锆蓝晶石论文(1).docx

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Al2O3·SiO2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Al2O362.93%，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Al3+ : O2-=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Al3+都被6个O2-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Al3+被6个O2-包围，另外的则为5个O2-包围，这是唯一的5配位的硅酸盐；而硅线石中有半数的Al3+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1150℃~1500℃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O2-近似地呈最紧密堆积，其理论密度最大，为3.35~3.65 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3.1~3.16g/cm3，高温下的膨胀量也最小。蓝晶石的开始膨胀温度为1100℃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： 在莫来石化的过程中，伴随有一定的体积膨胀。蓝晶石在1100℃左右开始分解，1100~1300℃生成雏晶莫来石，1300℃-1350℃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℃，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℃时，蓝晶石已完全莫来石化，柱状晶体明显发育。1450℃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1500℃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。 由于蓝晶石族矿物有上述特性，我国于上世纪八十年代初以来全面