杨东亮 刘凯民 张儒岭
( 山东省硅酸盐研究设计院, 淄博 255129)
摘要 通过对国外几种高温陶瓷辊棒组成、显微结构与性能的分析, 研 究了辊棒的化学—矿物组成、 显微结构与性能的关系。 采用国产高纯原料 及自行研制的高压液压挤管机和全自动、 大容积高温梭式窑, 研制成功了 高温力学性能、 抗热震性能优良的高温陶瓷辊棒, 其主要技术性能达到国 外同类产品水平, 可以满足烧成温度在 1200～ 1300°C 的高温辊道窑的使用 要求。 关键词 莫来石 刚玉 高温辊棒 显微结构 性能
成、 显微结构特征及性能的研究, 我们认为 适于 1300°C 以下的陶瓷辊棒的材料主要是 莫来石—刚玉质复相材料, 这类材料不但具 有高温力学性能好、 耐火度高等特点, 而且 与单一的刚玉质或莫来石质材料相比, 具有 更加优异的抗热震性能。 据此, 我们进行了 莫来石—刚玉质高温陶瓷辊棒的研制工作。 经过近两年努力以国产高纯原料为主, 采用 自行研制的高压液压挤管机挤制成形以及全 自动高温梭式窑吊烧工艺, 研制生产出了高 温力学性能好、 抗热震性能优良的高温陶瓷 辊棒, 经许多建陶生产厂家特别是部分瓷质 砖生产厂家使用证明, 我们研制生产的莫来 石—刚玉质高温辊棒可以满足新型宽断面高 温辊道窑的使用要求, 产品质量达到了国外 同类产品的技术水平。
1 引言
“七五”到“八五”期间, 我国的建筑陶 瓷工业取得了飞速发展, 通过大量引进国外 建筑陶瓷工业的先进技术与装备, 以及国内 众多科研院所、 高等院校及建陶生产厂家对 引进技术设备的积极消化吸收, 使我国的建 筑陶瓷生产技术水平迅速提高, 产量也迅速 递增。据不完全统计, “八五”期间, 我国建 材工业墙地砖产量以每年 47% 的速度增长,
1995 年产量高达 9 亿平方米, 拥有新型辊道
窑千余条, 辊棒市场需求量较大。 此外, 由 于辊道窑具有快烧、 节能、 自动化程度高等 特点, 近年已逐渐应用到卫生陶瓷、 日用陶 瓷等行业。 目前辊道窑的发展趋势是向宽断 面、 高使用温度方向发展, 因而对辊道窑用 陶瓷辊棒提出了更高的质量要求。 尽快研制 生产符合新型辊道窑要求的高温陶瓷辊棒具 有重要意义。
根据高温陶瓷辊棒材料性能的要求以及 近 年 来 对 国 外 高 温 陶 瓷 辊 棒 化 学—矿 物 组
2
211
实验内容与结果
原料
研制生产高温陶瓷辊棒所用的主要原料
收稿日期 1996—08—23
9 第1 期杨东亮等: 莫来石—刚玉质高温陶瓷辊棒的研制
(% )
表1 原料及其化学组成
原料S i O 2 A l2O s F e2O 3 T i O 2 C a O M gO K 2O N a2O I L 刚玉—99100 —————0130 —22194 72123 0134 0123
合成莫来石—————煅烧高岭土49122 47151 0178 1124 0131 0143 ———99105 0110
粉末注射成型
煅烧氧化铝———————46171 36101 0147 0184 0123 0130 0120 0130 14192 结合粘土
及其化学组成见表1。
212 试验方法
根据国外高温陶瓷辊棒的化学—矿物组成及其显微结构特点, 合理设计了几组配方。每个配方配制2000g 料, 采用湿法工艺配料, 烘干制粉, 在液压成形机上分别压制成10×10 ×110mm 和25 ×25 ×150mm 的生坯试样, 臵于高温电炉中, 在不同温度下烧成。然后分别测试各组试样的烧结性能(吸水率、体积密度、气孔率)、常温抗弯强度、1100°C →水率、挤制压力、挤出速度等工艺参数; 辊棒的烧成工艺制度。经过近半年的试生产, 我们研制的莫来石—刚玉质高温陶瓷辊棒目前已在淄博三利高温材料有限公司正式投入生产, 设计年产量20 万支, 生产的高温陶瓷辊棒的化学2矿物组成及主要技术性能指标见表2。
表2 辊棒化学—矿物组成及性能指标
A l2O3:80～82 S i O 2:18～20
20°C 水中急冷一次后的强度保持率及1250℃条件下试样的高温抗弯强度。
通过对比分析试验结果, 优选出各项技术性能较好的配方, 进行生产性试验。制备塑性泥料, 用高压挤管机挤制成所需规格的辊棒, 干燥后坯体在高温梭式窑中吊装烧成。取样测试辊棒产品主要技术性能, 并将辊棒安臵在辊道窑中实际使用验证。
213 结果
通过试验我们认为, 影响高温陶瓷辊棒使用性能的主要因素有以下几点: 所用原料质量的化学组成和矿相组成; 莫来石基质的化学组成和显微结构特征; 坯料的塑性、含
化学组成( % )
矿相组成体积密
度(gƒc m 3) 气孔率
( % ) 吸水率( % )
常温抗弯强度(M P a)
高温抗弯强度(M P a)
( 1250°C ) 抗热震性
( 1300°C～室温)
热膨胀性能( ×10- 6 ƒ°C )
耐火度( °C )
莫来石刚玉
214～216
液压滑环
24～26
10～12
40～45
35～40
很好
> 5 次
610～612
> 1750
10
六旋翼无人机
山东陶瓷 第 20 卷
图 1 莫来石—刚玉质高温陶瓷辊棒 X 2射线衍射分析
后, 经练泥机两次真空练泥, 真空度要求大 于或等于 01094M P a , 然后陈腐备用, 达到陈 腐期并且泥料水份适宜时即可挤制辊棒。
312 辊棒成形
目前国内外陶瓷辊棒成形主要有注浆成 形、塑性挤出成形和等静压成形 3 种方法。注 浆成形工艺对于直径大于 40mm 、 长度大于 2500mm 的陶瓷辊棒已难以完成; 对于大规 格陶瓷辊棒国内外的辊棒生产厂家多采用塑
性挤出成形方法。 国外的挤出成形设备设计 制造精良, 材料、 结构选用合理, 可使用低 水分泥料挤制陶瓷辊棒, 其生产效率高, 产 品质量好。 采用挤出成形工艺的关键是泥料 的低水分和高可塑性以及适用于低水分泥料 的制泥设备和挤制成形设备。 我们参考国外 挤出辊棒设备的结构和使用性能特点, 组织 有关工程技术人员设计制作了可使用低水分 泥料成形陶瓷辊棒的高压液 压 水 平 式 挤 管 机, 该机成形压力可达 30M P a , 泥料受压达 图 2 莫来石—刚玉质高温陶瓷辊棒偏光显微照片 750×
高温陶瓷辊棒 X 2射线衍射图谱和偏光 显微镜照片见图 1、 图 2
三 生产工艺
电梯井口门
生产高温陶瓷辊棒所采用的工艺流程如 下:
配料球磨→泥料制备→陈腐→挤制成形 →干燥→吊装烧成→冷加工→成品 311 泥料制备
采用湿法工艺制备泥料, 原料球磨滤泥
10M P a 。 用该设备挤制陶瓷辊棒, 坯体表面 光滑, 致密均匀, 生产效率高。 挤制的辊棒 坯体质量达到了国外挤管机的挤坯水平, 使
11
第 1 期
低温热管
杨东亮等: 莫来石—刚玉质高温陶瓷辊棒的研制 313 辊棒的烧成
目前国内外较为先进的陶瓷辊棒烧成窑 炉是全自动、大容积、窑车装载式梭式窑。该
窑炉以重结晶碳化硅材料为窑具, 将辊棒悬 挂在重结晶碳化硅方梁上吊装烧成。 近年来 随着国内许多单位对国外新型梭式窑炉技术 的消化吸收以及国内在高档窑炉耐火材料、 窑炉燃烧系统、窑炉自控
系统等方面的进步, 使得国内对新型梭式窑炉的设计制造技术有 了较大突破。 在充分调查研究的基础上, 组 织有关单位及科技人员, 结合不同发达国家 窑炉先进技术和经验, 设计建造了国内第一 座全自动高温陶瓷辊棒烧成梭式窑, 窑炉总 容积达 60m 3 , 设计最高烧成温度 1550°C 。该 窑炉以国产新型轻质断热砖为内衬, 采用了 悬挂式平窑顶、 钩挂式薄窑墙、 悬挂式窑门 等新技术和结构; 燃烧系统采用高速等温烧 嘴, 强化了窑内的对流传热效果, 提高了窑 内温度的均匀性, 升温阶段, 各烧嘴燃烧正 常后, 热电偶显示窑内温差在 5°C 以下; 烧成 全过程中升温降温速度及窑压调节均实现微 机程序控制, 窑炉使用操作方便。 用该窑炉 生产陶瓷辊棒, 具有装窑容量大、 生产效率 高等特点。 以烧制Ø 42×4000 的辊棒为例, 每窑 可 装 烧 1400 条 之 多, 烧 后 成 品 率 在
95% 以上。
314 陶瓷辊棒规格及冷加工
根据不同规格型号辊道窑所用陶瓷辊棒 的尺寸要求, 我们可以生产直径Ø 25～ Ø 60、 一是高温力学性能 (主要包括高温抗弯强度 和抗蠕变能力) 要好, 在高温重荷载使用条 件下不变形、 不断裂; 二是要有较好的抗热 震性能, 能承受从高温状态下瞬时抽出窑外 降至室温然后再插入窑内的急冷急热变化, 经几次热交换不炸裂。 根据我们多年来在特 种耐火材料方面的研究成果和对国外高温陶 瓷辊棒的研究结果, 认为以莫来石基质结合 的刚玉复相材料可以满足高温陶瓷辊棒对上 述使用条件的性能要求。
在这种复相材料中, 刚玉有两种作用: 一是提高材料的抗蠕变能 力; 二是利用其热膨胀率与莫来石基质热膨 胀率的差异形成微裂纹结构来提高材料的耐 热震性能。 刚玉的加入量及粒度组成会直接 影响材料的常温和高温力学性能及耐热震性 能。 对辊棒高温力学性能起决定作用的是其 基质的相组成和显微结构特征。 如果基质中 的玻璃相含量少而莫来石相含量高, 且莫来 石针状晶体发育良好, 少量的玻璃相存在于 针状晶体的间隙中, 则材料的常温和高温抗 弯强度及高温抗蠕变能力必然高。 显然, 要 形成这样合理的相组成和显微结构, 基质部 分的配方组成、 原料的化学—矿物组成、 粒 度组成、 材料的烧成温度及烧成制度都是极 为重要的工艺条件, 其中原料的化学—矿物 组成、配方组成的 A l 2O 3 ƒS i O 2 比、较高的挤 制压力和足够的烧成温度是获得高性能产品 的决定性因素。 高温陶瓷辊棒除了要有较好
的高温力学 性能外, 还必须具有良好的抗热震性能。 我 们研制的莫来石—刚玉质高温陶瓷辊棒, 合 理地利用了刚玉和莫来石晶相之间的热膨胀 差, 在莫来石基质中引入一定数量和粒度的 刚玉颗粒料, 经过高温烧成后, 在辊棒材料 长度 2000～ 3500mm 的各种辊棒, 而且拥有 整套辊棒冷加工系统, 可以按用户提出的不 同尺寸要求进行切割、 铣孔、 铣槽、 端头磨 削等冷加工。所加工的陶瓷辊棒尺寸精确、规 整度好, 要求。
能够满足用户提出的任何加工使用 (Α≈ 513×10- 6 ƒ°C ) 中形成了一种由莫来石 和微量玻璃相 (Α≈ 410×10 ƒ°C ) 为基质及 - 6
4 高温陶瓷辊棒组成、微观结构
刚玉颗粒为骨料的复相结构。 这些具有不同 热膨胀性能物相的结合, 在材料中形成了有 效的微裂纹结构, 当材料经受冷热交换时, 这
与性能的关系
高温陶瓷辊棒突出的性能要求有两点:
12 山东陶瓷第20 卷
些微裂纹可以吸收一部分能量缓冲有害的热应力, 从而大大提高了材料的抗热震性能。试验结果也证明了这一点, 通过测试试样经1100°C →20°C 水中热交换一次的常温强度保持率可以得知, 加入刚玉颗粒料的试样, 其强度保持率比单一莫来石基质料强度保持率提高了50% 。当然, 由于刚玉料本身就是一种高温性能优异的耐火原料, 因此刚玉料的加入在一定程度上也起到了提高陶瓷辊棒高温力学性能的作用。
对研制生产的高温陶瓷辊棒进行了偏光显微结构分析, 见图2。分析结果表明, 其显微结构特征为一次莫来石、少量细粒刚玉及微量玻璃相为基质胶结而成的由微裂纹环绕的刚玉斑晶结构。其微观结构特征与某些国外高温陶瓷辊棒的显微结构相近。产300×300mm 和400×400mm 的瓷质砖，产品最高烧
成温度为1230°C。经实际应用证明, 我们研制生产的高温陶瓷辊棒在该窑炉高温区使用时间可以达到80～90 天, 中间经过3 次取出清理釉渣仍可正常使用。同时在该窑炉高温区进行热交换, 测试辊棒的耐热震性能, 结果辊棒经连续3 次热交换, 均未出现炸裂情况。辊棒使用性能达到了国外进口高温陶瓷辊棒的水平。
6 结论
611 本研究采用莫来石、刚玉复相材料研制的高温陶瓷辊棒, 具有较好的高温力学性能和抗热震性能, 可以满足不同高温辊道窑的使用要求。
612 陶瓷辊棒的化学—矿物组成和显微结构特征决定着其高温力学性能和抗热震性能, 所用原料的质量及合理的生产工艺参数也对高温陶瓷辊棒性能有较大的影响。
613 国内首家采用自行研制的高压液压挤管机挤制成形和国产高温梭式窑吊装烧成工艺生产高温陶瓷辊棒, 工艺技术先进合理, 投资少, 见效快, 经济效益和社会效益十分显著。
5 高温陶瓷辊棒的使用情况
我们研制生产的莫来石—刚玉质高温陶
瓷辊棒先后在不同的辊道窑中进行了多次现
场使用试验, 重点在淄博华昆建筑陶瓷有限
公司进行了应用试验。华昆建筑陶瓷有限公
司辊道窑是进口意大利波比公司产宽体辊道
窑, 所用辊棒规格尺寸为Ø 42×2900mm , 生
D eve l opm en t o f M u llite2Co ru n dum 2B a sed H igh T em p e r a tu re
C e r a m ic R o lle r
Y a n g D on g l i a n g L iu K a i m in Z h a n g R u l i n g
(Sh a n d o n g In s t i tu t e o f C e ram i c s R e s ea r ch ”D e s i gh ,Z i bo 255129)
T h e re l a t i o n s h i p s b e t w een th e ch e m i ca l2m i n e ra l com p o s it i o n s, m i c ro s t r u c t u r e
A bstra c t
an d p rop e r t i e s o f th e ro lle r w a s i n v e s t i ga t ed b y an a l yx i n g th e com p o s it i o n s, m i c ro s t r u c t u r e, an d p rop e r t i e s o f seve r a l h i gh tem p e ra t u re ro lle r s ab r o a d. B y u s i n g dom e s t i c h i gh b u r ity m a2 te r i a l an d se l f2m ade h i gh p re s su r e li qu i d 2p re s su r e tu b e ex c h u d i n g m ach i n e, th e h i gh tem p e ra2 tu r e ce ram i c ro lle r w ith goo d h i gh te m p e r a t u re dym am i c p rop e r t i e s an d th e r m a l sho c k re s is2 tan c e w a s su c ce s sfu lly deve l op ed i n a fu lly au t om a t i c h i gh tem p e r a t u re sh u t l le k iln w ith la rge vo lum e. T h e p ro d u c tθs m a i n tech n i ca l sp e c i f i ca t i o n s h a ve reach e d to th e s tan d a r d o f th e sam e p ro d u c t ab r o a d an d can m ee t th e requ i rem en t s o f th e h i gh tem p e ra t u re ro lle r k iln w ho se f i r2 i n g ran g e is b e t w een 1200°C an d1300°C 1
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