1.CaO-Al2O3系耐火材料的合成方法:
(1)反應燒結法:
反應燒結是在燒結過程中原料通過化學反應合成材料,同時將其燒結成成品。反應燒結的特點是坯塊在燒結過程中尺寸基本不變,可製得尺寸精確、形狀複雜的部件,並且工藝簡單、經濟,適合於批量生產,但燒結體密度較低,力學性能不高。
(2)電熔法:
電熔法是將原料完全熔融,然後在一定的條件進行下冷卻,從而製得材料。
將CaCO3和Al2O3按CA6中CaO與Al2O3的化學計量比混合,完全熔融,然後將完全熔融的CA6化合物冷卻,剛玉相大約在1980℃首先結晶,隨著進一步的冷卻。
假設冷卻條件能夠保證在1830℃達到相平衡,剛玉相(約佔總質量的45%)就會與殘留的液相完全反應生成CA。
但是,相平衡條件在工業化的熔融條件下很難達到,結果只能是一小部分剛玉與液相反應形成CAn,剩餘的富含CaO的液相將在不平衡的條件下結晶形成CA2、CA,其相組成依賴於冷卻過程中的溫度梯度,甚至形成Cl2A7。
(3)熔鹽法:
熔鹽法是將產物的原成分在高溫下溶解於熔鹽熔體中,然後通過緩慢降溫或蒸發熔劑等方法,形成過飽和溶液而析出。
以Ca(NO3)2與Al2(SO4)3為原料,採用熔鹽法合成了CA6。
研究表明開始生成CA6的溫度為1000℃,最佳生成溫度為1400℃,在1400℃合成CA6所需的活化能為40kJ/mol與低溫下延長保溫時間相比,溫度的升高對增加CA的生成速率更有效;
生成CA的快速反應發生在1400℃,且大部分反應在4h內發生完全形成需要8h。
2.CaO-Al2O3系耐火材料的發展與應用:
六鋁酸鈣有著一系列的優良性能:
與含氧化鐵的熔渣形成固溶體的範圍大,在含鐵熔渣中的溶解度低;
在還原氣氛中穩定性高;在鹼性環境中有足夠強的抗化學侵蝕能力,化學穩定性好;
對熔融金屬和熔渣(鋼鐵和有色金屬)的潤溼性低;主要結晶區大,所以在幾種多元系統中有較低的溶解性。因此,六鋁酸鈣是一種比較有前途的新型耐火材料,應用範圍十分廣泛。
(1)在鋼鐵工業中的應用:
近年來,隨著鋼鐵工業的快速發展對耐火材料性能的要求也越來越高。CA6以其優良的性能成為鋼包預熱器和各種加熱爐用耐火纖維製品的替代材料。
在鋼鐵工業中,由於生產不同鋼種的需要,爐溫需經歷多次快速加熱和冷卻過程,這就對耐火材料熱震性提出了很高的要求。
(2)在陶瓷工業中的應用:
陶瓷工業的燒成周期越來越短,通常每周停窯一次,這就對其內襯耐火材料的抗熱震性提出了挑戰。1999年,國外研究人員提出,這種新型的微孔CA6骨料可用在陶瓷工藝中。選擇這種材料的關鍵標準是其優良的抗熱震性,尤其1450℃以上,幾乎沒有其他任何隔熱材料可與之相比。
(3)在玻璃工業中的應用:
玻璃工業中熔化池富氧燃燒技術的應用不斷發展,但隨鹼金屬濃度的升高,其缺陷也明顯增加,致使碹頂傳統矽磚受到嚴重磨損。通過碹頂鎂鋁尖晶石的使用可在一定程度上改善鹼金屬侵蝕。
而作為尖晶石內襯的隔熱材料,選用了CA6質隔熱磚。CA6質隔熱磚與傳統矽酸鋁隔熱材料相比有更好的抗鹼性。
隨著熱面溫度的升高,CA6的高耐火度與矽酸鋁隔熱材料相比也佔一大優勢。矽酸鋁隔熱材料的使用溫度已非常接近其臨界值。
(4)在石化工業中的應用:
在石化工業中,CA6隔熱耐火材料主要用於與還原性氣體H2和CO相接觸的內襯部位,其高純和隔熱性能取代了氧化鋁空心球,即使在劇烈的還原氣氛下也保持穩定。
剛玉空心球製品的熱導率大約為1W/(m·K),但隨溫度的升高而明顯增大。CA隔熱耐火製品的熱導率較低,僅為0.4W/(m·K),且在整個溫度範圍內保持穩定。
石化用耐火材料的最重要一點是其氧化物的穩定性,如抗還原性、抗CO侵蝕和抗高速氣流的磨損性。
(5)在煉鋁工業中的應用:
在煉鋁工業中,雖然液態鋁的溫度低於900℃,但其最高冶煉溫度達1200℃,或者更高,這是由高生產負荷引起的。高生產率會導致較高的裝料量和爐內高溫等此類更苛刻的使用條件。
目前,應用在煉鋁工業中的傳統耐火材料主要是焦寶石或礬土質耐火骨料。通常使用中加入BaSO4和CaF2等抗侵蝕添加劑來減少熔融金屬或熔渣的滲透。