高铝砖膨胀的理论探讨及工艺控制

摘要：高铝砖因烧成过程中二次莫来石反应，产r尺寸难以控制，产r质量不稳定。本文通过生产实例探讨了高铝高炉砖烧成膨胀的理论机理，设计了四种配比进行试验，从生产工艺的各个环节进行控制，通过外形尺寸及成r理化指标检测对比分析，经理论计算，最终确定了合理的生产工艺方案。改变一级矾土熟料在骨料和细粉中加入量的比例，以适应热工制度的要求，从而保证制r的外形尺寸和理化指标均能达到企业标准的要求。 

用特级煅焦YNS44、一级矾土熟料GA--80和优质粘土制成GL55高铝高炉砖，在隧道窑三种热工制度下分别进行烧制。热工制度分别为1430℃×10h、1365℃×8h、1330℃×8h，砖的尺寸膨胀率分别为2%?3.5%、1.0%?2%、0.5%?1%。由此可知:在1430℃×10h的热工制度下，烧成砖膨胀势头最大;1365℃×8h下膨胀势头次之，这两种情况，成品外形尺寸绝大多数超出Y/T5015—1993标准规定的尺寸公差范围。而在第三种热工制度下，烧成膨胀势头减弱，膨胀率在0.5%?1%之间，虽然外形尺寸完全满足标准的要求，但从成品的理化指标检测来看，测得气孔率绝大多数超出GL55、Y/T5015—1993要求的气孔率指标，由此说明在此热工制度下烧成，砖的烧结性存在很大的欠缺。用上述三种热工制度烧制上述配方的GL55高铝高炉砖，均不能满足外形尺寸和理化指标的要求。由此考虑重新调整配方，改变一级矾土熟料在骨料和细粉中加入量的比例，以适应热工制度的要求，保证砖的外形尺寸和理化指标达到标准的要求。 

1试验的构思与设计 

1.1膨胀的初步分析 

根据Al2O3-SiO2二元系统相关图可知，在莫来石A3S2的组成点上，AI2O3含量为71.8%，也就是说，AI2O3含量达到或接近此数值时，莫来石化的倾向会很大，而且二次莫来石化伴随有10%的体积效应。根据配方，计算基质和骨料中Al2O3的含量： 

A=(35%?M+10P?N)/45%=(0.35×83%+0.10×30.18%)/45%=71.2%(1) 

B=(10%?M+45%?P)/55%=(0.1×83%+0.45×45%)/55%=51.9%(2) 

其中A——基质中A&0s的含量，%; 

B——骨料中A&0s的含量，%; 

M——一级矾土熟料中Al2O3的含量，%; 

N——结合粘土Al2O3的含量，%; 

P——特级煅焦Al2O3的含量，%。 

由上述计算可知，基质中的Al2O3含量高达71.2%，接近莫来石A3S2的组成点，由于细粉的颗粒很小，颗粒的比表面积δ=3/R，随半径的减少而显著的增大，因此比表面积越大，颗粒的活性越高。接触面积越大，反应越完全。所以烧成过程中，二次莫来石反应主要集中在基质中进行，而二次莫来石化开始于1200℃，结束于1400?1500℃。因此烧成温度越高，则二次莫来石化在基质中进行地越彻底;温度低，则进行得不够完全，由于该反应存在10%的体积效应，在上述三种热工制度烧成时，呈现出了不同的体积膨胀效应。 

1.2试验设计 

为了得到良好的外形尺寸，同时又能满足砖的理化指标要求，调整原料进行试验，旨在减少基质中Al2O3的含量，使之远低于莫来石的组成点，均衡骨料和基质中的Al2O3含量，从而遏制该反应在基质中的大量发生。将部分矾土改用颗粒加入后，则骨料中Al2O3含量提高，基质中的Al2O3含量有所降低。由于骨料的比表面积较小，活性差，很少与游离的SiO2参与反应，即使反应，也仅限于表面的薄层，不致于对膨胀构成显著影响。同时考虑到GL-55高铝高炉砖高温性能的要求，在基质中又不能不加入部分一级矾土熟料，优化基质，稳定砖性能。因此设计了以下四种配比进行试验。 

2试验的过程及检测数据分析 

2.1原料 

采用特级煅焦(YNS-44牌号)，山西阳泉一级矾土熟料(GAI-80牌号)和结合粘土。

2.2泥料制备 

根据各配比称量后的料，按先加骨料，再加结合剂，后加细粉的顺序加入湿碾中混练。水分全部采用纸浆带入，泥料有效混练时间8min。 

2.3泥料的粒度分析 

混好的泥料进行粒度分析

2.4成型 

在300T的磨擦压砖机上成型，控制打压次数7次，控制湿坯的体积密度和气孔率。 

2.5烧成 

采用1.8m×1.8m的窑车装车，装于二层以上，在隧道窑内烧成，烧成的热工制度为1360℃×8h。

2.6成品理化指标检测 

取4个配方分别做指标检测，成品理化指标检测见表4，其中4—1试样，体积密度低，成品气孔率和耐压不合格，可以通过调节生产工艺，提高湿坯体积密度来保证成品气孔率和耐压指标的要求。除4—1试样外，其余试样的理化指标均达到YB/T5015—1993的要求。 

3分析与计算 

3.1理论分析 

在制砖烧成过程中，由于发生二次莫来石化反应，导致砖膨胀，引起砖二次莫来石化反应有两个方面的原因：其一，一级矾土(DK型)在原料煅烧时，烧结不充分，砖烧成中还存在潜在的二次莫来石化反应;其二，结合粘土带入的游离SiO2与矾土熟料中的假刚玉发生二次莫来石化反应，引起膨胀本试验是在1360℃×8h的热工制度下烧成，而一级矾土熟料煅烧温度高达1450℃以上。因此在一级矾土熟料内部未进行完全的二次莫来石化反应，在制砖烧成时，该反应不会再进行下去。因此结合粘土带入的游离SiO2与矾土熟料中的刚玉发莫来化反引品膨胀的主要原因。由此，若基质中加入过量的一级矾土熟料，则基质中进行大量的二次莫来石化，造成成品尺寸超标。如果减少一级矾土熟料在基质中加入量，那么结合粘土中游离SiO2被不足量的矾土熟料中的刚玉相消化后，还有部分剩余，则这部分的游离SiO2将在矾土熟料颗粒表面发生二次莫来石化反应，造成颗粒局部膨胀，颗粒与颗粒互相摊开，加大了颗粒之间的空隙这部分空隙很难靠液相烧结来结合)基于这一点探讨了在基质中加入多少矾土熟料才足以消化掉结合粘土带入的游SiO2从而致在颗粒面发莫来石化反应。 

3.理论计算 

选用的结合粘土主要矿物成分为高岭石(Al2O3-2SiO2-2H2O)，Al2O3的含量为30.18%，SiO2的含量为52.86%，在加热过程中发生一系列的物理化学反应，当温度升高到1200℃析出A3S2和游离SiO2。由于SiO2过量，A3S2不足，游离SiO2含量按如下步骤计算： 

3Al2O3·2SiO2 

3×102 2×60X——表示SiO2的消耗量% 

30.18%X 

X=(2×60×30.18%)/(3×102)=11.84%(3) 

剩余的SiO2的含量：52.86%-11.84%=41.02%(4) 

根据王金相的研究，对于水铝石一高岭石(D-K)的矾料烧相含量算如下： 

莫来石含量M=343.8-3.76A=343.8-3.76×80.2=31.0%(5) 

刚玉含量C=3.6A-239=3.6×83.2-239=60.5%(6) 

玻璃相含量G=-4.21+0.1523A=-4.21+0.1523×83.2=8.5%(7) 

如果结合粘土按加入8%的话，其自身莫来石化后，剩余的SiO2游离在整个配料中的含量为：8%×41.02%×100%=3.28%，该部分游离的SiO2在基质中全部参与二次莫来石化所消耗的矾土熟料量用Y表示，则 

3α-Al2O3+2SiO2→A3S2 

3×102 2×60 

60.5%Y 3.28% 

Y=(3×102×3.28%)/(2×60×60.5%)=13.8%(8) 

所以在基质中加入13.8%的一级矾土熟料，足以把结合粘土中过剩的游离SiO2全部消耗掉，而不会在矾土熟料颗粒的表面发生二次莫来石化反应。 

4 GL-55高铝高炉砖的控制工艺 

由以上试验结果结合理论计算说明，选用优质原料，优化颗粒配比，改变一级矾土熟料在骨料和细粉中加入量的比例，严格控制工艺操作及工艺参数，可以生产出合格的GL55高铝高炉砖。 

4.1原料的选择 

煅烧质量良好的特级煅焦(YNS-44牌号)和一级矾土熟料(GAI-80牌号)，选用优质结合粘土。 

4.2生熟料配比的调整 

减少结合粘土的加入量，增加熟料用量，减少二次莫来石化反应的进行量。 

4.3均衡骨料和基质中的Al2O3含量 

减少基质中的Al2O3含量，增加骨料中的Al2O3含量，使基质中的Al2O3含量远低于莫来石的组成点。但要保证基质的Al2O3含量略高于骨料中的Al2O3含量。 

4.4基质中一级矾土熟料加入量的确定 

根据上述计算，在基质中加入13.8%的一级矾土熟料，其余矾土熟料采用颗粒加入，就可以保证结合粘土带入的游离SiO2在基质中全部消化掉，而不致于在矾土颗粒表面进行反应，细粉不足可以用特级煅焦充作细粉来补充。 

4.5成型 

保证打压次数不低于8次，控制湿坯体积密度，保证湿坯的外形质量。 

4.6烧成 

采用1360℃±10℃×8h的热工制度，即可保证砖的良好烧结。 

5结论 

采用特级煅焦(YNS44)、一级矾土熟料(GAI-80)和优质结合粘土，优化颗粒配比，改变一级矾土熟料在骨料和细粉中加入量的比例，基质中加入13.8%的一级矾土熟料，其余矾土熟料采用颗粒加入，严格控制生产工艺参数，在1360℃(±10℃)×8h的热工制度下，生产的微膨胀GL-55高铝高炉砖，其外形尺寸和理化指标良好，均满足企业标准，目前此工艺已进行规模化大批量生产。