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摘 要 为了探索不同成型工艺对莫来石质隔热耐火砖性能的影响，实验分别以机压法、挤出法和泡沫法三种方式制备莫来石轻质隔热材料，并对其性能进行了研究。实验结果表明：采用泡沫法制备的莫来石质隔热耐火砖具有隔热效果好、荷重软化温度高、强度好、重烧线变化率小等优点。
关键词 泡沫法；机压法；挤出法；莫来石质隔热耐火材料；性能
0 前 言
工业窑炉的节能一直是冶金、机械、化工等耗能大户亟需解决的重点问题，采用体积密度小、导热系数低的轻质隔热材料作炉衬是其有效的解决途径之一。莫来石质隔热耐火砖因其低导热、低热容、耐高温、抗热震性良好、尺寸精度高、结构均匀等优点，适用于冶金、石化、建材、陶瓷、机械等领域的各种工业炉热面衬里和背衬，因其可与火焰直接接触，故是一种极其优异的隔热耐火材料。
莫来石质隔热耐火砖主要是通过在材料内部造孔的方法来达到轻质、隔热的效果，因此其制备原理就是向材料中引入气孔，主要有燃尽物法、泡沫法、化学反应法、多孔材料法、凝胶注模法、冷冻干燥法、原位分解法等常见方法。其中燃尽物法又可因成型方式的不同而分为挤出法和机压法。以不同的制备工艺对莫来石质隔热耐火砖的性能具有重要影响，为了探索不同工艺对莫来石质隔热耐火砖的影响，实验分别以机压法、挤出法和泡沫法三种方式制备莫来石质隔耐火热砖，并对其性能做了对比。
1 实 验
1.1原料
实验主要原料如下：粘土、煅烧氧化铝（ω（Al2O3）≥99，D0.5为0.043-0.1mm）、煅烧莫来石粉（ω（Al2O3）≥65，D0.5为0.1-0.5mm）、板状刚玉（ω（Al2O3）≥99.4，D0.5为0.043-0.2mm）、蓝晶石和硅线石。实验所用的泡沫剂为十二烷基磺酸钠，所用的燃尽物为锯末和聚丙乙烯球，结合剂为聚乙烯醇（PVA）。
1.2制备
泡沫法：实验原料按照表1中1#配比预混4h后，加入30～35wt%的水使粉料混成均匀、稳定的浆体；然后将泡沫剂加水后高速搅拌制得稳定的泡沫；最后将泥浆与泡沫混合均匀，注入40mm×40mm×160mm的模具中，并轻微振动以除去大气泡后，置于室温中自然干燥8～12h，脱模，并于110℃烘烤24h后，于1 550℃烧成并保温3h得到莫来石质隔热耐火热砖。
机压法：实验原料按照表1中2#配比预混4h后，将聚乙烯醇稀释后加入混合均匀的粉末，搅拌10～15min，以5MPa的压力挤压成114mm×65mm×230mm的坯砖，经110℃烘烤24h后，于1 550℃烧成并保温3h得到莫来石质隔热耐火热砖。
挤出法：实验原料按照表1中3#配比预混4h后，加入10～15wt%的水后搅拌均匀，并经过困料、炼泥等工艺程序，以挤出的方式制备出114mm×65mm×230mm的坯砖，经110℃烘烤24h后，于1 550℃烧成并保温3h得到莫来石质隔热耐火热砖。
1.3 表征
在三种成型方式制备试样的体积密度均为1.0～1.1g/cm3的前提下，对每组试样的性能进行多次测试，取其平均值。
（1）试样烧后线变化率按照采用国家标准（GB/T 5998-2007）进行测定；
（2） 重烧线变化率按照国家标准（GB/T 3997.1-1998）进行测定；
（3）试样的耐压强度按照国家标准（GB/T 3997.2-1998）进行测定；
（4）试样的热导率按照冶金行业标准（YB/T4130-2005），使用平板导热仪（PBD-12-4Y）进行测定；
（5）试样的高温荷重软化温度按照国家标准（GB/T5989-1998）规定，以示差-升温法进行测定。
2 结果与讨论
2.1成型方式对线变化的影响
从图1可以看出，莫来石质隔热耐火砖试样经1 550℃烧成3h后，采用泡沫法制备的样品线收缩率最大，达到2.4%；而采用挤压法制备的样品线收缩率最小，仅为1.3%。进一步将试样在1 620 ℃的温度下重烧12h，采用泡沫法制备的样品重烧线收缩率反而最小，为0.73%；而采用挤出成型方式制备的样品重烧线收缩率最大，达到了1.56%。
采用泡沫法制备的莫来石质隔热耐火砖具有烧后线收缩率大而重烧线收缩率小的特点，其主要原因是其结构更加均匀，气孔的孔径分布呈现微-纳米共存的两极分布，烧结更加充分导致的。另一方面，采用机压法制备的莫来石质隔热耐火砖烧后线收缩率和重烧线收缩率均比以挤出法制备的要小，这主要是成型过程的受力方向不同所致，采用机压法制备的样品在烧成过程中会产生一定程度的膨胀。
2.2成型方式对强度的影响
从图2可以看出，采用泡沫法制备的莫来石质隔热耐火砖具有较好的耐压强度和抗折强度，耐压强度达到5.6MPa，抗折强度达到3.2MPa；而采用机压法制备的样品耐压强度和抗折强度均很低，仅为前者的1/4。后者强度偏低的主要原因是机压成型过程中造孔剂的“弹性后效”效应，这导致了制品出现内部裂纹。
2.3成型方式对荷重软化温度的影响
从图3可以看出，采用泡沫法制备的莫来石质隔热耐火砖的荷重软化温度比采用机压法或挤出法高出100℃，而采用机压法与挤出法制备的莫来石質隔热耐火砖的荷重软化温度相差无几。隔热材料的荷重软化温度的高低，除了与材料的化学及物相组成有关，还与其气孔结构密不可分。采用泡沫法制备的莫来石质隔热耐火砖中，圆气孔均匀散布其上，可以有效地分散应力的集中，提高抵抗外力而不变形的能力，同时其微-纳米级组合的孔隙结构，可以有效分散热应力，使其在高温条件下具有较好的体积稳定性。
2.4成型方式对导热系数的影响
从图4可以看出，在体积密度相同的情况下，采用泡沫法制备莫来石质隔热耐火砖的导热系数比采用机压法或挤出法的更小。导热系数与制品的气孔率密切相关，气孔率增加，增加了气-固相界面，增大了固相导热的声子散射，进而降低了耐火材料的热导；同时导热系数还与气孔孔径密切相关，高温条件下，气体分子的运动加剧，其平均自由程因碰撞几率加大而有所缩小，当气体分子运动的平均自由程越接近于甚至大于该范围内微孔的尺寸，气孔内对流传热作用减弱，材料的热导率出现降低。采用泡沫法制备的莫来石轻质隔热砖的孔径为微-纳米级孔，其对流传热极大地降低，隔热效果显著提高。 3 结 论
通过比较三种不同成型方式制备的莫来石轻质隔热砖的性能，我们可以看出，采用泡沫法具有隔热效果好、荷重软化温度高、强度好、重烧线变化率小等优点，因而具有明显的优势。
参 考 文 献
[1]Guojun Zhang， Jianfeng Yang， Tatsuki Ohji. Fabrication of porous ceramics with unidirectional aligned continuous pores [J].Am. CeramSoc.2001，84（6）：1395-1397
[2]Fengkun Yang， Cuiwei Li， Yamei Lin， Changan Wang， Effects of firing temperature on properties of porous mullite/corundum ceramics[J].Material Letters，2012（73）：36-39
[3]耿浩洋，潘志华.化学发泡法制备钙长石系轻质隔热材料坯体[J].硅酸盐通报，2013，5（32）：814-818
[4]Thomas J， Heinrich M， Svinka V， et al. Structure of kaoline-alumina based foam ceramics for high temperature applications[J].Journal of the European Ceramic Society，2007（27）：1435-1440
[5]Aoki Y， Mc Enaney B. SiC foams produced by silica carbon foams [J].British Ceramic Transactions，1995，94（4）：133-137
[6]李飛舟.气孔率可控氧化铝多孔陶瓷制备工艺的研究[J].陶瓷，2009（2）：24-27
[7]Liangfa Hu，Changan Wang，Yong Huang. Porousyttria-stabilized zirconium ceramics with ultra-low thermal conductivity [J].Journal Material Science，2010（45）：3242-3246
[8]Takayuki Fukasawa， Motohide Ando. Synthesis of porous ceramics with complex pore structure by freeze -dry processing [J].Am. Ceram. Soc.2001，84（1）：230-232
[9]曹阳，贺军辉.以冰为模板制备超轻多孔氧化锆块材[J].材料研究学报，2009，23（5）：518-523
[10]方义能，顾华志.有机聚合物原位分解法制备微孔轻质矾土骨料[J].耐火材料，2014，47（9）：328-331
关键词 泡沫法；机压法；挤出法；莫来石质隔热耐火材料；性能
0 前 言
工业窑炉的节能一直是冶金、机械、化工等耗能大户亟需解决的重点问题，采用体积密度小、导热系数低的轻质隔热材料作炉衬是其有效的解决途径之一。莫来石质隔热耐火砖因其低导热、低热容、耐高温、抗热震性良好、尺寸精度高、结构均匀等优点，适用于冶金、石化、建材、陶瓷、机械等领域的各种工业炉热面衬里和背衬，因其可与火焰直接接触，故是一种极其优异的隔热耐火材料。
莫来石质隔热耐火砖主要是通过在材料内部造孔的方法来达到轻质、隔热的效果，因此其制备原理就是向材料中引入气孔，主要有燃尽物法、泡沫法、化学反应法、多孔材料法、凝胶注模法、冷冻干燥法、原位分解法等常见方法。其中燃尽物法又可因成型方式的不同而分为挤出法和机压法。以不同的制备工艺对莫来石质隔热耐火砖的性能具有重要影响，为了探索不同工艺对莫来石质隔热耐火砖的影响，实验分别以机压法、挤出法和泡沫法三种方式制备莫来石质隔耐火热砖，并对其性能做了对比。
1 实 验
1.1原料
实验主要原料如下：粘土、煅烧氧化铝（ω（Al2O3）≥99，D0.5为0.043-0.1mm）、煅烧莫来石粉（ω（Al2O3）≥65，D0.5为0.1-0.5mm）、板状刚玉（ω（Al2O3）≥99.4，D0.5为0.043-0.2mm）、蓝晶石和硅线石。实验所用的泡沫剂为十二烷基磺酸钠，所用的燃尽物为锯末和聚丙乙烯球，结合剂为聚乙烯醇（PVA）。
1.2制备
泡沫法：实验原料按照表1中1#配比预混4h后，加入30～35wt%的水使粉料混成均匀、稳定的浆体；然后将泡沫剂加水后高速搅拌制得稳定的泡沫；最后将泥浆与泡沫混合均匀，注入40mm×40mm×160mm的模具中，并轻微振动以除去大气泡后，置于室温中自然干燥8～12h，脱模，并于110℃烘烤24h后，于1 550℃烧成并保温3h得到莫来石质隔热耐火热砖。
机压法：实验原料按照表1中2#配比预混4h后，将聚乙烯醇稀释后加入混合均匀的粉末，搅拌10～15min，以5MPa的压力挤压成114mm×65mm×230mm的坯砖，经110℃烘烤24h后，于1 550℃烧成并保温3h得到莫来石质隔热耐火热砖。
挤出法：实验原料按照表1中3#配比预混4h后，加入10～15wt%的水后搅拌均匀，并经过困料、炼泥等工艺程序，以挤出的方式制备出114mm×65mm×230mm的坯砖，经110℃烘烤24h后，于1 550℃烧成并保温3h得到莫来石质隔热耐火热砖。
1.3 表征
在三种成型方式制备试样的体积密度均为1.0～1.1g/cm3的前提下，对每组试样的性能进行多次测试，取其平均值。
（1）试样烧后线变化率按照采用国家标准（GB/T 5998-2007）进行测定；
（2） 重烧线变化率按照国家标准（GB/T 3997.1-1998）进行测定；
（3）试样的耐压强度按照国家标准（GB/T 3997.2-1998）进行测定；
（4）试样的热导率按照冶金行业标准（YB/T4130-2005），使用平板导热仪（PBD-12-4Y）进行测定；
（5）试样的高温荷重软化温度按照国家标准（GB/T5989-1998）规定，以示差-升温法进行测定。
2 结果与讨论
2.1成型方式对线变化的影响
从图1可以看出，莫来石质隔热耐火砖试样经1 550℃烧成3h后，采用泡沫法制备的样品线收缩率最大，达到2.4%；而采用挤压法制备的样品线收缩率最小，仅为1.3%。进一步将试样在1 620 ℃的温度下重烧12h，采用泡沫法制备的样品重烧线收缩率反而最小，为0.73%；而采用挤出成型方式制备的样品重烧线收缩率最大，达到了1.56%。
采用泡沫法制备的莫来石质隔热耐火砖具有烧后线收缩率大而重烧线收缩率小的特点，其主要原因是其结构更加均匀，气孔的孔径分布呈现微-纳米共存的两极分布，烧结更加充分导致的。另一方面，采用机压法制备的莫来石质隔热耐火砖烧后线收缩率和重烧线收缩率均比以挤出法制备的要小，这主要是成型过程的受力方向不同所致，采用机压法制备的样品在烧成过程中会产生一定程度的膨胀。
2.2成型方式对强度的影响
从图2可以看出，采用泡沫法制备的莫来石质隔热耐火砖具有较好的耐压强度和抗折强度，耐压强度达到5.6MPa，抗折强度达到3.2MPa；而采用机压法制备的样品耐压强度和抗折强度均很低，仅为前者的1/4。后者强度偏低的主要原因是机压成型过程中造孔剂的“弹性后效”效应，这导致了制品出现内部裂纹。
2.3成型方式对荷重软化温度的影响
从图3可以看出，采用泡沫法制备的莫来石质隔热耐火砖的荷重软化温度比采用机压法或挤出法高出100℃，而采用机压法与挤出法制备的莫来石質隔热耐火砖的荷重软化温度相差无几。隔热材料的荷重软化温度的高低，除了与材料的化学及物相组成有关，还与其气孔结构密不可分。采用泡沫法制备的莫来石质隔热耐火砖中，圆气孔均匀散布其上，可以有效地分散应力的集中，提高抵抗外力而不变形的能力，同时其微-纳米级组合的孔隙结构，可以有效分散热应力，使其在高温条件下具有较好的体积稳定性。
2.4成型方式对导热系数的影响
从图4可以看出，在体积密度相同的情况下，采用泡沫法制备莫来石质隔热耐火砖的导热系数比采用机压法或挤出法的更小。导热系数与制品的气孔率密切相关，气孔率增加，增加了气-固相界面，增大了固相导热的声子散射，进而降低了耐火材料的热导；同时导热系数还与气孔孔径密切相关，高温条件下，气体分子的运动加剧，其平均自由程因碰撞几率加大而有所缩小，当气体分子运动的平均自由程越接近于甚至大于该范围内微孔的尺寸，气孔内对流传热作用减弱，材料的热导率出现降低。采用泡沫法制备的莫来石轻质隔热砖的孔径为微-纳米级孔，其对流传热极大地降低，隔热效果显著提高。 3 结 论
通过比较三种不同成型方式制备的莫来石轻质隔热砖的性能，我们可以看出，采用泡沫法具有隔热效果好、荷重软化温度高、强度好、重烧线变化率小等优点，因而具有明显的优势。
参 考 文 献
[1]Guojun Zhang， Jianfeng Yang， Tatsuki Ohji. Fabrication of porous ceramics with unidirectional aligned continuous pores [J].Am. CeramSoc.2001，84（6）：1395-1397
[2]Fengkun Yang， Cuiwei Li， Yamei Lin， Changan Wang， Effects of firing temperature on properties of porous mullite/corundum ceramics[J].Material Letters，2012（73）：36-39
[3]耿浩洋，潘志华.化学发泡法制备钙长石系轻质隔热材料坯体[J].硅酸盐通报，2013，5（32）：814-818
[4]Thomas J， Heinrich M， Svinka V， et al. Structure of kaoline-alumina based foam ceramics for high temperature applications[J].Journal of the European Ceramic Society，2007（27）：1435-1440
[5]Aoki Y， Mc Enaney B. SiC foams produced by silica carbon foams [J].British Ceramic Transactions，1995，94（4）：133-137
[6]李飛舟.气孔率可控氧化铝多孔陶瓷制备工艺的研究[J].陶瓷，2009（2）：24-27
[7]Liangfa Hu，Changan Wang，Yong Huang. Porousyttria-stabilized zirconium ceramics with ultra-low thermal conductivity [J].Journal Material Science，2010（45）：3242-3246
[8]Takayuki Fukasawa， Motohide Ando. Synthesis of porous ceramics with complex pore structure by freeze -dry processing [J].Am. Ceram. Soc.2001，84（1）：230-232
[9]曹阳，贺军辉.以冰为模板制备超轻多孔氧化锆块材[J].材料研究学报，2009，23（5）：518-523
[10]方义能，顾华志.有机聚合物原位分解法制备微孔轻质矾土骨料[J].耐火材料，2014，47（9）：328-331