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玻璃窑蓄热室用方镁石—镁橄榄石质耐火材料结构与性能研究

陈少一  
【摘要】:蓄热室是玻璃窑炉中重要的余热回收装置,中部区域格子体是蓄热室的关键部位,传统砌筑材料中镁砖存在热震稳定性差的问题,且镁砖中的MgO受飞料中的硫酸钠和气态SO_3凝结的侵蚀后,会生成硫酸镁而导致损毁。虽然镁锆砖对镁铬砖的替代,可保护镁离子免受侵蚀,并避免了铬污染问题,但镁锆砖较高的成本限制了其大规模应用。目前,国内外玻璃企业将镁橄榄石结合镁砖应用于蓄热室格子体中部,但仍存在杂质含量和气孔率较高等问题。基于上述背景,本文从原料设计出发,探讨原料组成、粒度、煅烧制度、添加剂等条件对镁橄榄石形成过程及烧结致密化行为的影响,通过对镁橄榄石原位形成机制及材料烧结行为的分析,开展方镁石-镁橄榄石质耐火材料制备研究工作,结合材料的烧结致密化行为、强度、热震稳定性及显微结构特征等方面的研究,探明材料组成、结构与性能间的关系。得出以下结论:(1)理论摩尔比MgO/SiO_2=2条件下,镁橄榄石在1200℃开始形成,顽火辉石自1400℃开始形成,1600℃完全转变为镁橄榄石,热处理温度升高有助于镁橄榄石的形成;组成中富镁能抑制顽火辉石形成,并促进镁橄榄石生成;富硅则促进顽火辉石生长,1700℃顽火辉石完全转换为镁橄榄石,高于1600℃析出富硅高温液相,促进镁橄榄石晶粒的生成,并且材料烧结致密。(2)将制取的镁橄榄石经球磨结合二步煅烧,球磨后破坏了大孔隙,再压坯后离子扩散路径变短,高温下传质速度加快,促进了合成反应和烧结进程,使体积密度增大为2.97g/cm~3,相对密度为92.2%;将制取的镁橄榄石经高能球磨结合二步煅烧,高能球磨破坏了粉体颗粒的表面状态,使晶体产生缺陷和晶格畸变,粉体的反应活性增强,进一步促进了试样的晶粒细化和烧结致密化,使体积密度增大至3.07g/cm~3,相对密度增大至95.3%;采用综合烧结理论计算得到镁橄榄石的烧结致密化机制为体扩散,制备的镁橄榄石经高能球磨后的烧结表观活化能约为606.7kJ/mol。(3)La_2O_3、Y_2O_3、BaSO_4、SrCO_3对镁橄榄石的结构发展和烧结机理的影响各有不同:La_2O_3与系统中的SiO_2反应生成含镧硅酸盐棒状晶,导致SiO_2被消耗,在其周围形成MgO区,棒状晶存在于方镁石与镁橄榄石晶间;Y~(3+)则会进入镁橄榄石晶格,取代镁离子,产生缺陷,促进烧结;BaSO_4中的Ba~(2+)会在结构中形成含Mg、Ba的硅酸盐高温液相,赋存于镁橄榄石晶粒表面,少量存在于晶间;添加SrCO_3后形成含Mg、Sr的硅酸盐高温液相,大量存在于镁橄榄石晶间,促进反应烧结。(4)在制备的方镁石-镁橄榄石质耐火材料中,氧化镧的加入会形成含Ca、Mg、La的硅酸盐棒状晶,提高材料的高温抗折强度以及热震稳定性;硫酸钡的引入则形成含Ca、Mg、Ba的硅酸盐高温液相,促进烧结,提高了体积密度和常温强度,但高温液相也使得高温抗折强度减小和抗熔融配合料渗透指数增大。(5)制得的方镁石-镁橄榄石质耐火材料试样,体积密度2.90g/cm~3~3.13g/cm~3,显气孔率12.1%~17.5%,烧后线变化率-1.24%~-2.65%,常温抗折强度4.0MPa~10.0MPa,耐压强度64.7MPa~81.6MPa;1200℃高温抗折强度6.6MPa~15.3MPa,热震稳定性(1100℃风冷)大于25次。


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