耐腐蚀陶瓷辊棒的研究

方仁德 黄宾

摘 要：以氧化铝微粉、耐火粘土、硅酸锆为主要原料，滑石和碳酸钙为助溶剂，V2O5为矿化剂，采用真空挤出工艺制备出刚玉-莫来石质的致密材料，考察助熔剂对辊棒气孔率的影响及V2O5对莫来石晶体生长的影响，通过XRD和SEM表征在高温烧结下的晶型和微观结构，并测试样品的高温抗折强度。实验结果表明：滑石和碳酸钙的质量配比为0.5%：0.5%时，在3%的V2O5外加剂的作用下，可制备出吸水率为0.25%、显气孔率为0.81%，高温强度（1100℃）为130.67 MPa，热膨胀系数为6.15×10-6/℃的耐腐蚀陶瓷辊棒。

关键词：耐腐蚀;助溶剂;V2O5

1 前 言

陶瓷墙地砖的烧成周期普遍不到1 h，生坯在升温阶段需快速预热，通常辊道窑高温烧成带的高温尾气被抽往升温区预热带，以达到节能和快速烧成的目的。高温尾气中含有大量燃气燃烧产生的腐蚀性气体如二氧化硫等，也含有陶瓷坯体烧成过程中产生的污染性成分如氯離子、氮氧化物等。这些气态污染物腐蚀性很强，也容易渗进有一定孔隙率的陶瓷辊棒内部。陶瓷辊棒长期在这种恶劣气氛环境中运行，在一定温度下辊棒的有效成分易与污染物起反应，内部结构易发生改变，导致辊棒性能恶化，强度降低、脆性增大，最终出现断裂损毁，影响瓷砖的生产。

为此，针对性地研发耐腐蚀抗弯陶瓷辊棒具有重要的意义。

刚玉莫来石质陶瓷辊棒依然是陶瓷辊棒最佳选择的体系[1]，研究耐腐蚀型陶瓷辊棒，从辊棒的显气孔率为落脚点，从辊棒的微观结构为出发点，降低辊棒的显气孔率和改善辊棒的微观结构，制备出柱状生长的、显气孔率小的刚玉莫来石陶瓷辊棒，防止陶瓷坯体烧成过程中产生的污染性成分侵入到辊棒本体，且少量进入到辊棒内部的腐蚀性成分对辊棒的腐蚀速率较低。

2 前 期 试 验

2.1 陶瓷烧结体的制备

陶瓷的制备工艺流程如下所示：

原料→烘干→称料→球磨→烘干、过筛→干压成型→干燥→烧成，加入一定量的添加剂，成型压力为30 MPa，试样尺寸（mm）为：50×10×5。坯体干燥后，将各试样在硅钼棒炉中于1600℃保温2 h 烧成，停止加热后随炉温自然冷却。

2.2 陶瓷烧结体的性能表征

采用阿基米德法测试烧结体的吸水率和体积密度，并据此计算显气孔率。

2.3 试验的设计

3 烧结体的结果与讨论

3.1 试样的烧结状况

从烧结性能来看，在电炉1600℃烧结的情况来看，未加助熔剂的烧结体的吸水率较高，达到11.55%，其显气孔率也较高，为26.22%，为此，添加部分的助熔剂，以降低烧结温度。从Ⅱ配方烧成情况来看，其吸水率大大降低，完全可以达到设计要求。从打饼电炉及管坯窑炉烧制的对比经验来看，打饼烧制的吸水率为3.5%时，管坯在窑炉中，烧制后的辊棒吸水率可以达到0.1%以下，但由于辊棒为管状陶瓷，辊棒在窑炉中烧制时保温时间较长（一般为6h），辊棒容易产生过烧的现象。

降低助熔剂中的滑石或碳酸钙的含量时，烧结体的吸水率显著上升，其中，滑石的助熔效果较碳酸钙的助熔效果好，烧结体的吸水率为4%时，管坯在窑炉中烧制后的辊棒的吸水率预计可以达为0.2 ～ 0.5%。

由于选择的V2O5的价格太贵，考虑到生产成本的原因，选择了两个比例进行试验，据报道，V2O5对莫来石的生长有显著的促进作用[2]，因此出管等进行试验。

4 辊棒制备试验

4. 1 辊棒的制备工艺

采用Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ和Ⅵ四个配方按照制备工艺（原料→烘干→称料→配料→球磨→压滤→练泥→陈腐→出管→干燥→烧成→检测）得到φ60的管坯，练泥时加入一定量的添加剂（木质素磺酸钙溶液），并将管坯在井式窑或梭式窑中于1600℃保温6小时进行吊烧烧制，得到辊棒产品。

4.2 辊棒的结构和性能表征

采用阿基米德法测试烧结体的吸水率和体积密度，并据此计算显气孔率，利用Y-4型的X射线衍射仪分析试样的晶相;利用德国耐驰DIL402PC热膨胀系数检测仪对试样的热膨胀系数进行检测，采用JM-6460LV型扫描电子显微镜观察试样的断面微观形貌，利用广州精控测试仪器有限公司生产的GD-1型耐火材料高温试验机测量高温抗折强度。

5 辊棒的结果与分析

5.1 辊棒的烧结状况

I配方的吸水率和显气孔率均较大，未达到设计要求，从辊棒的外观来看，Ⅱ配方辊棒存在大量的气泡，这主要是助溶剂的含量较高，烧结温度太低的缘故，要解决此配方气泡的问题，可以适当降低烧成温度，但是这样辊棒的体积密度会降低，辊棒的高温强度也较低，Ⅴ和Ⅵ配方的辊棒的烧结状况良好，达到设计要求。

5.2 辊棒的热膨胀系数及物相情况

从以上试验结果可以看出，加入一定量的助熔剂后，辊棒的热膨胀系数基本不变，主晶相含量不变，但出现了少量的镁橄榄石相，该相耐火度较高，可以少量的存在于辊棒中，而随着V2O5含量的增加，辊棒的莫来石相的含量有所提高，这主要是因为V2O5促进了莫来石晶核的形成和莫来石晶体的发育，非晶相含量显著下降，这对于辊棒的高温强度的保证具有重要的作用。

5.3 辊棒的微观结构

从辊棒的结构来看，V2O5含量为1%时，辊棒绝大部分为针状结构，而V2O5含量为3%时，针状莫来石晶体横向发育，形成一定量的柱状莫来石晶体，且柱状莫来石晶体交错排列，有利于辊棒的高温强度保证，经检测，辊棒的高温强度为130.67 MPa，该辊棒经恩平某陶瓷厂验证，使用6个月后，几乎无腐蚀性物质侵入到辊棒内部，辊棒的高温强度为128.71 MPa，辊棒的高温强度衰减率较低（1.50%），可达到预期要求。

6 结 论

（1）通过助熔剂可以降低陶瓷的吸水率和显气孔率;

（2） 助熔剂含量较多可以显著降低烧成温度，但是易产生气泡现象，管坯窑炉烧制和打饼电炉烧制存在一定的对应关系;

（3） V2O5含量越高，对辊棒的微观结构调控更明显，但考虑生产成本，不宜加入量太多;

（4） 滑石和碳酸钙的质量配比为0.5%：0.5%时，在3%的V2O5外加剂的作用下，可制备出吸水率为0.25%、显气孔率为0.81%，高温强度（1100℃）为130.67 MPa，热膨胀系数达为6.15×10-6/℃的陶瓷辊棒;

（5） 该陶瓷辊棒在恩平某陶瓷厂使用6个月后，肉眼及放大镜观察辊棒的外观，未发现有腐蚀性物质侵入到辊棒内部，检测窑内辊棒的高温强度（1100℃），为128.71 MPa，强度衰减率为1.50%，可以满足客户使用。

参考文献

[1] 张银凤， 王时晨，等. 莫来石陶瓷材料的烧结机理研究[J].湖北理工学院学报，2018，06 ：31～34.

[2] 刘永鹤， 彭金辉，等. 莫来石晶须长径比影响因素的响应曲面法优化[J].硅酸盐学报，2011，03：401～408.