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高鋁礬土熟料與礬土均化料的對比分析

發布時間:2017-05-22

中國已探明高鋁礬土儲量為25億噸,占世界總儲量的2.4%,為世界上儲量最多的國家之一。目前,我國高鋁礬土熟料的生產仍以煅燒天然塊料為主。相比高鋁礬土熟料红中彩票登录,礬土均化料采取均化、提純等技術红中彩票登录,生產工藝更加節能、環保红中彩票登录,同時可以確保產品質量的穩定性。這兩種礬土原料各有優劣红中彩票登录。正確認識兩種礬土原料的差異,合理利用各自的優勢,研發優質合成材料,是目前礬土均化料研究中亟待解決的問題红中彩票登录。對此,有研究人員通過深入分析兩種原料的性能及其顯微結構中的結晶物相和晶體發育情況來揭示它們之間的差異,從而更合理地認識并應用礬土均化料。

對比試驗為分析提供科學依據

試驗采用的原料有兩種:一種是高鋁礬土熟料,是將開采的礬土礦經過選礦后進入豎窯中煅燒1550℃~1600℃后得到的熟料。另一種是礬土均化料,是將開采的礬土礦經過選礦、破碎、研磨、造粒、成型、烘干红中彩票登录、煅燒(1560℃~1600℃)制得的熟料红中彩票登录。采用X射線熒光儀分析高鋁礬土熟料和礬土均化料的化學組成,采用GB/T2997—2000檢測體積密度和顯氣孔率红中彩票登录,采用X射線衍射儀分析相組成,采用掃描電鏡進行顯微結構分析红中彩票登录,采用透射電鏡進行透射光顯微結構分析。

觀察分析證實礬土材料應用價值

理化性能分析。高鋁礬土熟料外觀呈淡灰色和黃白色相間,重而硬;礬土均化料外觀呈均勻的深灰色。從理化性能檢測結果可看出:兩種原料的化學組成差別不大,Al2O3質量分數都在80%以上,且根據Al2O3含量和SiO2含量的比值可知红中彩票登录,理論上兩種原料的物相均為剛玉相和莫來石相;不同之處是礬土均化料的致密度比高鋁礬土熟料的大红中彩票登录。

物相分析。從高鋁礬土熟料和礬土均化料的XRD圖譜可以看出,兩種礬土原料出現衍射峰的角度位置基本一致,且主晶相都是剛玉相,次晶相都是莫來石相红中彩票登录,只是相同衍射峰角的峰強略有不同红中彩票登录红中彩票登录。

顯微結構分析红中彩票登录。研究人員首先以不同放大倍數觀察兩種原料的顯微結構,通過在低倍下對兩種礬土原料的掃描電鏡照片觀察發現,高鋁礬土熟料的晶體分布不均勻,還可見定向燒成裂紋红中彩票登录;而礬土均化料的晶粒大小和分布都較均勻,還可見小而均勻的封閉氣孔。在低倍數下比較觀察,礬土均化料的晶粒和氣孔尺寸均大于高鋁礬土熟料,而高鋁礬土熟料的氣孔在此倍數下還不能清楚地看到红中彩票登录。

通過對兩種礬土原料的掃描電鏡照片的進一步放大(800倍)觀察,從中可看出,高鋁礬土熟料的不均勻性:圖中上部分較致密红中彩票登录,晶粒較红中彩票登录;而下部深色區域氣孔較多且主要為開口氣孔,晶粒較大。對放大照片的各部分進行EDS分析可知,絕大部分位置都是剛玉相红中彩票登录红中彩票登录,說明該區域是剛玉相的富集區;白色亮點區域為鈦酸鈣等物質红中彩票登录。通過進一步觀察可見,礬土均化料的結構相對致密,晶體分布較均勻,晶體中含有的氣孔主要為閉口氣孔,降低了材料的吸水率。礬土均化料中含Ti、Fe的玻璃相(白色部分)明顯多于高鋁礬土熟料,且均勻分布在晶粒與晶粒之間。由于玻璃相在高溫下能促進燒結,因此礬土均化料的晶粒明顯生長得更大,結構也更致密。從EDS分析可知,玻璃相的成分主要為TiO2、Fe2O3、CaO红中彩票登录、MgO、KO2等红中彩票登录。

鑒于中國鋁土礦礦床成因及賦存地質條件的原因,往往在同一礦層、同一區段,礦石的成分差別也較大。在400℃~1200℃,鋁土礦中的水鋁石和高嶺石先后發生脫水反應,水鋁石脫水形成剛玉假相,高嶺石分解為莫來石和游離SiO2。在1200℃下,從水鋁石脫水形成的剛玉假相和高嶺石分解出來的游離SiO2開始形成二次莫來石红中彩票登录。在更高倍數(2000倍)下觀察高鋁礬土熟料,發現在水鋁石富集的地方集中剛玉相红中彩票登录,高嶺石富集的地方集中莫來石相,或剛玉相和莫來石相緊密交錯。這種結構可支撐材料承受外加載荷和高溫,且玻璃相含量較少,因此其高溫性能優越。而在相同倍數下觀察礬土均化料红中彩票登录,红中彩票登录,就不能清晰地分辨出各個物相,也看不到交錯集中的部位红中彩票登录,而是整個顯微結構變得均勻、一致,且玻璃相含量較多。

由于礬土均化料中存在較多的均質性物質(硅酸鹽玻璃相),在正交偏光下看不清楚結構細節。在透射電鏡下單偏光拍攝了透射光照片,可看出高鋁礬土熟料的不均勻性:剛玉晶體大小和分布都不均勻,玻璃相含量較少。從透射光照片中還可看出礬土均化料的均勻性:剛玉晶體大小和分布相對較均勻,玻璃相含量較多且分布均勻。

隨后,研究人員又通過對兩種礬土原料的透射電鏡照片(單偏光,400倍)的觀察,從玻璃相的角度來總結兩種原料顯微結構的差異红中彩票登录。以雜質成分TiO2在兩種礬土原料中的分布為例來說明。高鋁礬土熟料中TiO2的分布也同剛玉相一樣呈現區域性富集红中彩票登录红中彩票登录。在高溫下,富集的TiO2與Al2O3反應生成鈦酸鋁红中彩票登录,只有少量分散的TiO2會進入剛玉晶格中形成很少量的玻璃相,當受到高溫和外加應力時,致密集中的剛玉相起到支撐作用,表現出很好的高溫性能,如抗沖刷红中彩票登录、抗侵蝕红中彩票登录、荷重軟化溫度高、蠕變小。但在礬土均化料中,TiO2的分布較均勻,高溫下更容易進入剛玉晶格中形成大量的玻璃相,分布在剛玉晶粒之間,使晶間結合力減弱,高溫下很容易發生滑移,從而影響其高溫性能。

應用分析。如果將礬土均化料以顆粒的形式做原料红中彩票登录,或者加入以更多孤立相存在的Si3N4、SiC等非氧化物耐火材料中红中彩票登录,就可以減少玻璃相對體系高溫性能的影響红中彩票登录,從而提高礬土均化料的使用價值。按照這一思路,研究人員研究了高鋁礬土熟料和礬土均化料在鎂鋁碳材料中的應用情況。

研究人員分別以高鋁礬土熟料和礬土均化料為礬土骨料红中彩票登录,按照上述的思路制成兩組鎂鋁碳磚,并且比較了兩組磚的常溫和高溫強度差異。經觀察研究發現,以礬土均化料作為原料制成的鎂鋁碳磚的高溫性能并沒有被削弱,其高溫抗折強度反而高于以高鋁礬土熟料為原料的磚。這證實了均化料在礬土和非氧化物的復合材料中的使用價值和前景。

綜上所述红中彩票登录,高鋁礬土熟料的致密度不均勻红中彩票登录,體積密度較低(3.32g/cm3)红中彩票登录,氣孔率較高(4.19%),且多為開口氣孔,吸水率高红中彩票登录。但是,在其剛玉相致密集中或剛玉相和莫來石相緊密交錯的部位,可以支撐其承受外加載荷和高溫,加之玻璃相含量較少,因此其高溫性能優越红中彩票登录。

礬土均化料的結構致密均勻,體積密度較高(3.42g/cm3)红中彩票登录,氣孔率較低(0.84%),多為小而均勻的閉氣孔,吸水率低红中彩票登录。由于經過了均化工藝,均化料的成分和結構更均勻,但晶粒間填充了大量均勻分布的玻璃相红中彩票登录,減弱了晶間結合力,在一定程度上削弱了均化料的高溫性能红中彩票登录。然而,將礬土均化料以顆粒的形式做原料,或者加入以更多孤立相存在的Si3N4、SiC等非氧化物耐火材料中,就可以減少玻璃相對體系高溫性能的影響红中彩票登录,提高其使用價值红中彩票登录。因此,礬土均化料更適用于生產礬土和非氧化物的復合材料。(中國冶金報)

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