【耐材】硫酸鋁耐火可塑料你了解多少?

硫酸鋁耐火可塑料是最常用的品種，性能較好，價格低廉。耐火可塑料的基質是由生黏土粉和高鋁粉組成的，起主要作用的是生黏土粉。

在加熱過程中，生黏土的物理化學變化。其宏觀上的表現，就是耐火可塑料的強度變化特徵，如圖1所示。從圖中看出，隨著加熱溫度的升高，燒後耐壓強度增加，高溫耐壓強度有個峰值，即1000℃左右時強度最高，達到50MPa左右，隨後強度逐漸下降。這是由於結合黏土生成高黏度的液相所致。低於1000℃時，依靠化學結合劑和生黏土的黏結性，獲得強度，即或有液相，其數量少、黏結力小，因此強度低;高於1000℃時，化學結合劑失去作用，結合黏土產生較多的液相，所以高溫強度逐漸降低，到1400~ 1500℃時僅為5MPa左右。

圖1  耐火可塑料強度變化特徵

1 一燒後耐壓強度;一高溫耐壓強度

應當指出，1200℃以上的燒後強度，一般是隨著加熱溫度的升高而增加的。這是由於液相量增多，新生莫來石交錯生長和晶體不斷發育完善所致。即耐火可塑料逐步達到了燒結，組織結構變得更加緻密，因此強度較高。有時，由於燒結不完全或新生礦物少，1400℃燒後耐壓強度比1200℃燒後耐壓強度低，這也是正常的。到1500℃時，其燒後強度又有所提高，說明組織結構變得緻密了，即達到了燒結。也就是說，耐火可塑料由黏結結合達到了陶瓷結合，所以強度是不斷提高的。

耐火可塑料用的骨料，主要有特級黏土熟料，三級、二級或一級礬土熟料等。耐火骨料最大粒徑為 10mm，其顆粒級配：10 ~5mm，33% ~ 40%; 5~3mm，28% ~35%;小於3mm，28%~35%。應當指出，0.5~0.09mm的顆粒料應儘量減少，或剔除不用。其骨料用量為55% ~65%。

耐火粉料一般選用特級、一級或二級礬土熟料製作，其細度為≤0.09mm的應佔95%， 實際上越細越好。嚴禁用欠燒料或黏土熟料作耐火粉料。耐火粉料用量為20%~30%。

軟質黏土是耐火可塑料的重要原材料，可塑料主要性能特性也是來源於軟質黏土。在耐火可塑料中，軟質黏土不但起結合劑作用，同時也起增塑劑和燒結劑作用。它對耐火可塑料的可塑性、保水性、施工性、常溫和高溫耐火性能，都有較大的影響。因此，配製耐火可塑料用的軟質黏土，應具有良好的可塑性、吸溼性，適度的黏性、耐火性和燒結性。從成型和保水性上看，黏塑性最好的是廣西泥和水曲柳黏土，最差的是復州黏土，焦作泥與樟樹黏土、紫木節黏土可複合使用。其細度：小於0.09mm佔85%以上，用量為10% ~15%。

化學結合劑為硫酸鋁溶液，密度為1.2~1.3g/cm3。採用該結合劑混練後應進行困料，困料時間16h以上。因硫酸鋁中的硫酸根與粉料的鐵反應，生成硫酸鐵並逸出氫氣，致使泥料起泡或鼓脹，所以應困料;烘乾後的耐火可塑料表面，有淡黃色的析出物，化學和巖相分析認定為鐵明礬，其分子式為FeO·Al2O3·4SO3·22H2O。圖2為硫酸鋁和可塑料表面析出物的差熱分析。從圖中看出，硫酸鋁溶液中所含18個結晶水，約在134℃大部分脫除。在330℃左右，再失去小部分結晶水。在835℃上的吸熱峰，是硫酸鋁分解成Al2O3和SO3，SO3呈氣態逸出。因此，致使耐火可塑料組織結構稍有疏鬆，強度有所降低;鐵明礬差熱曲低溫段的吸熱峰，繫結晶水排出所致，752℃的吸熱峰為鐵明礬分解並放出SO3造成的， 同樣對可塑料強度有所影響。

應當指出，耐火可塑料發泡的數量，與硫酸鋁的純度、密度和加入量有直接關係。一般來說，純度高、密度大和加入量多時，其發泡數量也多。這是由於帶入的硫酸很多所致。因此，在滿足耐火可塑料的可塑性、施工性和耐火性的前提下，可選用粗製硫酸鋁，配製成低密度溶液，並儘量減少其用量。硫酸鋁溶液用量一般為9% ~13%。

圖3-2-2硫酸鋁(a)和可塑料表面析出物(b)的差熱分析

耐火可塑料用的外加劑，主要有保存劑、增塑劑、增強劑和防腐劑等。其外加物有鋰輝石粉(LiO2·Al2O3·4SiO2)、鋰雲母粉(LiO2·Al2O3·3SiO2)和膨潤土等燒結劑(亦稱礦化劑)，藍晶石或矽線石等膨脹劑。表 1為不同的外加劑和外加物及其用量。

表1  不同的外加劑和外加物及其用量

應當指出，耐火可塑料用的外加劑種類較多，除表 1中所述之外，還可用聚乙烯醇、糊精、澱粉、羧甲基纖維素、檸檬酸、葡萄糖酸和矽酸乙酯等。外加劑用量一般小於1%， 大於1%時兼有結合劑的作用;外加物還有紅柱石、矽線石、鋯英石和氧化鋁粉等，其用量一般大於3%。

表2為硫酸鋁耐火可塑料的配合比。耐火骨料的最大粒徑為10mm，可塑料含水率約為9%，可塑性指數為17%~ 30%。表中蘇南泥係指蘇州泥和南京泥複合使用，前者燒結溫度高，後者因含低熔物多，燒結溫度低;特黏和Ⅰ礬等，分別代表特級黏土熟料和Ⅰ級礬土熟料等;Ⅰ、Ⅱ礬為Ⅰ級和Ⅱ級礬土熟料，以1：1混合製成耐火粉料;外加劑根據耐火可塑料的使用要求，進行選定，參見表1。例如，生產後即進行施工，可不摻加保存劑和防腐劑。

表3-2-2硫酸鋁耐火可塑料的配合比(%)

耐火可塑料配製生產工藝是較複雜的。首先，將固體硫酸鋁加水溶解並靜放1d，調成適合的密度待用;其次，將耐火粉料、軟質黏土及固體外加劑幹混均勻;第三，按配合比稱量原材料，幹混均勻;添加液體結合劑和外加劑，溼混10min以上至均勻。然後，出料蓋上塑料布困泥一晝夜以上，再擠泥切坯。

採用溼料坯，人工搗固成型或振動加壓成型，1天後拆模。然後，烘乾247並檢驗其性能，詳見表3。其編號與表3對應。因不是同一批的檢驗結果，故無確切的比較性。

表3  硫酸鋁耐火可塑料的主要性能

從表3中看出，隨著加熱溫度的升高，燒後耐壓和抗折強度也提高，這是一個趨勢。在800℃左右時，有的強度有所下降，系由於硫酸鋁分解致使其組織結構疏鬆造成的; 在1000℃時，高溫耐壓強度最高，隨著溫度的升高而液相量增加，致使其強度下降，一般約為4MPa; 1400℃燒後線變化呈收縮狀態，即使是膨脹，其值也較小，這是軟質黏土加熱收縮較大所致。荷重軟化溫度較低，也是由於黏土造成的。因此，選擇黏土結合劑的品種，十分重要。編號2和編號3為廣西泥結合耐火可塑料，與其他的相比，荷重軟化溫度和強度高， 燒後線膨脹也較大。這再次證明，廣西泥也是耐火可塑料的良好結合劑。

耐火可塑料中含有軟質黏土，高溫下生成較多的液相，能減少或緩衝熱應力造成的不良影響，因此熱震穩定性較好。800℃加熱、水冷循環次數約為100次;1100℃加熱、水冷循環15次後，其殘餘耐壓強度仍為110℃烘乾耐壓強度的80%左右。

高鋁質耐火可塑料的高溫蠕變，見圖3。荷重為0.2MPa，在1400℃的高溫下，保溫10h，其收縮變形率達13.5%;在1500℃的高溫下，保溫4h，收縮變形率已超過17%。

眾所周知，耐火可塑料是在火焰工業爐中長期使用的。由於燒後的體積變化和高溫蠕變較大，致使襯體內表面出現較大的裂縫，其縫寬有時達到20 - 40mm，雖不影響使用，但增加了散熱損失，降低了熱效率。當錨固磚質量不佳或布置不當時，也可能產生襯體剝落現象。因此，應選擇優質軟質黏土作結合劑，同時應添加膨脹劑和燒結劑等外加物，以提高其性能。

圖3高鋁質可塑料的高溫蠕變

1—1400℃ 恆溫;2一 1500℃恆溫

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