不同粒度红柱石对矾土基喷涂料性能的影响

张 巍 戴文勇 孟 千

(派力固工业有限公司，辽宁大连116600)

0 前言

红柱石具有较好的抗高温蠕变性、抗热震性，且原料本身不需要煅烧，使之成为优良的耐火材料，在很多领域广泛应用[1,2]。由于红柱石分解并转化为热学性能、高温力学性能、抗热震性更好的莫来石，因此，红柱石材料在对抗热震性与高温强度要求高的领域有很好的应用效果。

矾土基喷涂料具有高氧化铝含量，耐火度高，较高的强度和耐磨性等优良性能[3,4]，但矾土基喷涂料经过高温热处理后产生的收缩较大，并且抗热震性能较差[5,6]。因此，本文在前期研究的基础上[7-9]，将不同粒度的红柱石引入到矾土基喷涂料中，利用红柱石在高温下相变产生的膨胀来补偿矾土基喷涂料在高温下产生的收缩，以及相变产生莫来石来改善材料的抗热震性能。

1 实验

1.1 实验原料及方案

本实验的主要原料为矾土、红柱石、硅微粉和铝酸钙水泥。所用原料的主要化学组成见表1。

表1 原料的主要化学组成（w）Tab.1 Chemical compositions of raw materials(%)

按照表2配方组成进行配料，具体是将骨料及粉料加入搅拌罐中，搅拌均匀后再加入水搅拌3min，然后制备成160mm×40mm×40mm的试样。试样经110℃烘干后分别于1000℃、1300℃和1500℃保温3h煅烧，分别测试含有不同粒度红柱石的试样经过不同温度热处理后试样的线变化率、体积密度、常温抗折强度、常温耐压强度。制备Φ20mm×100mm的试样，用于测试材料的热膨胀系数。制备114mm× 114mm×25mm的试样，用于测试材料的耐磨性。制备160mm×40mm×40mm的试样，经110℃烘干再经1500℃保温3h煅烧，用于测试材料的抗热震性。

表2 配方组成(w)Tab.2 Composition of the gunning refractory(%)

表3 不同粒度红柱石及热处理温度对试样线变化率的影响（%）Tab.3 Effect of different particle sizes of andalusite and heat treatment temperatures on permanent linear change of specimens

1.2 性能测试

采用YB/T5200-1993致密耐火浇注料显气孔率和体积密度试验方法，YB/T5203-1993致密耐火浇注料线变化率试验方法，YB/T5201-1993致密耐火浇注料常温抗折强度和耐压强度试验方法，分别检测烧成后试样的体积密度、线性变化率、常温抗折强度和常温耐压强度。采用GB/T7320.1-2000耐火材料热膨胀试验方法-顶杆法检测试样的热膨胀系数。采用GB/T18301-2001耐火材料常温耐磨性试验方法检测试样的常温耐磨性。用游标卡尺测定试样的收缩量，并通过计算求得它的线性变化率及体积密度。用日本产CT-1000型抗折试验机测试试样的常温抗折强度。用日本产MS-20-S1型耐压试验机测试试样的常温耐压强度。用RPZ-03型高温热膨胀仪测试试样的热膨胀系数。用NM-2型耐磨试验机测试试样的常温耐磨性。用RZ-2A型高温热震稳定性试验炉测试试样的抗热震性。实验工艺：将电炉升温到1100±10℃保温30min后，然后将试样迅速放入电炉中，在1100℃保温15min，使试样从表面到心部受热均匀后，将试样取出，置于室温循环水中快冷。试样在水中冷却3min后立即取出，在空气中放置至室温，重复3次，测量试样残余强度并计算耐压强度保持率。

2 结果与讨论

2.1 不同粒度红柱石对材料线变化率、体积密度的影响

表3示出了含有不同粒度红柱石H1、H2、H3的试样经过不同温度热处理后的线变化率。由表3可以看出，试样经过110℃烘干后，三种试样的线收缩率随着红柱石粒度的增大而略有增大，但变化不明显，这说明不同粒度的红柱石对调整试样干燥烘干后的线变化率无明显作用。试样经过1000℃热处理后，三组试样的线收缩率几乎无变化。试样经过1300℃热处理后，试样H1和H2的线收缩率相差不明显，但与试样H3相差明显。试样经过1500℃热处理后，试样的线收缩率随着红柱石粒度的增大逐渐增大。含有粗粒度红柱石的试样在经过高温热处理后产生的收缩大，这是由于粗粒度的红柱石分解生成莫来石的温度要高于细粒度的红柱石，因此添加粗粒度的红柱石并不能有效弥补矾土基喷涂料经高温热处理产生的收缩。

图1 含有不同粒度红柱石的试样经过不同温度热处理后的体积密度Fig.1 Bulk density of specimens with different particle sizes of andalusite after heat treatment at different temperatures

图3 含有不同粒度红柱石的试样经过不同温度热处理后的常温耐压强度Fig.3 Cold crushing strength of specimens with different particle sizes of andalusite after heat treatment at different temperatures

图4 不同粒度红柱石及热处理温度对试样常温耐磨性的影响Fig.4 Effect of different particle sizes of andalusite and heat treatment temperatures on abrasion resistance of specimens

图1示出了含有不同粒度红柱石H1、H2、H3的试样经过不同温度热处理后的体积密度。由图1可以看出，试样经过110℃烘干后，以及经过1000℃、1300℃和1500℃热处理后，三种试样的体积密度变化规律为B.D(H3)＞B.D(H2)＞B.D(H1)。这说明在矾土基喷涂料中引入粗颗粒的红柱石能够提高材料的体积密度。其中H3试样经过1500℃热处理后的体积密度显著增加，这也是与其引入的粗粒度红柱石相变为莫来石的分解温度较高有关，在此温度下，红柱石并不能充分分解转变为莫来石，材料产生较大的收缩（见表3），致密度增加，因此体积密度明显增加。

2.2 不同粒度红柱石对材料常温抗折强度和常温耐压强度的影响

图2、图3分别示出了含有不同粒度红柱石H1、H2、H3的试样经过不同温度热处理后的常温抗折强度和常温耐压强度。由图2中可以看出，试样经过1000℃热处理后，H1试样的常温抗折强度略大。经过1300℃热处理后，三组试样的常温抗折强度相差不大。经过1500℃热处理后，H3试样的常温抗折强度最大。由图3中也可以看出相似的变化规律。因此可以得出，不同粒度的红柱石对矾土基喷涂料的强度影响不是很大，仅在经过高温1500℃热处理后，含有粗粒度红柱石的试样的强度增加。这也与试样经过1500℃热处理后有较大的线收缩（见表3）和较大的体积密度（见图1）有关。

图6 含有不同粒度红柱石试样热震前后的常温耐压强度Fig.6 Cold crushing strength of specimens with different particle sizes of andalusite before and after thermal shocking

图7 含有不同粒度红柱石试样的耐压强度保持率Fig.7 Cold crushing strength retention of specimens with different particle sizes of andalusite

2.3 不同粒度红柱石及热处理温度对材料常温耐磨性能的影响

图4示出了试样经过1300℃和150℃热处理后磨损量（A）随不同粒度红柱石变化的关系曲线。由图4可以看出，经过1300℃和1500℃热处理后随着红柱石粒度的增大，试样的磨损量逐渐减小。这说明粗颗粒的红柱石更利于基质与骨料的结合，当磨损介质冲蚀试样表面时，基质与骨料被磨损的程度较为均匀，磨损量要小一些。而引入细粒度红柱石的试样，由于基质与骨料结合的不牢固，基质部分容易被冲刷掉，留下裸露的骨料，使其磨损量增大。同时，还可以看出，试样经过1500℃热处理后磨损量均小于试样经过1300℃热处理后的磨损量。这是由于一方面烧结温度的提高，促进了材料的烧结；另一方面红柱石转化为莫来石的量相应地增加，红柱石分解转化产生的SiO2与矾土反应形成的二次莫来石也相应增加，因此提高了材料的耐磨性能。

2.4 不同粒度红柱石及热处理温度对材料热膨胀系数的影响

图5示出了含有不同粒度红柱石试样的热膨胀系数与热处理温度的关系曲线。由图5可以看出，试样的热膨胀系数随着红柱石粒度的增大而增大。在200℃～450℃温度之间，热膨胀系数随热处理温度的提高而减小。试样在450℃～850℃之间，热膨胀系数随热处理温度的提高而增大。试样在850℃～1000℃之间，热膨胀系数随热处理温度的提高而减小。这是由于随着热处理温度的提高，试样中逐渐形成液相，液相形成后，在表面张力作用下试样颗粒之间的距离被拉近，导致材料整体的膨胀减小，因此在此温度区间，材料的热膨胀系数呈现减小的变化趋势。试样在1000℃～1300℃之间，试样的热膨胀系数随热处理温度的提高变化不大。试样在1300℃～1400℃之间，试样的热膨胀系数随热处理温度的提高而减小。根据理论[10]，热膨胀系数低的材料对材料的抗热震性能有利，因此，从理论上讲，细粒度的红柱石可以改善材料的抗热震性能。

2.5 不同粒度红柱石对材料抗热震性能的影响

图6示出了含有不同粒度红柱石试样H1、H2和H3经过三次热震前后的耐压强度，图7为相应试样的耐压强度保持率。

由图6可以看出，三组试样中H3试样经过热震后的残余强度最大。但由图7可以看出，三组试样中H1的耐压强度保持率最大。这可能是因为经过1500℃热处理后细粒度的红柱石转化分解产生了最多的莫来石[11]，这些长柱状莫来石晶粒无序排布在材料内部，任意一个长柱状晶粒都与周围多个不同走向的长柱状组织相连接，彼此相互制约和加强。互相连接的长柱状颗粒能较好的抵抗由于热震引起的裂纹的扩展，此时裂纹会发生分支、偏转、颗粒拔出，这些都使裂纹扩展所需的能量提高。当一个柱状组织受力导致变形或开裂时，必然受周围其它柱状组织的限制与加强，此时表现为抗热震性能的提高。

综合考虑不同粒度的红柱石对矾土基基喷涂料的线变化率、体积密度、常温抗折强度、常温耐压强度、常温耐磨性能、热膨胀系数和抗热震性能的实验结果，可以得出：在本实验条件下，不同粒度的红柱石对改善材料性能起着不同的作用，粗粒度的红柱石可以提高材料的耐磨性能和高温强度，而细粒度的红柱石可以改善材料的抗热震性能。

3 结论

（1）添加粗粒度的红柱石并不能有效弥补矾土基喷涂料经高温热处理产生的收缩。

（2）矾土基喷涂料的体积密度随着红柱石粒度的增大而增大。

（3）不同粒度的红柱石未对矾土基喷涂料经中温热处理后的强度产生明显影响，粗粒度的红柱石可以提高矾土基喷涂料的经高温热处理后的强度。

（4）矾土基喷涂料的耐磨性能随着红柱石粒度的增大而提高。

（5）细粒度的红柱石有利于改善矾土基喷涂料的抗热震性能。

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3张巍,戴文勇,李亮.硅微粉及热处理温度对铝矾土基喷涂料性能影响.中国粉体技术,2010,16(3):74～77

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8张巍,戴文勇,千代田修明.堇青石对莫来石-铝矾土浇注料性能的影响.硅酸盐通报,2009,28(6):1286～1290

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10张巍,韩亚苓.氧化铝基陶瓷抗热震性的研究进展.陶瓷学报,2008,29(2):193～198

11林彬荫.蓝晶石-红柱石-硅线石.北京:化学工业出版社, 1998