棒、耐火砖等，用于高温炉膛作为内部构件材料时，可以直接接触火焰。刚玉莫来石制品为多孔材料，孔隙率较高，一般在10 ～ 30%范围，在高温腐蚀性气体环境中，受侵蚀尤为严重，其结果就是材料变脆，易剥落、开裂、折断等，缩短使用寿命[2]。在确保刚玉莫来石材质不变的情况下，要增强制品的抗腐蚀性，最简单的一种措施是提高制品的致密度，减少有害气体的渗入，从而减少污染气体的侵蚀，延长制品的使用寿命。
在不改变材质的前提下，要提高刚玉莫来石制品的致密度，有以下四种方法：
（1）采用大压力成型设备，提高陶瓷生坯的致密度；
（2）提高烧成温度，增大烧成收缩，从而提高制品致密度；
（3）添加易产生低温液相的外加剂，在烧成时产生适量的液相，从而降低吸水率，提高致密度；
（4）添加高温助烧剂，在高温烧成时，产生高温结合相，从而促进制品烧结，降低孔隙率，同时又基本不影响制品性能。
第一、二种方法受生产设备、生产条件的限制，在成型压力、烧成温度基本不变的情况下，本文主要采用第三、四种方法来制备高致密度刚玉莫来石材料。
2 实验
2.1 工艺过程
原始刚玉莫来石粉料为生产车间正常生产用粉料，其成分如表1所示。
将其作为原始对照样。选用两种外加剂：第一种为含低温主族元素的天然矿物A，价格低；第二种为含稀土元素的高温氧化物B，价格较高。预先对A磨细加工到250目备用，B本身为细粉。A外加量（wt%）分别为0%、1%、2%、5%；B外加量（wt%）分别为0%、0.5%、1%、2%。在快速球磨机中球磨混匀，为尽量减轻球磨对原料粒度的影响，球磨时减少球石用量，料：球：水=1：1：0.5，球磨时间为1 min，烘干后造粒，压条10 mm × 10 mm × 100 mm，以实际模具计算确定压力为40 MPa，分别在1550℃和1650℃下保温2 h烧成得到样品。
2.2 测试
测试样品的烧成收缩率、吸水率、密度、抗弯强度，用排水法测吸水率和密度，在TZ-4000抗折仪上测试抗弯强度，用扫描电子显微镜观察样品断口表面形貌。
3 结果与讨论
3.1吸水率
图1（a）、（b）分别为添加外加剂A、B后样品吸水率与添加量的关系曲线，添加A的样品初期吸水率下降明显，后期则平缓，在高温1650℃添加5wt%时则有轻微上升，说明此时由于产生液相量较多，样品已过烧；与A相比，添加B的样品吸水率下降趋势更明显，在添加2wt%时吸水率仅1.09%，说明添加B的助烧效果明显优于A。
3.2密度
图2为分别添加A、B样品的密度与添加量的关系曲线，A添加剂可促使样品平缓升高，但高温烧成时过多则反而轻微下降，这与吸水率的变化规律相同，由于高温产生液相过多导致。从图中可以看出A的较佳添加量为2wt%。添加B对提高密度作用明显，少量加入即可明显提高样品密度。考虑价格因素，B的较佳加入量为1wt%。
3.3烧成收缩率
烧成收缩与A、B加入量的变化规律如图3所示，添加A时，低温1550℃收缩率随加入量的升高而增大，但高温1650℃则在加入2wt%之后减小，说明过烧导致轻微膨胀。B添加剂对增大样品收缩的影响更明显，助烧作用更强。
3.4抗折强度
图4反应抗折强度与A、B添加量的关系，在低温1550℃烧成时开始强度升高明显，助烧结作用较强，但由于温度低，继续加入时并不能形成更多的结合物质，强度升高缓慢。添加B样品在高温1650℃烧成时抗折强度明显升高，这是由于生成更多的结合相。而A添加5wt%在高温1650℃烧成时由于液相量过多强度略下降。
3.5 SEM图像
图5为无外加剂、外加2wt% A、外加1wt%B的样品在1650℃烧成后放大500倍时断口表面SEM图，图中可看出加入适量A、B后样品内部孔隙均明显减少，说明外加剂A、B均可起到致密化作用。
图6为无外加剂、外加2wt% A、外加1wt%B的样品在1650℃烧成后放大2000倍时断口表面SEM图，图中可看出，无外加剂原始样品孔隙较多，少量的液相和结合相将颗粒晶相粘结成小范围的团聚体，团聚体之间尚有一些轮廓较分明的粒状刚玉晶体和柱状莫来石晶体。
添加2wt%A的样品，粘结的团聚体明显范围增大，孔隙明显减少，但是团聚体之间的粒状和柱状晶体轮廓不分明，且尺寸较小，这是由于A添加剂的加入使产生的液相增加，这些液相粘结更多的晶体，产生更多的液相晶界，并使晶体表面部分熔融，外形轮廓圆滑。而加入1wt%B的样品，同样形成了更多的团聚体，孔隙明显减少，但团聚体之间和内部的粒状晶体和柱状晶体轮廓更分明，而且晶体长大，数量增多，原因是B添加剂在坯体中生成高温结合晶相，而液相少，这些高温结合晶相在晶体之间形成晶界，将晶体结合起来，而较少的液相也使莫来石晶体容易生长，不易溶解。这种多晶微观结构将有助于提高制品的耐火性能和强度以及抗热震性能。
图7为无外加剂、外加2wt% A、外加1wt%B的样品在1650℃烧成后放大4000倍时断口表面SEM图。图中更明显地可以看出A、B添加剂的不同效果：孔隙均减小，A产生更多的液相，晶体表面部分熔融，晶体尺寸减小；B形成更多的结合相，晶体轮廓更分明，晶体尺寸增大。
4 结论
（1）添加剂A、B均可促进刚玉莫来石粉料的烧结，可使吸水率下降，密度上升，烧成收缩增加，抗折强度增大。B添加剂性能更优，单独添加较合适的比例分别为2wt%A，1wt%B。
（2）添加剂A、B可使样品形成不同的微观效果：A产生更多的液相，晶体表面部分熔融，晶体尺寸减小；B形成更多的结合相，晶体轮廓更分明，晶体尺寸增大。
参考文献
[1] 谢志鹏. 结构陶瓷[M]. 清华大学出版社， 2011.
[2] 袁林， 陈学峰， 刘锡俊. 绿色耐火材料[M]. 中国建材工业出版社， 2015.
