骨料组成对莫来石耐火材料性能的影响

第1页骨料组成对莫来石耐火材料性能的影响摘要利用莫来石做为骨料、粘土做为结合剂、聚乙烯醇做为外加剂制备试样。变化骨料莫来石粒度为1-3mm粗颗粒和0-0.5mm中颗粒的所占配料比例，经过测定试样线变化、体密度、气孔率和抗压强度，来侧重探究骨料组成对莫来石耐火材料性能的影响，以及找出性能相对较好的配料组成。关键词：莫来石，配料组成，骨料第2页目录1前言.......................................................32实验部分...................................................42.1实验原料............................................42.2制备试样............................................52.3试样测量............................................62.3.1高度测定......................................62.3.2干重、湿重、悬浮重及体密度测量................62.3.3直径及抗压负荷测定............................72.4仪器设备............................................83结果处理及分析............................................93.1线膨胀率分析........................................93.2显气孔率分析........................................103.3抗压强度分析.......................................114结论......................................................13参考文献：..................................................14致谢：...................................................15第3页1前言莫来石为硅铝酸盐矿物，1924年最早发现于苏格兰的Mull岛而得名[1],尽管地壳上铝、硅和氧元素很丰富，但是自然存在的莫来石较少，除Mull岛外,我国在河北省武安县和河南省林县发现有莫来石，但迄今未见有工业价值的矿床[2]。莫来石为铝的铝氧酸盐矿物,也是SiO2-Al2O3体系在常压下唯一稳定存在的晶态化合物(SiO2-Al2O3相图示于图1)。图1：SiO2-Al2O3二元相图由于莫来石独特的结构，因此其强度、断裂韧性较高，热膨胀系数、热导系数较小。它的强度和韧性随温度的升高不仅不会降低，反而会有所提高，其13000C强度是室温强度的1.7倍，最近的研究显示高纯莫来石在有氧条件下仍然具有良好的热稳定性且无多晶转变，莫来石加热到1800℃以上有微量第4页液相生成，至1850℃时莫来石完全熔融，莫来石具有耐高温、抗氧化、蠕变率低、荷重软化温度高，优异的抗酸碱腐蚀性。莫来石还具有电绝缘性好、介电系数低等优点，因此莫来石陶瓷不仅可以用作工程材料和高级耐火材料，还可作为功能材料[3]。2实验部分2.1实验原料本次实验为了测定莫来石骨料组成对耐火材料砖的影响，所以我们选用莫来石做为这次实验的骨料，同分为1-3mm、0.5-1mm、0-0.5mm四种不同的粒度大小，以及结合剂粘土粉料，添加少量外加剂聚乙烯醇等。具体原料表述为如下表1。实验原料骨料结合剂外加剂莫来石粘土聚乙烯醇1-3mm粗颗粒0.5-1mm中颗粒0-0.5mm中颗粒325目细粉细粉A组%35101540101.5B组%40101040101.5表1：实验原料第5页2.2制备试样根据表1，将确定两个配方（A组B组），具体成分组成据表1。准备称取2公斤总料。每组预制六块试样分别编为（1、2、3、4、5、6），其中选取1至3号做为实验样品，剩余4至6号备用。接下来制备顺序依次如下：混料。先把莫来石粗颗粒和中颗粒混合在一起，在胶砂搅拌仪中混合，搅拌2min左右停机再加入莫来石细粉；一段时间后停机加入聚乙烯醇，再加入粘土，先用手预混，再开机混合。取出混合料备用。压力成型：制订试样压制压力级别，定为15MPa。经计算每个试样加入混合料90g，样品规格为直径r=36mm，高度h=36mm；根据所需的压制工艺，装好上、下压模板，校正好上、下模板平行度，同轴度等；旋紧主体油缸上止回阀的放油螺钉和油泵上的回油螺钉，即可使用上下往复旋动压力手柄，推动油泵活塞下移，当压模与制样物接触就产生压力，且随着不断旋转手柄，压力不断增加，观察加力表，当达到所需压力15MPa时，就停止旋动；卸载时，将主体油缸上止回阀螺钉和油泵上的放油螺钉拧松，油回泵活塞就回程；脱模时取出模具倒置，放置好脱模器，如上操作仪器，使陶瓷坯体脱模并保持完整，共压制12个完整样品。④坯体烧结：在放入烧结炉前，对样品尺寸进行测量，对于圆柱状坯体，尺寸上需要测定的有：试样高度h，试样的直径R；记录这些数据以备在烧结后测定材料的烧结收缩；将制好的坯体放在承烧板上，各个样品不相互接触，承烧板要求表面洁净，放样品的面光滑平整，在预定烧结温度下，本身不和样品发生任何物理和化学反应[4]。将试样有顺序的放入炉中，记录好各自的位置；关好炉门，对烧结炉进行程序设计。降温时采用自然降温。200℃是可以打开炉门空冷。温度升温制度如下图2所示：10℃/mim5℃/mim5℃/mim1℃/mim室温110℃200℃1000℃1450°×6h图2：升温过程第6页2.3试样测量2.3.1高度测定试样制备成型后，阴干，凉至一天时间，进行试样先进行高度大小测量。测量结果如下表2所示。当经过充分冷却至室温后，取出试样，先检查试样有没有明显的伤缺或是坏裂，若是试样没有明显伤痕，就进行烧后高度测量。否则要进行重新烧制。测量结果如下表2所示：成型后生坯高度Hmm烧成后高度HmmA组35.935.343635.673635.63B组36.135.4236.836.583736.75表2：试样烧前、后高度2.3.2干重、湿重、悬浮重及体密度测量此次测量所需试样两个。测量步骤：将试样按编号顺序，放入105—110C°干燥烘箱烘至恒重，在干燥器第7页中冷却至室温，然后在电子天平上称其重量m1将试样放入抽真空装置中作真空处理：先将试样在真空度不小于95%的条件下保持10分钟；注入液体，直至试样完全被淹没；再抽真空，直至试样中没有气泡出来为止（约需30分钟）；先放入空气，再关闭真空泵；打开真空干燥器的盖，取出试样。在天平上架好支架、吊篮及液体槽，注意吊篮不要与液体槽相接触，液体要完全淹没试样。试样进入吊篮前，天平要进行调零；试样进入吊篮后，天平给出的重量就是饱吸液体的试样在液体中的重量m2④从液体中取出试样，用湿毛巾均匀地抹去试样表面的液体，在天平上迅速称取饱吸液体试样在空气中的重量m3测量结果，如下表3所示：干重m1g悬浮重m2g湿重m3g体密Dg/cm3A组84.153.5291.242.229586426384.4553.7191.332.2448165869B组82.2752.3890.242.173005810981.7851.8389.952.1453305352表3：三种重量及体密度2.3.3直径及抗压负荷测定将由于线膨胀率测定而变湿的试样，先进行120°下烘烤6h，后凉至室温，再进行直径和抗压强度测定工作[5]。结果如下表4：直径R载荷F第8页mmKNA组37.215.8137.1812.01B组37.1524.3637.0823.47表4：直径和抗压负荷测定数据说明：以上数据仅是实验测得的数据。在下面的部分即将进行数据计算和处理。2.4仪器设备电子天平JJ-5型行星式胶砂搅拌机JJ-2型油压机④Xcsl-16-12y型重烧试验炉⑤坩埚钳石棉手套⑥DZF-6021型真空干燥箱⑦101型电热鼓风干燥箱⑧TYE-300B型压力试验机⑨游标卡尺（精确度0.02mm)；⑩试样压制切制模具、划线工具，第9页3结果处理及分析3.1线膨胀率分析由上表2的烧前烧后的高度变化量，可以计算得出其A、B两组试样的线膨胀率，计算结果如下表5：线变化%平均A组-1.5598885794-1.1681110079-0.91666666667-1.0277777778B组-1.8836565097-1.0523860908-0.59782608696-0.67567567568表5：线变化率及平均线变化率表示分析：如下图3所示，线膨胀率两组均符合实际材料在高温下热收缩的特性，而且A组三个试样膨胀率相对变化浮动较小，B组变化浮动则相对较大，但是总体来说B组的平均线膨胀率较A组小，因此对于线变化来讲：B组更符合实际使用环境，使用性能较高。即B组1-3mm粗骨料较A组多5%，0-0.5mm粒度骨料较A组少5%，产生的在高温下线变化较低，有利于高温环境下使用[6]。第10页图3：线变化率及平均线变化率图示3.2显气孔率分析显气孔率（apparentporosity）计算公式：100(%)2313mmmmP式中：P表示显气孔率；m1表示为干重；m2表示为悬浮重；m3表示为饱和重。依据表3中所列数据可按照上面两个公式计算的显气孔率及其均值大小。其结果列于下表6中。表6:显气孔率及均值气孔率%均值%第11页A组18.92895015918.608547381518.288144604B组21.05124141621.241780204521.432318993分析：很显然A组气孔率比B组小，A组密度比B组大。即A组所含中等颗粒0-0.5%mm大小的成分多于B组5%，1-3mm组颗粒少于B组5%。原因在于烧成时A组生成液相较多，冷却后气孔率则就较小，密度就较大，而B组粗大骨料较多，在烧成时液相较少，气孔较多，密度则就较小。数据生成图表如下图4：图4：气孔率柱形图3.3抗压强度分析抗压强度:在常温下试样受外应力挤压作用，试样在破坏时的极限压应力大小。计算公式如下：第12页抗压强度：Cs=AF=2RF式中P：破坏试样的最大载荷KNA：受压面积mm2R：试样直径mm由上表4中直径和受力载荷数据计算的出抗压强及其均值，结果列在表7中。表7：抗压强度及均值列表A组抗压强度Mpa均值Mpa14.54453365112.80255868311.060583714B组抗压强度Mpa均值Mpa22.47053736722.10096226721.731387167分析：很明显，依据表7所列数据，B组抗压强度明显高于A组很多，说明B组力学强度明显好于A组。原因在于A组虽然密度大，气孔率小，但是烧成结合结构没有B组好，由于B组粗颗粒多于A组5%，而粗颗粒是试样的骨架，是主要承载受力的中要成分，加上合理的细料做为结合剂，使得B组烧成结构合理[7]。两组抗压强度示意图如下5：第13页图5：抗压强度柱状图4结论本次实验的目的是通过烧结实验，改变骨料组成来探究：骨料组成对莫来石耐火材料性能的影响。经过分为两组不同配方的试样测试，比较，得出以下几条结论：细骨料较多的制品密度较大，气孔率较低，抗压强度明显较低；粗骨料较多的制品密度较小，气孔率较高，抗压强度明显较高；对于两组制品的优劣性：较好的是粗骨料较多的组成（B组），但是没有绝对性，要视使用环境来选择适合的组成制品。④实验过程中的各种影响因素会导致实验结果会偏离实际情况，因此必须严格控制实验过程及变量，苛求实验结果准确完整。第14页参考文献：[1]SchneiderH．，SchreuerJ．，HildmannB.,Structureandpropertiesofmu