锆蓝晶石论文 (1)
7页1、含蓝晶石的天然矿物在铸造用材料领域的应用河南科技大学高温材料院院长 周宁生 博 士 河南省桐柏山蓝晶石矿业有限公司 李保珍 董事长 摘要:铸造型砂和涂料这类材料是影响铸件质量的重要因素。介绍了天然矿 物蓝晶石及锆英石的特性,分析了在铸造用材料中引入蓝晶石及锆英石-蓝晶石混 生矿的优越性,介绍了相关研发和应用现状,指出了蓝晶石和锆英石-蓝晶石混生 矿物在铸造用材料中应用的良好前景。关键词:蓝晶石;锆英石;铸造;涂料引言铸造涂料主要由耐火原料、粘结剂及附加物组成,其中耐火原料占总重量的 90以上。因此,高品质的耐火原料是铸造高质量铸件的关键,所用耐火原料的 成分将直接影响铸件的品质。铸造用耐火材料要求具有良好的热震稳定性,足够 的常温和高温强度,受热后变形小,较低的热膨胀系数和热化学稳定性等。型砂 的内表面质量及铸件的表面质量还受到组成材料粒度大小、粒度分布、纯度和受 热后发生的物理化学变化等的影响。为获得高质量铸件,通常在型砂与铁水或钢 水接触的工作表面施以涂料。此涂料不仅要求具有良好的耐火度、光洁度,还要 求热性能稳定、不与铸件发生反应,对人体健康和环境无害、价格适中等。铸造用耐火原料
2、的品种甚多,如莫来石、铝硅质矿物、镁橄榄石、硅酸锆等。 铸造行业中所用的铸造涂料,多涉及氧化硅质、氧化铝质、莫来石质、铝矾土质、 硅酸锆质等。随着铸造材料技术的发展和对铸造水平要求的日益提高,国内铸造 涂料的研发与应用也得到了较快发展,涂料品种不断增多,性能不断提高,涂料 的功能亦趋多元化。蓝晶石矿物和蓝晶石-锆英石混生矿物的特性及受热后发生的物理化学变化, 可满足铸造用涂料的特定要求。本文介绍含蓝晶石的天然矿物在铸造材料领域中 的应用。1 蓝晶石族矿物特性及用途蓝晶石族矿物是指化学式为Al2O3SiO2的一组无水铝硅酸盐类矿物,包括蓝 晶石(Kyanite)、红柱石(Andalusite)和硅线石(Sillimanite)。它们的理论化学组成为A12O362.93%, SiO237.07%。三者为同质多变体,由于形成的地质条件不同,它们 的晶体结构存在差异。蓝晶石、红柱石属于有附加阴离子的岛状铝硅酸盐,而硅 线石则属于链状结构。他们在阴离子的配位上也有差异,离子半径比A13+: 02-=0.43, 接近于6或者4配位的极限值。Al3+有双重配位。在蓝晶石的晶格构造中,所有的 A13+
3、都被6个02-依八面体所包围(近似最紧密氧原子堆积);红柱石的晶格中有半 数的A13+被6个02-包围,另外的则为5个02-包围,这是唯一的5配位的硅酸盐; 而硅线石中有半数的A13+为6配位,其余均为4配位。蓝晶石属于三斜晶系,而 红柱石和硅线石则属于斜方晶系。1.1 蓝晶石族矿物的性能 蓝晶石族矿物、莫来石均属高铝硅酸盐类矿物。自然界中绝大多数矿物在一 定高温受热后出现体积收缩,而蓝晶石族矿物在1150C1500C的高温受热,由于 分解而转变为莫来石和富含氧化硅的相,呈现体积膨胀性。由于结构上的差异, 蓝晶石族矿物的受热膨胀性各具特点。在蓝晶石结构中,由于02-近似地呈最紧密 堆积,其理论密度最大,为3.353.65 g/cm3。因而受热后转变为莫来石(3.03g/cm3) 时,其体积膨胀量最大,硅线石次之,而红柱石的结构相对最疏松,理论密度最 小,为3.13.16g/cm3,高温下的膨胀量也最小。蓝晶石的开始膨胀温度为1100C 左右,最大体积变化可达18%。而红柱石和硅线石最大体积变化分别为5.4%和7.2% 加热变化是蓝晶石族矿物的重要特征。蓝晶石、红柱石和硅线石在一定的高
4、温下受热,均会不可逆地转变为莫来石和二氧化硅,谓之莫来石化。其反应式如 下:A10 SiO T 3AlO 2SiO + SiO2 322 322在莫来石化的过程中,伴随有一定的体积膨胀。蓝晶石在1100C左右开始分 解,11001300C生成雏晶莫来石,1300C-1350C时显著分解,莫来石量骤增,并 且随着温度的升高,莫来石柱状晶体增多。1400 C,莫来石晶体形成致密的网络 结构,细针状莫来石继续发育长大。1450 C时,蓝晶石已完全莫来石化,柱状晶 体明显发育。1450C以上,莫来石柱状晶体进一步发育长大,构成交错的网络结 构,其显微结构见图 1。浇铸铁、钢恰好在或经历此温度范围。在铸造用材料中引入蓝晶石,不仅可 以提高铸造材料的耐火度,抵消高温下的体积收缩,而且形成的网络状的莫来石 有利于热面材料的抗开裂。图1蓝晶石经1500C烧后的显微结构1.2 蓝晶石族矿物的应用 通过添加蓝晶石族矿物实现改性高铝耐火材料的技术在中国已有30余年的历 史,可追溯自上海宝钢引进日本炼钢技术配套耐火材料。当时日本供高炉热风炉 铝硅耐火材料中加入了蓝晶石族矿物,使耐火材料的性能提高。由于蓝晶石族
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