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莫来石的合成
  • 作者:江宣    来源:江苏江能新材料科技有限公司    时间:2022-5-12    点击:712

什么是莫来石?

  莫来石是以3Al₂O₃·2SiO₂结晶相为主要成分的耐火原料。莫来石分为天然莫来石和人工合成莫来石两类。天然莫来石很少,一般采用人工合成。

 

  莫来石的化学成分为Al₂O₃71.8%,SiO₂28.2%。矿物结构为斜方晶系,晶体呈长柱状、针状、链状排列,针状莫来石在制品中互相穿插构成坚固的骨架。莫来石分成3种类型:α-莫来石,相当于纯3Al₂O₃·2SiO₂,简称3:2型;β-莫来石,固溶有过剩三氧化二铝,晶格略显膨胀,简称2:1型;γ-莫来石,固溶有少量氧化钛和三氧化二铁。莫来石化学性质稳定,不溶于氢氟酸。其密度为3.03g/cm3,莫氏硬度6-7,熔点1870℃,热导率(1000℃)为13.8W/(m.K),线膨胀系数(20-1000℃)为5.3*10⁻⁶/℃,弹性模量1.47*101oPa。


  由于莫来石具有良好的高温力学、高温热学性能,因此,合成莫来石及其制品具有密度和纯度较高,高温结构强度高,高温蠕变率低,热膨胀率小,抗化学侵蚀性强,抗热震等优点。


  评价莫来石质量水平的关键指标是莫来石的相组成和致密度


  莫来石的合成方法可分为烧结法和电熔法,烧结法按照原料制备的方式又有干法和湿法之分,干法工艺是将配料共同粉磨,经压球或压坯后用回转窑或隧道窑烧成;湿法工艺是将配合料加水磨成料浆,再压滤脱水成为泥饼,真空挤泥成为泥段或泥坯再经烧成。


  电熔法是将配合料加入到电弧炉中,在电弧形成的高温中熔融,冷却析晶而成,采用天然原料配料时(如铝矾土等)可不经粉磨直接将块状原料破碎至<1.5mm的颗粒即可,再与其他粉状原料在混合机中混合均匀。


 


  烧结合成莫来石一般在1650~1700℃下进行。影响烧结法合成莫来石的主要工艺因素是原料的纯度、原料的细度和煅烧温度。烧结法合成莫来石主要依靠Al₂O₃和SiO2间的固相反应来完成,因此提高原料的分散度,将会加速固相反应的进程。特别是<8μm的微粒,对合成莫来石的形成和烧结作用很大。可见原料充分混合细磨,是促使合成莫来石的固相反应充分进行的重要工艺条件。莫来石一般在1200℃即开始生成,到1650℃时终止。此时呈微晶状,当温度超过1700℃时结晶发育好。由此可知,燃烧温度直接影响莫来石的形成和晶体的发育。因此,加热到一定的烧成温度并延长一定的保温时间,是合成莫来石的必要条件。合成莫来石所用原料的纯净度要求很严格,少量杂质成分就会降低莫来石的含量。在工业生产中,不可避免地要带入各种杂质,主要有Fe₂O₃、TiO₂、CaO、MgO、Na₂O·K₂O,其中危害最大的是Na₂O、K₂O,它们抑制莫来石的形成,并导致大量的富硅玻璃相的产生,降低莫来石含量。Fe₂O₃会延缓莫来石化的进程,并增加玻璃相的数量。当TiO₂少量存在时,部分Ti离子进入莫来石晶格形成固溶体,促进莫来石的形成和晶体发育长大,当TiO2含量过高时,则仍起熔剂作用。


  电熔莫来石是将配合料在电弧炉中熔融,莫来石从熔体中冷却析晶而制得,其析晶过程与Al₂O₃-SiO₂系统相图的析晶过程相似。当配合料的Al₂O₃高于莫来石中的理论组成71.8%时,形成溶有过剩Al₂O₃的莫来石固溶体即β-莫来石,只有Al₂O₃>80%时才会出现刚玉相。电熔莫来石的矿相组成一般为莫来石晶体和玻璃相。我国电熔莫来石行业标准YB/T104-2004“电熔莫来石”将电熔莫来石产品按Al₂O₃含量分为DM-1和DM-2两个牌号,有关技术条件可以见相应的国家标准。与烧结莫来石相比较,电熔莫来石晶体发育完善晶粒大、缺陷少,晶体尺寸是烧结莫来石的数百倍,因此高温力学性能和抗侵蚀性都相对要好。


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