莫來石是以3Al2O3·2SiO2結晶相為主要成分的耐火原料。其化學成分為Al2O371.8%,SiO228.2%。礦物結構為斜方晶系;晶形呈柱狀、針狀;體積密度3.03g·cm-3,莫氏硬度6~7,熔點為1870℃,導熱系數(1000℃)為3.95W/(m·K),線膨脹系數(20~1000℃)為5.3×10--6℃-1。
合成莫來石的種類很多。按照合成的方法有燒結莫來石和電熔莫來石;按原料化學成份有低鋁莫來石、中鋁莫來石、高鋁莫來石及鋯莫來石等;若按照使用原料種類則有全天然料合成莫來石(礬土基)、高純莫來石等。
(一)燒結莫來石
燒結法合成莫來石所采用的原料組合有:1)工業(yè)氧化鋁和高嶺土;2)工業(yè)氧化鋁和硅石;3)工業(yè)氧化鋁和鋁礬土(Al2O3含量較低);4)氫氧化鋁和高嶺土;5)天然精選鋁礬土。燒結莫來石行業(yè)標準規(guī)定理化性能見表4-17,莫來石的牌號根據Al2O3含量大小分為45%、60%、70%和75%四個,根據雜質含量分別分為兩個牌號。
合成莫來石原料的制備有干法和濕法之分。煅燒窯爐主要是回轉窯與隧道窯。干法工藝是將配合料放入球磨機或混合機中共同混合,經壓球或者壓坯后用回轉窯或隧道窯燒成;濕法工藝是將配合料與水加入到球磨機中濕法混磨,泥漿壓濾成泥餅,經真空擠出成型機擠制成泥段或泥坯分別用于回轉窯和隧道窯煅燒。
與干法工藝比較,濕法工藝制得的莫來石坯料質量更,結構均勻性好,體積密度高;隧道窯煅燒利于控制莫來石熟料的微觀結構與晶體發(fā)育狀況。
(二)電熔莫來石
電熔莫來石一般有高純電熔莫來石和普通電熔莫來石。與燒結電熔莫來石比較,電熔莫來石晶體粗大結晶體達1000~2000µm,高純電熔莫來石呈淺灰色,普通電熔莫來石(以鋁礬土為主要原料)呈深灰色。電熔莫來石的理化性能指標(YB/T104-2005)見表2。
電熔莫來石的原料組合分別為工業(yè)氧化鋁和高純硅石、鋁礬土熟料等。配料的Al2O3/SiO2比值決定了電熔莫來石的礦物相及莫來石的晶體形狀。電熔莫來石是由熔體結晶而制得,其過程非常類似于Al2O3-SiO2系相圖的冷卻析晶過程。
首先將硅石及鋁礬土等塊狀原料破碎至1.5㎜以內,與其它粉狀物料配合后于混合機中混勻。在電爐爐底鋪上一層混合料,用木炭或電屑作起電弧料(在電熔高純莫來石時,起電弧料的雜質含量要低),在電下鋪成星形或三角形,下降電起弧。待部分配料熔化,電流穩(wěn)定在一定的數值以上時,逐漸從周邊加料。電熔莫來石溶液粘度大,導電率低,操作時注意電流變化,以免斷弧。
熔制莫來石時,應使爐內氣氛處于還原狀態(tài)。因為原料中含有雜質如Fe2O3、TiO2、R2O等,特別是用鋁礬土做原料時雜質更多,需要通過還原而將它們除去。在較低的溫度下,上述雜質氧化物是穩(wěn)定的;在高溫下,CO的穩(wěn)定性超過了各氧化物的穩(wěn)定性,導致氧化物被CO還原成相應的金屬。電熔莫來石的熔制溫度在1850~2042℃之間,FeO、Fe2O3及TiO2都容易被還原。
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