不同造孔剂对方镁石－镁橄榄石隔热材料性能的影响

工业窑炉砌体的蓄热损失和炉体表面的散热损失，一般约占燃料消耗的24%～45%。用热导率低、热容量小的轻质隔热耐火材料作为炉体结构材料，可节省燃料消耗；可快速升温和冷却，能提高设备生产效率；还能减轻炉体质量，简化窑炉构造，改善劳动条件［1－2］。

目前使用的隔热材料主要为硅铝系材料，对碱性材质隔热材料的研究相对较少［3－7］。碱性耐火原料中，镁橄榄石是唯一可以不经煅烧就可直接使用的耐火原料，熔点高（达1 890℃），热导率低（是纯氧化镁的1/3～1/4），与大多数耐火原料有良好的相容性，是一种性能比较优良的碱性隔热耐火材料［8－11］。

我开始忽悠，每个时代都有每个时代的困顿，也许在历史的进程里野蛮会战胜文明，但是要相信，文明的种子在这些市井之辈、读书之人甚至妓女乞丐的心中代代传承，文明不会消亡，总有一天它会变得更有力量。

为了以辽宁地区丰富的镁资源制备方镁石－镁橄榄石质隔热材料，在本工作中，拟采用造孔剂法制备方镁石－镁橄榄石质隔热材料，在以菱镁矿粉为主要造孔剂的基础上，主要研究了额外添加石墨、炭黑、聚苯乙烯球、聚丙烯塑料颗粒和木屑等造孔剂对方镁石－镁橄榄石隔热材料性能的影响。

1 试验

1.1 试验原料

试验以高纯镁砂（≤3 mm）、镁橄榄石（≤1 mm）和SiO2粉（≤0.044 mm）为主要原料，以菱镁矿细粉（≤0.074 mm）、石墨（≤0.149 mm）、炭黑（≤0.044 mm）、聚苯乙烯球（1 mm）、聚丙烯塑料颗粒（1 mm）和木屑（1～2 mm）作为造孔剂，以亚硫酸纸浆废液作为结合剂。主要原料的化学组成见表1。

 

表1 主要原料的化学组成Table 1 Chem ical composition ofmain starting materials

  

灼减高纯镁砂 97.70 0.71 0.55 0.24 0.34原料 w/%MgO SiO2 Fe2O3 FeO Al2 O3 CaO 0.16镁橄榄石 44.32 40.82 2.56 5.84 2.32 1.45 2.69 SiO2粉 1.10 95.10 0.20 0.70 0.30菱镁矿 47.35 0.40 0.53 0.11 0.5451.01

1.2 试样制备

2）STEM教育与中国科技教育之间的有机转化。我国现有的课程体系表现为主科教育所占课时长，评价占比大，而工程类、技术类等综合性课程较少，造成学生数学科学这类学科成绩较好，而对于技术的应用和工程方面问题的解决能力则有待提高。工科学生在接受高等教育之前，接受相关理念灌输，知识积累较少，就会形成教育断档。因此，在中小学阶段培养创新性思维，在高中阶段设置一些工程类技术的学科供学生学习，有助于学生建立完整的思维模式。这样的人才培养体系具有针对性，高效率培养不同领域的人才。

 

表2 试验配比Table 2 Formulations of specimens

  

原料 w/%1＃ 2＃ 3＃ 4＃ 5＃ 6＃45 45 45 45 45 45镁橄榄石 30 28 28 29.5 29 28菱镁矿 20 20 20 20 20 20 SiO2粉 5 5 5 5 5 5石墨 0 2 0 0 0 0炭黑 0 0 2 0 0 0聚苯乙烯球 0 0 0 0.5 0 0聚丙烯塑料颗粒 0 0 0 0 1 0木屑 0 0 0 0 0 2纸浆废液（外加）高纯镁砂5 5 5 5 5 5

1.3 性能检测

1 550℃保温3 h烧后试样的常温抗折强度和常温耐压强度见图2。可以看出：1＃试样的常温抗折强度和常温耐压强度最大。额外添加其他造孔剂后，试样的常温抗折强度和常温耐压强度均降低，其中，5＃试样的最小，3＃试样的最大（仅次于1＃试样的）。

2 结果与讨论

2.1 物理性能

  

图1 烧后试样的显气孔率、体积密度和加热永久线收缩率Fig.1 Apparent porosity，bulk density and permanent linear change rate of fired specimens

对仅以菱镁矿作为造孔剂的1＃试样、综合性能较好的3＃试样以及性能最差的5＃试样进行了显微结构分析，其SEM照片见图4。可以看出：1＃试样和3＃试样的结构较5＃试样的均匀；5＃试样因配料中添加有粒径较大（1 mm）的塑料颗粒，因此烧后产生了较大的气孔，并且气孔分布不均均。3＃试样由于添加的炭黑粒度小，在烧后试样中留下微气孔，因此在显气孔率增大的同时仍具有仅次于1＃试样的常温强度。

按GB/T 2998—2001检测烧后试样的体积密度和显气孔率，分别按 GB/T 3001—2007、GB/T 5072—2008和GB/T 5988—2007检测烧后试样的常温抗折强度、常温耐压强度和加热永久线变率。利用荷兰帕纳科X射线衍射仪分析试样的物相组成。利用德国ZEISSΣIGMA场发射扫描电镜观察试样的显微结构。

  

图2 烧后试样的常温抗折强度和常温耐压强度Fig.2 Cold modulus of rupture and cold crushing strength of fired specimens

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按表2的试验配比配料，混练均匀后，以2 MPa的压力压制成130 mm×40 mm×40 mm的试样，在110℃保温24 h后，在1 550℃保温3 h烧成。烧成过程中，控制600～800℃的升温速率为1.5℃·min－1，防止因菱镁矿快速分解而造成试样表面出现裂纹。

经比较，额外添加炭黑的3＃试样的综合性能较好。

2.2 物相组成与显微结构

由于2＃—5＃试样中额外添加的造孔剂经烧成后已经不存在，因此可以1＃试样为代表进行XRD分析，其XRD图谱见图3。可以看出：试样的主晶相为方镁石、镁橄榄石（Mg2 SiO4）及少量的钙镁橄榄石（CaMgSiO4）。说明试样中添加的菱镁矿全部分解成MgO，且与添加的5%（w）的SiO2粉在基质中完全反应生成了橄榄石。

  

图3 烧后1＃试样的XRD谱图Fig.3 XRD pattern of fired specimen 1＃

1 550℃保温3 h烧后试样的显气孔率、体积密度和加热永久线收缩率见图1。可以看出：仅以菱镁矿作为造孔剂的1＃试样的显气孔率最低，体积密度最大。额外添加其他造孔剂后，试样的显气孔率增大，体积密度减小，其中，额外添加炭黑的3＃试样和额外添加聚丙烯塑料颗粒的5＃试样的显气孔率最大（约为43.7%）。经1 550℃保温3 h烧后，试样均发生收缩，其中，额外添加石墨的2＃试样的收缩率最小（0.26%），额外添加木屑的6＃试样的收缩率最大（1.47%）。

  

图 4 3＃和 5＃试样的 SEM照片Fig.4 SEM images of specimens 1＃，3＃and 5＃

3 结论

（1）在以菱镁矿粉为主要造孔剂的基础上分别额外添加石墨（≤0.149 mm）、炭黑（≤0.044 mm）、聚苯乙烯球（1 mm）、聚丙烯塑料颗粒（1 mm）和木屑（1～2 mm）等造孔剂后，烧后试样的显气孔率增大，体积密度、常温耐压强度和常温抗折强度均减小；试样烧成后均发生收缩，其中，添加石墨的试样收缩最小（0.26%），添加木屑的试样收缩最大（1.47%）。综合比较，添加炭黑的试样的综合性能最优。

（2）烧后试样的主晶相为方镁石、镁橄榄石（Mg2 SiO4）及少量的钙镁橄榄石（CaMgSiO4）。

（3）添加粒径较大（1 mm）塑料颗粒的试样，烧后产生了较大的气孔，并且气孔分布不均均；添加炭黑的试样，在显气孔率增大的同时仍具有较高的强度。

（1）触摸法：用手摸，粗的是 N a2CO3，细的是N aH CO3（N a2CO3为白色粉末或细粒， N aH CO3为白色细小晶体）；

参考文献

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