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    添加煅烧铝型材厂污泥制备刚玉-堇青石-莫来石复合陶瓷

    放大字体  缩小字体 发布日期:2021-10-20 09:46:18    浏览次数:74    评论:0
    导读

    为了提高莫来石-堇青石复相材料的使用温度,以煅烧铝型材厂污泥、高岭土和滑石粉为主要原料制备刚玉-堇青石-莫来石复合陶瓷,主要研究了煅烧污泥和滑石粉添加量的变化(质量分数的变化范围分别为35%~30%和13%~18%)对复合陶瓷的性能、物相组成和显微结构的影响。研究表明:随着滑石粉添加量的增加,复合陶瓷的体积密度逐渐减小,常温抗折强度逐渐增大,热震后常温抗折强度和热震后常温抗折强度保持率逐渐减小,抗热震性能降低。各试样均含有刚玉、莫来石、堇青石和镁铝尖晶石四种晶相。综合考虑,最佳配方(w)为:煅烧铝型材厂污

    堇青石材料热膨胀系数低,热稳定性好,强度较高;但烧结温度窄,不易烧成[1-4]。莫来石具有良好的抗热冲击性,较低的比热容和膨胀系数[5-6]。莫来石-堇青石复相材料能发挥莫来石和堇青石各自的优点,具有热稳定性好、使用寿命长等优点[7-8]。但堇青石相的存在也使材料的耐火度和荷重软化温度较低,使用温度低于1 200℃[9-11]。为了提高莫来石-堇青石复相材料的使用温度,本研究中拟在其中引入熔点高达2 050℃的刚玉相,制备刚玉-堇青石-莫来石复合陶瓷材料。

    煅烧后铝型材厂的固体废弃物污泥的Al2O3含量高达90%(w),可以作为刚玉-堇青石-莫来石复合材料的Al2 O3来源材料。

    在本研究中,以煅烧铝型材厂污泥、高岭土和滑石粉为主要原料制备刚玉-堇青石-莫来石复合陶瓷,主要研究了污泥和滑石粉添加量的变化对复合陶瓷的性能、物相组成和显微结构的影响。

    1 试验

    1.1 试验原料

    试验原料有高岭土、煅烧铝型材厂污泥和滑石粉,它们的化学组成见表1。

    表1 原料的化学组成

    原料 w/%SiO2 Al2 O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O 灼减高岭土 49.31 36.02 0.18 0.09 0.15 1.62 0.13 12.15铝型材厂污泥 6.64 90.05 0.32 0.05 1.63 0.02 0.57 0.14滑石粉 23.42 0.15 4.42 37.82 0.04 0.03 33.82

    铝型材厂污泥分别在1 520和1 300℃保温3 h煅烧后(分别记为污泥A和污泥B)使用。

    1.2 试样制备

    为了使制备的刚玉-堇青石-莫来石复相陶瓷既具有较高的使用温度,又具有较好的抗热震性,其相组成(w)按堇青石40% ~50%、莫来石20% ~30%、刚玉20%~30%设计。再结合表1中各原料的化学组成,并参考Al2O3-MgO-SiO2三元相图[12],经分析、计算,设计了表2所示6种试验配方。按试验配方每组配料200 g,在球磨机上以200 r·min-1的转速混料2 h,过0.042 mm(40目)筛,以质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液为结合剂造粒,陈腐24 h后,用天平称取5 g陈腐料,填入模具内,在液压制样机上于4 MPa压力下保压10 s压制成7 mm×7 mm×50 mm的样坯,在(110±5)℃电热鼓风干燥箱内干燥24 h后,于1 380℃保温3 h煅烧。

    表2 试验配方

    原 料 w/%1# 2# 3# 4# 5# 6#煅烧污泥A 25 24 23 22 21 20煅烧污泥B 10 10 10 10 10 10龙岩高岭土 52 52 52 52 52 52滑石粉13 14 15 16 17 18

    1.3 性能测试

    按标准GB/T 2999—2016检测试样的显气孔率和体积密度。按标准GB/T 3001—2017检测试样的常温抗折强度。

    抗热震试验:将试样放入箱式高温炉中,于850℃保温30 min后取出,立即放入20℃水中冷却,在(110±5)℃电热鼓风干燥箱内干燥24 h后,检测其常温抗折强度,计算热震后常温抗折强度保持率(热震后常温抗折强度÷热震前常温抗折强度×100%)。

    采用X’Pert Pro MPD型X射线粉末衍射仪对试样进行物相分析,并利用Rietveld Quantification软件计算其物相组成。

    将试样敲出断面较平整的断口,采用Philips XL 30ESEM型扫描电镜观察其显微结构。

    2 结果与讨论

    2.1 物相组成

    烧后试样的XRD图谱见图1,其物相组成见表3。由图1和表3可知,各试样均含有刚玉、莫来石、堇青石、镁铝尖晶石。从1#试样至6#试样,堇青石含量逐渐增多,莫来石含量逐渐减少;1#、2#和3#试样中堇青石、莫来石和刚玉的含量都分别符合40% ~50%、20%~30%和20%~30%(w)的设计目标。

    图1 烧后试样的XRD图谱

    表3 烧后试样的主要物相组成

    w/%试样编号堇青石 刚玉 莫来石 镁铝尖晶石1#40.49 25.93 29.62 3.96 2# 45.37 26.62 23.81 4.21 3# 45.49 25.45 23.02 6.04 4# 51.35 26.25 18.25 4.15 5# 56.28 23.60 15.65 4.47 6#57.65 24.40 11.14 6.81

    2.2 显微结构

    1#、2#、3#试样断口中体现莫来石、刚玉、堇青石晶体形貌的SEM照片见图2。可以看出:3个试样中,莫来石的形貌差别不大。2#试样中堇青石晶粒比1#试样的小,3#试样中堇青石晶体被玻璃相黏结在一起。1#试样刚玉晶体间玻璃相少,2#试样中刚玉晶体被玻璃相包裹;3#试样中刚玉晶体间的玻璃相增多,玻璃相析出表面。

    图2 1#、2#、3#试样断口中莫来石、刚玉、堇青石晶体的显微形貌

    2.3 常规性能

    烧后试样的显气孔率、体积密度、常温抗折强度、热震后常温抗折强度、热震后常温抗折强度保持率等检测结果见表4。可以看出:从1#试样到6#试样,体积密度逐渐减小,显气孔率波动式变化;常温抗折强度由46.50 MPa逐渐增大至70.15 MPa;热震后常温抗折强度和热震后常温抗折强度保持率逐渐减小,抗热震性能降低。

    表4 试样性能检测结果

    试样编号 1# 2# 3# 4# 5# 6#显气孔率/% 9.64 1.38 1.43 3.70 1.08 4.16体积密度/(g·cm-3) 2.40 2.41 2.37 2.36 2.35 2.32常温抗折强度/MPa 46.5 55.7 57.3 63.2 66.5 70.2热震后常温抗折强度/MPa 33.5 31.5 31.2 27.4 26.4 26.9热震后常温抗折强度保持率/%71.94 56.44 54.51 43.38 39.63 38.40

    1#试样热震后常温抗折强度保持率最大(71.94%),但其热震后常温抗折强度最小(46.5 MPa),显气孔率最大(9.64%)。4#、5#和6#试样的常温抗折强度较大(分别为63.2、66.5和70.2 MPa),但热震后常温抗折强度保持率较小(分别为43.38%、39.63%和38.40%)。2#和3#试样常温抗折强度较大(分别为55.7和57.3 MPa,作为窑具材料已经算高的),热震后常温抗折强度保持率也较高(分别为56.44%和54.51%),且显气孔率较小(分别为1.38%和1.43%)。综合考虑,2#试样的综合性能最优。

    3 结论

    (1)各试样均含有刚玉、莫来石、堇青石和镁铝尖晶石相四种晶相。

    (2)从性能测试结果综合考虑,2#配方为最佳配方。其配料组成(w)为:煅烧污泥34%,龙岩高岭土52%,滑石粉14%;其物相组成(w)为:刚玉26.62%,莫来石23.81%,堇青石45.37%,镁铝尖晶石4.21%;其显气孔率为1.38%,体积密度为2.41 g·cm-3,常温抗折强度为55.7 MPa,热震后常温抗折强度为31.5 MPa,热震后常温抗折强度保持率为56.44%。

     
    (文/小编)
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