1、原料與配方
所用原料及化學(xué)組成如下:
設(shè)定各原料范圍用量,用正交法做配方試驗(yàn),結(jié)果A2配方較好。配方屬BaO-CaO-MgO-Al2O3-SiO2多元系統(tǒng)的高鋁瓷料方并加入少量TiO2作礦化劑,其特點(diǎn)是:①已煅燒鋁粉用量≮70%,膨潤土用量≯2.8%;②坯料化學(xué)組成中Al2O3量>80%,SiO2≯13.5%(BaO+CaO+CaF2+MgO+TiO2+R2O等)約為5%~7%,與一般80高鋁瓷相比,料方中Al2O3和RO+TiO2量略為偏高,而SiO2量略為偏低。
2、生產(chǎn)工藝
在既定配方的條件下,一定要有合理的生產(chǎn)工藝相結(jié)合,才能最終生產(chǎn)出高性能的產(chǎn)品。其生產(chǎn)工藝和質(zhì)量控制因了指標(biāo)和下:
配料→球磨→過篩→壓濾→真空練泥→陳腐→擠制成條→可塑成球→烘干→裝匣燒成
①干法配料:采取一次性投料。首先將瑩石、方解石粗碎至粒徑<3mm然后進(jìn)磨,外加0.03%的木質(zhì)碳酸鈣為助磨劑。
②球磨時(shí)間為68~72小時(shí),料:球:水為1:2:0.6,細(xì)度控制指標(biāo)為萬孔篩余率<0.03%(5μ以下顆粒占90%以上)。
③可塑法成型,放尺率為1.248,成型水分18~20%。
④在20m3倒焰圓窯中燒成,適當(dāng)稀碼裝匣,快速升溫,見紅后放慢升溫速度,燒成溫度SK16錐,保溫2小時(shí),燒成時(shí)間約28小時(shí),止火后打開1/4窯門自然冷卻。
二、產(chǎn)品性能檢測
目前國內(nèi)尚無此類產(chǎn)品的性能檢測標(biāo)準(zhǔn),我們從使用角度出發(fā),對試樣和產(chǎn)品進(jìn)行應(yīng)用性能方面的抽檢測試:
①抗壓強(qiáng)度:以SY-30液壓壓力試驗(yàn)機(jī)測定10個(gè)試樣(Ф17.6×17.5mm),數(shù)值為702Mpa。按用戶驗(yàn)收條件:以10″鋼絲鉗夾壓直徑為10mm的瓷球,用力鉗不裂為合格,抽測產(chǎn)品無一夾裂為合格產(chǎn)品。
②抗沖擊強(qiáng)度:以化工部蘭州非金屬材料及設(shè)備監(jiān)測中心的抗沖擊儀及提出的方法測試的,數(shù)值為5.13kgfcm/cm3。為考查產(chǎn)品實(shí)際使用效果,將瓷球從六層樓頂(約26m高)用力向下擲至地面鋼板,瓷球無損為準(zhǔn)。
③抗熱震性:直徑為10mm的瓷球,在850℃~19℃(水)淬冷不裂。
④吸水率、濕氣孔率、體積密度按化工部化工機(jī)械研究院、化工部非金屬材料及設(shè)備監(jiān)測中心制定的方法測定,結(jié)果為0.19%、0.63%、3.29g/cm3。
⑤化學(xué)穩(wěn)定性:耐酸度與耐堿度均按化工部化工機(jī)械研究院、化工部非金屬材料及設(shè)備監(jiān)測中心提出的方法進(jìn)行檢測。抗氫氟酸浸蝕的測定方法如下:將洗凈烘干的瓷粒(Ф1.5~0.5mm)10g(準(zhǔn)確稱至0.0001g),置于塑料杯中,注入0.2%的氫氟酸約250ml,靜置24小時(shí),然后洗滌、烘干、稱量。結(jié)果如下:(室溫20℃±1℃)
三、討論
1、組成對產(chǎn)品性能和生產(chǎn)工藝的影響
在高鋁瓷中,Al2O3組分是剛玉晶相形成之源,Al2O3含量愈高,瓷體抗應(yīng)力和抗腐蝕破壞等性能愈強(qiáng),但相應(yīng)地提高了燒成溫度,致使工藝條件和經(jīng)濟(jì)性均帶來一些不利因素。故本產(chǎn)品以化工廠家提出的Al2O3量要求為基礎(chǔ),設(shè)法提高材質(zhì)性能和使生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性好。泥料中的Al2O3組分主要來源于煅燒鋁粉,考慮泥料的成型性能和燒結(jié)性能等因素,在泥料中應(yīng)加入部分粘土,主要作用是:①改善泥料的可塑性。②以這種形式帶入的Al2O3易溶于熔體中而促進(jìn)燒結(jié),并形成鋁硅酸鹽玻璃。③易與殘余SiO反應(yīng)形成莫來石,結(jié)果提高了抗氫氟酸的浸蝕性,也有助于降低燒成溫度。
瓷料中TiO、CaF2、BaO等組分與SiO2一起,在適當(dāng)高溫下對Al2O3 有很強(qiáng)溶解力,可形成一定數(shù)量的鋁硅酸鹽熔體(玻璃),從而促進(jìn)燒結(jié),且玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得以增強(qiáng)(網(wǎng)絡(luò)斷鍵少)。試驗(yàn)表明,高鋁瓷料中適當(dāng)增加CaO、BaO等可降低燒成溫度,但化學(xué)穩(wěn)定性略有下降。
SiO2在燒成時(shí)能與Al2O3、CaO、BaO等形式低熔點(diǎn)共熔物,這些液相的生成,其作用是:①有效地促進(jìn)傳質(zhì),利于燒結(jié)。②產(chǎn)生二次結(jié)晶作用而減少剛玉晶粒的表面缺陷,液相也可抑制晶粒異常長大。③依靠對固相的滋潤力和表面張力拉緊固體粒子,并填充氣孔,使制品受蝕表面積減小。為此提高了材質(zhì)抗蝕性等使用性能,降低了燒成溫度。在Al2O3量一定時(shí),如果過分提高SiO2的含量,雖然莫來石量會增加,但膠結(jié)晶粒玻璃相少,同時(shí)燒成溫度提高,燒結(jié)程度不好(氣孔率增至2%),抗蝕性亦下降。因此,SiO需保持一定的用量范圍,即可保證有適量液相,又可形成鋁硅酸鹽玻璃。
TiO2的主要作用是:①與Al2O3固熔,活化晶粒,促進(jìn)燒結(jié)。②增加Al2O3晶格缺陷,使CaO-BaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)易熔。TiO2的加入量一般在0.5%~0.9% 。
MgO的作用在于:由于可在剛玉晶體表面形成鎂鋁尖晶石而抑制Al2O3晶體長大,提高瓷體致密度,還可促進(jìn)殘余SiO2與Al2O3反應(yīng)形成莫來石。但其助熔作用不好,MgO含量的變化對瓷體抗蝕性、燒成溫度等影響并不大。
通過試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),要保證產(chǎn)品性能和生產(chǎn)的可行性與經(jīng)濟(jì)性,應(yīng)注意成分變化的相互制約性:①Al2O3含量高,則TiO2量須提高;②SiO含量提高,CaO+BaO等含量須提高。
總之,在系統(tǒng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,確定出的配方,可保證產(chǎn)品有足夠的剛玉晶相和適量的玻璃相,還使玻璃抗氫氟酸性得以增強(qiáng),因而產(chǎn)品使用性能好。且按以上配方,成型性能好,燒成時(shí)存在足量液相,又有少量TiO2活化晶格,共同作用,促進(jìn)傳質(zhì),使得可在SK17以下溫度燒成產(chǎn)品。
2、工藝方法對產(chǎn)品性能和成本的影響
原料充分細(xì)磨,有利于以下幾方面:
①提高泥漿懸浮性,保證泥料成分均勻;
②在保證成型性的條件下,減少粘土用量,而使Al2O3組分多由a- Al2O3粉引入。
③促進(jìn)燒結(jié),降低燒成溫度。
④促進(jìn)顯微結(jié)構(gòu)組織均勻,形成二次莫來石,強(qiáng)化玻璃結(jié)構(gòu),降低氣孔率。
基于此,并考慮加工成本因素,特制定本工藝方法和質(zhì)量指標(biāo)。生產(chǎn)中曾出現(xiàn)榨泥漏漿的問題,通過墊放兩層濾布(接觸泥料面用粗孔布,接觸榨片面用細(xì)孔布),解決了這一問題。
燒成制度對產(chǎn)品性能影響較大,以提高產(chǎn)品性能為原則,以瓷球配方、形狀大小和窯爐結(jié)構(gòu)等具體情況為依據(jù),確定其燒成制度。
①高鋁瓷燒成熱耗大,為促進(jìn)窯爐交換,使其窯溫均勻,采取稀碼裝燒。
②為提高瓷體致密性和形成微晶,燒成初期應(yīng)快速升溫(坯料瘠性料多,對于形狀簡單,尺寸小的半成品完全可以做到),1000℃后出現(xiàn)液相并增多及燒結(jié)期晶粒長大時(shí),應(yīng)慢速升溫以便排出氣體。為促進(jìn)充分燒結(jié)使其均勻,強(qiáng)化組織結(jié)構(gòu),應(yīng)高火保溫。
③止火后快冷是形成微晶的決定性保證。產(chǎn)品從塑態(tài)冷卻至固態(tài)時(shí)(1050℃~850℃),過快冷卻會使產(chǎn)品存在余應(yīng)力而降低性能。止火后打開1/4窯門,可使冷卻制度基本符合要求。