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高铝矾土中的这5种杂质,对其性能都有哪些影响?
  • 作者:江宣    来源:江苏江能新材料科技有限公司    时间:2020-6-18    点击:971

  高铝铝矾土的化学成分主要是Al2O3SiO2Fe2O3TiO2CaOMgOK2ONa2O等,经过高温烧结以后,绝大部分的Al2O3Fe2O3(w(Al2O3)>95wt%w(Fe2O3)>80wt%)进入结晶相;大部分的SiO2TiO2进入结晶相,但随着Al2O3含量的变化,SiO2TiO2进入结晶相的比例有较大的波动,w(SiO2)44~92wt%之间波动,w(TiO2)62~94wt%之间波动;大部分的CaOMgO进入玻璃相,几乎全部的K2ONa2O进入玻璃相,详见图1。杂质对铝矾土熟料的影响如下:


 


(1)TiO2

  TiO2是高铝矾土中含量较高的杂质,通常含量为2~4wt%。在II级高铝矾土中,大部分的TiO2固溶入莫来石晶格中,小部分的TiO2进入玻璃,TiO2II级高铝矾土的烧结不利,但对制品的高温力学性能有利;在特级、I级和III级铝矾土中,TiO2进入玻璃相较多,使得液相量增加、液相黏度降低,促进了烧结过程的进行,但对制品的高温性能不利。


  TiO2在高矾土烧结过程中去向:—部分TiO2进入刚玉和莫来石晶格,形成固溶体;一部分TiO2Al2O3反应生成Al2O3·TiO2;其余的TiO2进入玻璃相,降低粘度。后两个去向对制品的高温机械性能不利。固溶体的形成和液相粘度的降低等使得TiO2能显著降低高铝矾土熟料的烧成温度,大约每增加0.4wt%TiO2,烧结温度能降低20;TiO2控制在2.3~2.5wt%范围内,能使瓷质中结晶相总量最高,并使Fe2O3在结晶相中的固溶度最大,使较多的SiO2进入玻璃相。

 

1 氧化物进入结晶相的比例随Al2O3含量的关系


(2)Fe2O3

  Fe2O3在高铝矾土中是一种有害杂质。刚玉相和莫来石相的含量受Fe2O3的含量影响不大,但Fe2O3含量的增加会使得玻璃相的含量相增加,并且影响相对较为明显的,Fe2O3含量每增加1wt%,会增加约0.7wt%的玻璃相。在高铝矾土烧结过程中,Fe2O3大部分进入主晶相(刚玉和莫来石)形成固溶体,少部分进入玻璃相,还有一部分与Al2O3TiO2形成固溶体(Al2O3·TiO2Fe2O3·TiO2)Fe2O3的存在有利于促进烧结的进程。


  Fe2O3TiO2相比,在烧结过程中降低烧成温度的能力较低,这是因为液相量受Fe2O3含量的增加而增加很少,Fe2O3降低烧成温度的作用取决于烧成气氛,在氧化气氛中Fe2O3降低烧成温度的作用较小,并且明显使烧结范围变窄;在还原气氛中Fe2O3能显著地降低烧成温度,这是由于FeO的出现会产生较多的液相。


(3)K2ONa2O

  K2O是高铝矾土的有害杂质氧化物,主晶相和玻璃相的含量受K2O含量的增加而有较大的变化。每增加1wt%K2O,玻璃相增加约7wt%,莫来石相含量减少15~20wt%,刚玉相含量增加8~13wt%。图2K2O对烧结高铝矾土物相组成的影响的示意图。

  

  K2O含量的增加会破坏原有的网络结构,使得玻璃相中的有害杂质增多,对高铝矾土的高温力学性能不利。K2O在高铝矾土烧结过程中的作用首先是阻碍二次莫来石化进程,其次是分解己形成的莫来石(主要是一次莫来石)


K2O含量对材料化学组成的影响主要有以下几方面:

  (a)结晶相。随着高铝矾土中K2O含量增加,烧后高铝矾土晶相中SiO2降低很快,Al2O3含量增加,TiO2略有降低,即对SiO2影响最大。对于I等高铝矾土,K2O1.75wt%时有一转折点:当K2O0.01wt%增至1.75wt%时,SiO2进入结晶相的比例从87.5wt%降至16wt%,即SiO2进入结晶相的比例快速下降;K2O继续增加时,这一比例降低的速度变慢。而对于II等高铝矾土,当K2O0.01wt%增至3.51wt%时,SiO2进入结晶相的比例从84wt%降低到11wt%,基本呈直线关系。也就是说,无论I等或II等高铝矾土,当K2O含量小于1.75wt%,其烧结后K2O全部进入玻璃相;K2O含量超过1.75wt%后,则有部分K2O进入结晶相。如II等高铝矾土,当K2O含量为3.51wt%时,约有25wt%K2O进入结晶相。


  (b)玻璃相。随着高铝矾土中K2O含量增加,烧后高铝矾土玻璃相中SiO2K2O增加,其余氧化物减少。

  Na2OK2O相近,也是极有害的杂质。

 

2 K2O对烧结高铝矾土物相组成的影响(I-I等高铝矾土;II-II等高铝矾土)


(4) CaO

  中国地区铝矾土中CaO含量一般0.2wt%,个别地区达到2wt%以上。随着CaO含量的增加,莫来石显示锐减,钙长石生成并增长。在该阶段,随着CaO量增多,生成莫来石量迅速减少,钙长石出现并逐渐增多。一般每增加1wt%,莫来石减少9wt%,钙长石增加4~5wt%,刚玉增加3~4wt%,玻璃相含量增加0.7~0.8wt%。直到CaO含量超过一个转折点(对于I等高铝矾土CaO含量约6wt%II等高铝矾土CaO含量约10wt%),莫来石全部消失,其网络结构遭到破坏,高熔点的结晶相直接结合率明显下降,造成材料的性能明显降低。


(5)MgO

  MgO含量对烧结高铝矾土相组成的影响与高铝矾土中Al2O3含量有密切关系。对于I等烧结高铝矾土,每增加1wt%MgO,刚玉减少2.5wt%,莫来石增多3.3wt%,此阶段对材料性能影响较小。


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