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煤系高岭土在耐火材料中的应用

发表时间: 2022-09-07 09:56:29

作者: 广州市黄埔天泰化轻有限公司

来源: 天泰粉体

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我国煤系高岭土的远景储量在170亿t以上,相当于世界软质高岭土储量的总和。我国煤系高岭土直接煅烧后的致密度不高,杂质含量低,往往作为耐火制品如耐火纤维、莫来石轻质砖的主要原料。也将煤系高岭土细磨配料、成型烧成后合成低铝莫来石、莫来石/高硅氧玻璃复合材料(莫来卡特)或莫来石轻质骨料等。

我国煤系高岭土的远景储量在170亿t以上,相当于世界软质高岭土储量的总和。我国煤系高岭土直接煅烧后的致密度不高,杂质含量低,往往作为耐火制品如耐火纤维、莫来石轻质砖的主要原料。也将煤系高岭土细磨配料、成型烧成后合成低铝莫来石、莫来石/高硅氧玻璃复合材料(莫来卡特)或莫来石轻质骨料等。

一、Al2O3-SiO2系耐火原料

1.莫来石原料

煅烧高岭土的耐火度与其中的Al2O3含量有关。Al2O3的含量愈高,Al2O3SiO2的比值愈大,耐火度就愈高。经高温煅烧的高岭土,耐火度可达1700℃,莫氏硬度可达78,是合成莫来石的天然原料。

煤系高岭土还可与其他高铝原料混合共磨,经干燥后烧制为莫来石骨料或莫来石细粉等。以碳含量为2%~5%的煤矸石、高铝原料和轻烧高岭土为主要原料,添加少量外加剂进行湿磨,后续进行压滤烘干并置于回转窑烧制,制得孔径较小且分布均匀的Al2O3含量在46%49%的莫来石耐火原料。

2.莫来卡特

莫来卡特是优质的硅酸铝质耐火材料,其结构特点是由莫来石针状结晶和硅酸盐玻璃相组成,无游离的结晶石英存在,所以热膨胀系数小且均匀,抗热震性很好;具有硬度大、玻璃相黏度高、耐磨性好等特点。

煤系高岭土熟料与莫来卡特同为硅酸铝质耐火材料,在物理化学组成上具有极高的相似性。国内的煤系高岭土普遍具有较低的K2O含量,所以在利用煤系高岭土制备莫来卡特的过程中,通常需要加入钾长石进行混合焙烧,得到莫来石-高硅氧玻璃复合材料,即莫来卡特。

3.超细/精细煅烧高岭土

煤系高岭土是目前广泛用于制备超细/精细高岭土的廉价原料。精细高岭土和超细高岭土在耐火材料行业主要是以小掺量的方式加入,用作固-液体系或固--气体系的料浆稳定剂。

研究人员通过煅烧并控制以下条件,如原料质量、窑炉升温速度、煅烧温度、添加剂选择、煅烧方式、恒温时间和煅烧气氛等,经过一系列复杂的深加工处理后可制得增白和超细高岭土。王相等将M40煤系高岭土在1050℃下煅烧3h后再磨细,可以得到白度为90.12%d50=2.8μm的精细高岭土。

二、Al2O3-SiO2系轻质隔热耐火材料

1.硅酸铝纤维

硅酸铝纤维按原料及生产方式的不同,可分为三大类:高纯硅酸铝纤维、含锆硅酸铝纤维和晶态硅酸铝纤维。煤系高岭土熟料的白度比焦宝石的要高,且成本相对低廉,目前已大量用于高纯硅酸铝纤维的制备。

根据煤系高岭土熟料的化学组成进行分级,可分别用于1050型、1260型和1400型硅酸铝纤维的制备。煤系高岭土应用于硅酸铝纤维的制备需要做前端的原料处理。一般来说,会将煤系高岭土在1250℃左右进行煅烧,再直接进入熔炼系统进行纤维的制备;或者,一部分企业选择直接将未经热处理的煤系高岭土投入熔炼系统,在10001600℃的温度区间内保温至无挥发物产生,再升温至21002300℃进行纤维的制备。

煤系高岭土制备的硅酸铝纤维具有极高的白度,且在熔融状态下黏度可控性较好,相应所制得纤维的表面光滑且渣球率低。

2.轻质隔热砖

除应用于硅酸铝纤维外,轻质隔热砖的制备也是煤系高岭土熟料作为主要原料进行使用的重要领域,如莫来石轻质隔热材料、堇青石轻质隔热材料等。

为了提升高岭土熟料制备轻质耐火制品的高温使用性能,通常会将高岭土熟料与氧化铝原料配合使用,使体系中存余的非晶SiO2与Al2O3原料发生二次莫来石化,进一步提升高温性能。

以煤系高岭土和α-Al2O3为主要原料,经冷冻铸造法制备孔径为250μm的轻质莫来石陶瓷,在烧成温度为1500℃时,气孔率达83.4%,耐压强度为3.8MPa

以M40煅烧煤系高岭土、高铝矾土和α-Al2O3微粉为原料用造孔剂法生坯压制成型,1450℃烧结制备出体积密度为0.83g/cm3、常温耐压强度为2.5MPa、热导率为0.217W·m-1·K-1M55莫来石轻质砖。该轻质砖与摩根热陶瓷有限公司和上海伊索热能技术有限公司的同级别产品相比,在保证隔热性能的前提下,具有更高的耐压强度。

3.堇青石多孔陶瓷

除了制备莫来石质轻质隔热耐火材料,堇青石多孔陶瓷的制备也是近几年的煤系高岭土在耐火材料行业的应用领域。以高岭土-滑石-氧化铝体系制备堇青石时,当高岭土中SiO2Al2O3质量比越大时,高岭土提供的铝源越少,参与合成堇青石反应中高岭石相的含量越少。杨涛等利用煤矸石为原料,外加5%的活性炭为造孔剂,在1400℃下保温6h可以合成抗折强度为29.1MPa、显气孔率为39.8%的堇青石多孔陶瓷。耿鹏以M50煤系高岭土和SiO2MgO作为原料,在1300℃下制得微孔堇青石隔热陶瓷,其孔隙率保持在79.9%81.8%,抗压强度可达3.86MPa

三、不定形耐火材料

骨料轻量化是不定形耐火材料领域的热门研究课题,除轻质隔热耐火砖外,将煤系高岭土成球作为轻质隔热浇注料中的轻质骨料使用也是煤系高岭土的重要应用领域。与原矿直接烧制破碎得到的轻质骨料不同,煤系高岭土与其他原料配合使用,配合不同造孔剂的加入,可以制备出不同莫来石级别和不同孔径大小及分布的中高端莫来石轻质骨料。

有些专家以煤系高岭土和α-Al2O3为主要原料,糊精作为造孔剂,铝溶胶作为结合剂,通过原位分解法制备了M55M65M70微孔莫来石轻质骨料,经14001600℃热处理后,其气孔孔径分布在0.14μm,可部分替代均化矾土骨料。

研究人员以煤系高岭土为主要原料,经造粒成球,制备Al2O3含量为70%55%的两种莫来石轻质骨料,由煤系高岭土制备的M55浇注料的耐压强度与热导率均优于市售M65浇注料。

其他研究人员综合使用煤矸石、苏州土和广西白泥,经二次煅烧粉磨后和其他添加剂均匀混合,制得冷态强度高和存放周期长的轻质铝硅系喷补料。煤矸石熟料在喷涂料领域的推广应用,可替代或部分替代其他耐火原料,如焦宝石、蓝晶石和矾土熟料,一方面可以降低成本,还可以优化喷补料的可施工性能。

煤系高岭土在耐火材料中的应用
我国煤系高岭土的远景储量在170亿t以上,相当于世界软质高岭土储量的总和。我国煤系高岭土直接煅烧后的致密度不高,杂质含量低,往往作为耐火制品如耐火纤维、莫来石轻质砖的主要原料。也将煤系高岭土细磨配料、成型烧成后合成低铝莫来石、莫来石/高硅氧玻璃复合材料(莫来卡特)或莫来石轻质骨料等。
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