微孔轻质原料的性能与应用
发布日期： 2020-07-08 08:26:40 阅读量（417） 作者：高温工业的发展要求新一代优质、高效、节能耐火材料应具备以下特点:轻量化、长寿化、无污染、功能化。高性能微孔轻质原料得到很好的发展与应用，其中微孔轻质复合型耐火原料因综合性能优越已成为高温技术不可缺少的基础材料，它已成为国内外耐火材料技术发展的一个主要方向。
以下是近年来应用范围较广的微孔轻质原料的性能与应用
1、高铝/单相氧化物微孔轻质原料：
近年来，高铝质微孔轻质原料的研究开发受到广泛关注，且应用范围很广。高铝质微孔轻质原料比较常见的有:微孔刚玉、微孔氧化铝、普通轻质高铝骨料(LG)、轻质高强微孔矾土骨料(ZL-LG1#、ZL-LG2#)。另外其他单相氧化物轻质原料有氧化镁质、氧化硅质、氧化锆质等材质的微孔轻质原料的开发也受到重视。目前所用的几种典型轻质原料的理化性能见表1。
表1 典型轻质原料的理化性能
与致密原料相比，轻质原料的孔径分布及其对所制备耐火材料的抗渣侵蚀性影响受到广泛关注。有研究人员配制的微孔刚玉骨料，其体积密度为3.05g·cm-3，显气孔率为9.1%，闭口气孔率达12.3%，中位孔径为0.43μm，800℃下热导率为6.5W·m-1·K-1，较普通刚玉降低41.6%。进一步的渣蚀试验表明：
骨料的孔径对于骨料与熔渣反应过程中的高熔点相过饱和析出与长大速率有重要影响，微小孔径的骨料有利于从熔渣中析出的高熔点相达到过饱和，且长大速率增大，更易形成致密的隔离层。相比于显气孔率，轻量耐火骨料的孔径对其抗渣性能影响更大。
骨料的溶解速率与高熔点相的析出速率之间的关系，将决定是否能够原位形成隔离层。当骨料的溶解速率过低或过快时，均会导致无法形成隔离层，从而骨料进一步被侵蚀渗透。因此，只有当骨料的溶解速率与高熔点相的析出速率达到一定的平衡时，骨料表面才会形成由析出的高熔点相所组成的隔离层，达到改善抗侵蚀性的目的。
高铝质多孔轻质骨料不仅可用来制备浇注料等不定形耐火材料，也可用来制备耐火制品，国内外采用微孔刚玉所制备的轻质刚玉制品的性能如表2所示。
表2 使用微孔骨料的轻质刚玉制品的物理性能
与单相氧化物原料相比，复合型原料充分利用了不同氧化物热膨胀系数、抗渣性能等差异，使在某些性能上实现互补，因而通常具有较低的热膨胀系数、较高的力学性能、优异的抗渣侵蚀性和抗热震性能等。六铝酸钙(CA6)、莫来石、尖晶石是此类原料中应用最广泛的。这类原料的轻质产品的开发与应用受到广泛关注。
2.1微孔CA6:
六铝酸钙具有板片状结构和大量微孔，熔点高，耐火性能好，热导率低，在还原气氛下及碱蒸气腐蚀气氛下稳定，是能直接用于工作衬热面与铝液及熔盐接触的新型耐火材料。几种典型轻质CA6原料的性能如表3所示。
表3 典型轻质CA6原料的理化性能
在炼钢用耐火材料领域，CA6相是铝酸钙水泥结合刚玉质、刚玉-尖晶石质和铝镁质浇注料中的反应产物，其片状晶体能改善材料的力学性能。此外，其特有的晶体结构和性质使其作为新型的耐火材料在高温行业中将具有广泛的应用前景。
国外已经研制出成熟的多孔CA6原料产品。国外有公司研制的产品，开口气孔率接近80%，体积密度为0.75g·cm-3，主晶相是CA6，次晶相为α-Al2O3和CA2，显气孔率集中在1〜6μm，CA6晶体呈片状，未见等轴状晶体。大部分片状晶体的厚度小于100nm，径向尺寸小于5μm，片状晶体之间以点接触为主，这种晶体结构类似于陶瓷纤维的显微结构，因此其热导率极低。
国内对多孔CA6原料的研究在近几年逐渐增多。国内某公司研制的产品，其主要矿物相为CA6，耐火度>1790℃，其化学组成(w)为:Al2O3 88%〜92%、CaO 8%〜11%、SiO2<0.5%、Fe2O3<0.5%，体积密度为2.2〜2.6g·cm-3，显气孔率32.8%。并预计进一步开发体积密度<1.0g·cm-3的超轻质原料。其原料纯度高，耐火度高;抗还原气氛及抗碱侵蚀性能优异;热导率比刚玉材料明显偏低;与刚玉材料的适配性好，与刚玉材料配合使用，在高温下的体积稳定性和抗热震性提高。以其为原料制备的浇注料适用于钢包内衬、包底、RH浸溃管等。
多孔CA6原料主要用来制备浇注料。CA6隔热耐火材料成为钢包预热器、钢包盖内衬和各种加热炉用料。
日本某公司研制了一种耐火材料品(见表4)，该系列材料永久线变化率小，具有良好的体积稳定性、抗侵蚀性与隔热性能。其中，LX-160-1是浇注料，可进行泵送施工，无偏析现象产生;LX-160T-1是涂抹料，可用抹刀进行衬砖局部修补，无脱落现象产生;LX-160G-1是喷涂料，可通过喷涂设备进行炉壁施工或修补，施工效果均匀。
表4不定形隔热材料的性能
2.2微孔莫来石：
莫来石轻质耐火材料由于其耐高温、蠕变率低、荷重软化温度高等优良性能，广泛应用于冶金、玻璃、陶瓷、化学、电力、燃气和水泥等工业。目前，世界上电熔莫来石的年消耗量为1万吨〜2万吨，烧结莫来石则为50万吨〜60万吨，所以莫来石原料大都通过烧结法来合成。其主要采用高岭石、叶蜡石、硅线石、蓝晶石、红柱石等来人工合成。
莫来石是Al2O3-SiO2系中高温下唯一稳定存在的二元化合物，分解温度高达1840℃，其在1100℃下热导率(3.8W·m-1·K-1)比同温下刚玉(5.82W·m-1·K-1和方镁石(6.70W·m-1·K-1)的都低，更适宜于作为轻质骨料的主材质。目前所用的轻质莫来石原料的典型理化性能特征见表5。
表5典型轻质莫来石原料的理化性能
2.3轻质镁橄榄石/尖晶石：
镁橄榄石(2MgO·SiO2)属于碱性耐火材料，它与大多数碱性耐火材料的相容性较好，熔点高，达到了1890℃，导热率低，不易水化，有较好的化学稳定性和抵抗金属熔体及渣的侵蚀作用，并且镁橄榄石与钢水直接接触时能保持其稳定性。我国MgO、SiO2质原料资源丰富，物美价廉，用之开发镁橄榄石质轻质合成原料并用以制备轻质化的MgO-SiO2质浇注料，可满足特定的用途。较致密碱性浇注料而言，可减少蓄热和散热以及提高抗热震性;较同用途铝硅质材料而言，使用温度可更高，作为背衬使用时与碱性工作衬相容性更好。
镁铝尖晶石(MgAl2O4或MgO·Al2O3)，其熔点为2135℃，耐火度高，热导率低(1000为5.82W·(m·K)-1，热膨胀系数小。镁铝尖晶石具有优异的抗热震性能、耐侵蚀与渗透注能，特别是抗碱性熔渣能力强，具有极高的化学稳定性，属于高档环保型耐火原料，在耐火材料行业中已经得到广泛的应用。
镁铝尖晶石可用于高强度热面耐火材料、钢包侧壁以及玻璃熔窑蓄热室的格子体。随着节能环保要求不断提高，高强度、耐侵蚀、保温隔热三重功效的轻质镁铝尖晶石耐火材料倍受关注。
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