莫来石轻质骨料的制备及性能研究

刘鹏程 茆忠军 遇 龙 赵嘉亮 谢志鹏

1）江苏中磊节能科技发展有限公司 江苏盐城 224213

2）辽宁科技大学材料与冶金学院 辽宁鞍山 114051

3）清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室 北京 100084

莫来石轻质骨料具有热导率高、热膨胀系数小、高温蠕变小、化学性质稳定等特性，常作为冶金连铸中间包的永久层材料［1－3］。然而，莫来石轻质骨料在中间包使用过程中极易出现煅烧收缩现象，导致中间包内衬材料发生剥落［4］。

莫来石轻质骨料多以天然高铝矾土、高岭土、黏土、煤矸石等为主要原料制备［5－6］，也有以蓝晶石为原料制备的。但蓝晶石的莫来石化过程伴有16% ～18%的体积膨胀［7］，不利于材料综合性能的提升［8－9］。因此，如何控制蓝晶石的体积膨胀效应是制备性能优良莫来石轻质骨料的关键。硅溶胶作为一种常温结合剂，目前已逐渐应用到耐火材料中［10－11］。硅溶胶中的纳米SiO2具有较高的化学反应活性，具有促进烧结收缩的作用，从而可以部分抵消蓝晶石莫来石化的膨胀效应。

基于此，在本工作中，以蓝晶石细粉为主要原料，核桃壳粉为造孔剂，硅溶胶为结合剂，制备了莫来石轻质骨料，分别研究了煅烧温度（1 300～1 600℃）和保温时间（60～180 min）对莫来石轻质骨料的体积密度、显气孔率、烧后线变化率、物相组成和显微结构的影响。

1 试验

1.1 原料

采用d50＝60.4μm的蓝晶石细粉为主要原料，粒度＜0.137 mm的核桃壳粉为造孔剂，其化学组成见表1；采用w（SiO2）＝30%、w（Na2O）≤0.06%、pH＝2.2～3.6、密度为1.19～1.21 g·cm－3、胶粒粒径为10～20 nm的硅溶胶为结合剂，以固相含量为6%（w）的聚乙烯醇（PVA）作为造粒结合剂。

表1 原料的化学组成Table 1 Chemical composition of starting materials

1.2 试样制备

各试样的原料配比相同：蓝晶石细粉和核桃壳粉的质量分数分别为70%和30%，每100 g蓝晶石细粉和核桃壳粉混合料中加入10 g硅溶胶。按此配比配料后，在行星球磨机中以氧化锆球为研磨介质（球料质量比为3∶1）混合2 h得到混合物料，在室温条件下困料24 h后，在110℃真空干燥箱中干燥1 h。然后按每100 g混合物料加入1 g聚乙烯醇进行造粒。采用769YP－24单轴型粉末压片机压制成φ20 mm×5 mm的坯体，在110℃干燥箱中干燥24 h后，置于高温炉中，分别在不同温度（1 300、1 400、1 500、1 600℃）下保温180 min以及在1 500℃分别保温不同时间（60、120、180 min）进行煅烧（升温速率均为5℃·min－1），最后随炉冷却。

1.3 检测与表征

按GB／T 5988—2022检测试样的烧后线变化率，按GB／T 2998—2001检测试样的体积密度和显气孔率，按GB／T 3001—2007检测试样的常温耐压强度。

采用X’pert－MPD型X射线衍射仪分析试样的物相组成；测试条件如下：辐射源Cu Kα射线，管电压40 kV，管电流为100 mA，扫描范围10°～90°，扫描速度为10°·min－1；所得衍射数据用HighScore Plus软件进行分析处理，并采用HighScore软件进行定量分析，计算各物相的相对含量。采用ΣIGMA型扫描电子显微镜观察试样的表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 煅烧温度的影响

不同温度保温180 min烧后试样体积密度和显气孔率与温度的关系见图1。可以看出：1 300和1 400℃煅烧试样的体积密度和显气孔率差别不大，1 500和1 600℃煅烧试样的体积密度和显气孔率差别也不大；但1 500 ℃煅烧试样的体积密度比1 400℃煅烧试样的显著增大，1 500℃煅烧试样的显气孔率比1 400℃煅烧试样的显著减小。分析认为，试样在1 500℃保温180 min已经完成该有的煅烧致密化。

图1 不同温度保温180 min后试样的显气孔率和体积密度与温度的关系Fig.1 Apparent porosity and bulk density of specimens fired at different temperatures for 180 min

不同温度保温180 min试样烧后线变化率与温度的关系见图2。可以看出：不同温度烧后试样均产生膨胀，但在1 500和1 600℃烧后试样的线膨胀率比1 300和1 400℃烧后试样的略小。分析认为：试样煅烧后发生膨胀是因为蓝晶石莫来石化带来的膨胀效应超过了单纯的煅烧收缩效应；当煅烧温度达到1 500和1 600℃时，蓝晶石的莫来石化变化不大，但单纯的烧结收缩继续增大，因此导致试样的烧后线变化率减小。

图2 不同温度保温180 min试样的烧后线变化率与温度的关系Fig.2 Linear change rate on heating of specimens fired at different temperatures for 180 min

不同温度保温180 min试样的SEM照片见图3。可以看出：煅烧温度为1 300℃时，莫来石晶粒呈短柱状，长度为1～1.5μm；煅烧温度为1 400℃时，莫来石晶粒仍然以短柱状为主，无明显的变化；煅烧温度为1 500℃时，莫来石晶粒变大，分布也更均匀，形貌呈长柱状，长度达4.5μm；煅烧温度为1 600℃时，试样的显微结构没有发生明显变化，这进一步表明莫来石轻质骨料的适宜煅烧温度为1 500℃。

图3 不同温度保温180 min试样的SEM照片Fig.3 SEM images of specimens fired at different temperatures for 180 min

在不同温度保温180 min烧后试样的XRD图谱见图4，各物相含量见表2。可以看出：1 300℃煅烧所得试样中含有莫来石（质量分数为46%）、蓝晶石（质量分数为22%）、刚玉（质量分数为20%）和方石英（质量分数为12%）；1 400℃煅烧所得试样中含有莫来石（质量分数为73%）、刚玉（质量分数为18%）、方石英（质量分数为6.4%）、蓝晶石（质量分数为2.6%）；1 500和1 600℃煅烧所得试样中莫来石、刚玉、蓝晶石和方石英的物相含量基本保持稳定，且莫来石含量已达到85%（w）以上，蓝晶石及方石英的含量在2%（w）左右。这也就表明1 500℃时莫来石化基本完成，重结晶烧结阶段结束。因此，莫来石轻质骨料的最佳煅烧温度是1 500℃。

图4 不同温度保温180 min试样的XRD图谱Fig.4 XRD patterns of specimens fired at different temperatures for 180 min

表2 不同温度保温180 min试样的物相相对含量Table 2 Relative phase contents of specimens fired at different temperatures for 180 min

2.2 保温时间的影响

1 500℃保温不同时间试样的体积密度和显气孔率见图5。

图5 1 500℃保温不同时间试样的显气孔率和体积密度Fig.5 Apparent porosity and bulk density of specimens fired at 1 500℃for different holding times

由图5可以看出：随着保温时间的延长，试样的体积密度逐渐增大，显气孔率逐渐减小。这是因为延长保温时间有助于试样的致密化。

1 500℃保温不同时间试样烧后线变化率见图6。可以看出：各试样的烧后线变化率几乎相同。这表明，在1 500℃保温60～180 min过程中，蓝晶石莫来石化的体积膨胀与煅烧收缩是等量变化的。

图6 1 500℃保温不同时间试样的烧后线变化率Fig.6 Linear change rate on heating of specimens fired at 1 500℃for different holding times

1 500℃保温不同时间试样的SEM照片见图7。可以看出：各试样中的莫来石均为长柱状，长度均约为4.5μm。综合考虑体积密度、显气孔率和烧后线变化率以及能源消耗后认为，本试验中莫来石轻质骨料的最佳保温时间为60 min。

图7 1 500℃保温不同时间试样的SEM照片Fig.7 SEM images of specimens fired at 1 500℃for different holding times

1 500℃保温不同时间试样的XRD图谱和各物相的相对含量见图8。可以看出：各试样均含有约85%（w）的莫来石和约15%（w）的刚玉，表明在1 500℃保温60 min基本完成了莫来石化，这进一步证明本试验中莫来石轻质骨料的最佳保温时间为60 min。

图8 1 500℃保温不同时间试样的XRD图谱和各物相的相对含量Fig.8 XRD patterns and relative phase contents of specimens fired at 1 500℃for different holding times

3 结论

在本试验中，制备莫来石轻质骨料的最佳煅烧条件为1 500℃保温60 min。制备的莫来石轻质骨料的体积密度为1.18 g·cm－3，显气孔率为59.8%，烧后线膨胀率为2.58%，莫来石相含量为86%（w），莫来石晶粒为长柱状。