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提高陶瓷微珠耐磨性的措施

提高陶瓷微珠耐磨性的措施

30卷第4期   非金属矿   

   Vol.30 No.42007年7月       Non-Metallic Mines  July,2007

提高陶瓷微珠耐磨性的措施

曹南萍1 张建龙2 张如昕2

(1 江西省萍乡市硅酸盐研究所,萍乡 337000;   2 河北省沙河市科龙研磨介质厂,邢台 054000)

高耐磨陶瓷微珠是非金属矿业的基础材料。通过对微珠陶瓷制造工艺过程的技术实验和大生产实践的总结,结合理论分析,

本文对提高陶瓷微珠的耐磨性,提出了相应的措施,即优化原料中铝耐磨瓷的配方和加工工艺,开发微晶型高铝耐磨瓷,改进成型和烧成工艺等。

关键词 非金属矿业 陶瓷微珠 耐磨性 制备

of Raising Wear Resistance for Ceramics Particle

Nanping1 Zhang Jianlong2 Zhang Ruxin2

(1 Pingxiang Ceramics Institute, Pingxiang 337000; 2 Kelong Grinding Medium Factory, Xingtai 054000)

High perfomance wearable ceramics particle is a basic material for further processing of non-metallic minerals industry. Based on technology experiments, practice experience of industrial production and theoretical analyzing, this paper put forth some countermeasurs of raising wear resistance of ceramics particle, such as optimizing formula and processing technology of ceramics particle, developing microcrystal wear-resisting rich-alumina ceramics as raw material and improving forming and sintering technology etc.

words non-metallic minerals industry ceramics particle wear resistance preparation

在矿物、粉体材料的深加工过程中,已越来越多地使用陶瓷微珠作为磨介,来粉碎、细磨原料。耐磨性成为矿物粉体加工企业,采购选用陶瓷微珠核心的、首选的控制指标。这是因为它直接关系到加工企业的生产成本和产品的质量(粉体的纯度、细度等)、产量。而从宏观上看,微珠也是关系着我国非金属矿工业健康发展的一个重要因素 [1],因而有必要对提高微珠的耐磨性,作深入的理论研究和系统的实践总结。

下面就我们在微珠性能改善上所采取的一些措施,介绍出来,旨在抛砖引玉。

1 优化微珠原料中铝耐磨瓷配方和加工工艺

Al2O3含量≤60%的中铝瓷,因其生产工艺成熟、生产线投资小、产品性价比高,而成为当今矿产、粉体加工行业的主流用品,用量最大,用途甚广。但耐磨性不高是其最大的“软肋”,我们采取以下措施来提高其耐磨性。

1。1 改干法混合、细磨制备坯粉的工艺为湿法混磨工艺 科龙研磨介质厂过去一直采用干法混磨各组分原料,再直接将球磨出来的粉滚动成球的工艺。该工艺存在两大缺陷:①干法球磨原料效率很低,长时间球磨也难以达到250目的细度,且易出现球-粉、粉-粉粘连成团的现象;②各组分密度、细度不同的原料(如α-Al2O3、黏土、长石、含CaO、BaO、MgO的化合物等)无法在球磨机内混匀,造成瓷体结构不匀,每批次产品烧结生熟程度不一、产品性能差异性大等问题,致使微珠耐磨性差。后改为湿法混磨→泥浆脱水烘干→干法球磨打散、粉碎的工艺,一举消除上述两大缺陷,使制出的微珠耐磨性增强。

1。2 以煅烧铝矾土替代煅烧氧化铝 α-Al2O3主要用于提高中铝耐磨瓷的耐磨性和密度。以含相同晶相组成的煅烧铝矾土替代商品氧化铝,不仅可节约资源、降低成本,还可提高瓷体的耐磨性[2]。

这是因为成品煅烧Al2O3粉的颗粒,都是由2~20μm的刚玉(α-Al2O3)晶粒堆砌而成的疏松团聚体,若不经单独球磨,而是与长石、黏土、瓷石及含CaO、BaO、MgO的化合物等混磨,即使磨很长时间,也无法完全打碎α-Al2O3粉的这种团聚结构。这样做出的瓷体,必定是由α-Al2O3的多孔性团聚物 莫来石 玻璃相 气孔等晶相组成的结构。显然,作为耐磨主晶相的α-Al2O3,是一种多孔聚集体而不是完全分散开的、单一的刚玉晶粒(1~20μm),其瓷体的耐磨性必然不佳。相反,采用充分煅烧转化完全的铝矾土,则结果就截然不同。煅烧完全的矾土,是一种由刚玉、莫来石、玻璃相和微量气孔等组成的致密聚集体,经雷蒙机粉碎至250目后,再与黏土、熔剂等在球磨机中混磨,很容易制得微米级的矾土粒子。这些单体粒子充分弥散在坯体中,烧结时又与熔剂良好互融,冷却后即形成由刚玉、莫来石、玻璃相组成的均匀、致密结构,使其耐磨性优于以煅烧氧化铝为原料生产的微珠。

矾土粒子制得:主要原料高岭土、瓷土,20%~30%;熟矾土粉,40%~50%;熔剂(长石、滑石、白云石等),20%~30%。生产工艺:生矾土→1500~1600℃煅烧→粗碎→雷蒙磨细碎→矾土粉。

再者,煅烧Al2O3的真密度为3.96~3.99g/㎝3,Al2O3含量≥99%;而熟矾土的真密度是3.4~3.7 g/cm3,Al2O3含量为80%~90%。若要使瓷珠达到相同的Al2O3组成或体积密度,则矾土粉要比α-Al2O3粉多配入一些(一般是α-Al2O3粉配入量的1.2~1.3倍),由此带来瓷体中耐磨晶相——刚玉和莫来石的增多,也使瓷件耐磨性增强。

处理好原料替代的关键是,矾土原料煅烧的完全性。若矾土煅烧不良,刚玉、莫来石形成不充分,烧结体不致密(吸水率大、密度低),则以此原料制出的微珠耐磨性极差,这在科龙厂有过深刻教训。另外,使用矾土制出的微珠,呈色不白、暗淡,卖相稍逊于α-Al2O3制出的产品。但此问题可通过加入少量矿物和化工原料来增白解决。

采取上述措施后,瓷珠耐磨性等有明显提高。以磨超细章村土(伊利石瓷土)为例,用剥片机磨1t瓷石,球耗由原来的6kg下降为3kg;磨重钙,则由原来的1.5kg/t,降为0.8kg/t。实验中,微珠使用比例(%):Φ-1mm,35~40;Φ1~2mm,25~30;Φ2~3mm,40左右。改进后的瓷珠产品占领了沙河市市场,并受到山西、山东等企业的青睐。

2 开发微晶型高铝耐磨瓷

在某些对瓷珠要求较高(如更耐磨、体积密度≥3.5g/cm3)的场合,必须使用Al2O3含量90%~95%、主晶相为刚玉的瓷质。此时若主晶相尺寸细小、组织结构均匀致密,将使瓷珠具有更强的耐磨性[3~5];其制造工艺,相对于一些使用相变增韧、第二相掺杂改性和引入纳米粉等增强抗磨性的技术,有更好的便利性、经济性和有效性。而且,微晶材料也是无机材料发展的一个重要方向[5,7,10]。

在生产实践中,要同时采取以下技术手段来制备微晶刚玉瓷。

2。1 使-Al2O3粉超细化 这是因为瓷体中晶粒的长大,与原料的起始粒度呈正比关系。原料中α-Al2O3粉的粒度大,则制出的瓷体的最终晶粒也大;同时原料的粒度越小,烧结温度也越低;而瓷相中晶粒的长大,又随烧成温度呈指数函数递增——烧成温度小幅提高,晶粒长大速率急剧加大[6,7]。有鉴于此,

:首先要制备超细α-Al2O3原料。具体的工艺措施是①选用新型的活性α-Al2O3粉,此种商品Al2O3粉的原晶粒度多在2μm以下,且团聚性差,配用分散剂,短时间球磨即可打散磨细至微米级;②两次投料两次加水,即先低水分单独湿磨α-Al2O3粉,再加入黏土、熔剂等,并二次补水后,再磨;③用Φ20mm 以下的小尺寸、大密度的球磨子作球磨机的磨介。这是针对原料均为粉状物料而实施的强化研磨效率的有效举措。

2。2 采用有效的晶粒生长抑制剂 通过在配料中引入少量的含MgO、La2O3、Y2O3等矿物或化合物,以产生“钉扎”等效应而阻滞晶粒生长,可确保晶粒细小,显微结构均匀、致密。大生产中,我们采用的是Mg(OH)2等作为晶粒生长抑制剂。2。3 使用高效助熔剂实施低温烧成 对熔剂性原料作超细化、均质化和煅烧、熔融的处理,可极大地增强其助熔能力,拓宽烧成温度范围,达成低温烧成,满足制备微晶瓷的根本条件[8,9]。原因是,熔融处理熔剂,使之变成均相体后,有更低的熔点(其原理类似于玻璃,玻璃配料需1350~1550℃才能熔匀,但由此制出的制品仅在1000℃以前即熔融完全,而二者的组成相同),烧结时刚玉瓷坯料可在很低温度下发生溶解——沉淀和流动传质[7,10],而能够实现低温烧结。由于熔剂经煅烧、熔融处理,CaCO3、滑石中所含的CO2、H2O已排除殆尽,致使刚玉瓷坯料烧结范围拓宽,资质更为致密[8,9]。

通过实施以上技术措施,开发出晶粒尺寸达微米级的刚玉瓷(图1)。图中未见粗晶且晶体大小均匀,是因为1500℃以下的低温烧成,不会突破刚玉晶体二次长大的温度界限[7,11,12]。

1 微晶刚玉瓷显微结构SEM电镜图3 改进成型和烧成工艺

 

目前,我国陶瓷微珠企业广泛采用的是滚动成球工艺:(矾土粉,熔剂,高岭土、瓷土)→分别称量后投料→滚动式球磨机湿磨→泥浆进入搅拌池→双缸泵→板框式压滤机脱水→泥饼烘干→干式球

磨机粉碎制粉→滚动成球→烘干→烧成。

该工艺虽有投资小、产量大、工艺简单的优势,但制出的瓷珠与整体均质成型(如熔融法、凝胶注模成型法)制出的产品相比,结构均匀度和致密性尚有差距,致使耐磨性不够高。主要原因是,滚动法成球,微球是一层水一层坯粉而层层滚大的,每个同心圆层的坯粉粒子堆积形成有孔隙,同心圆层与层之间有间隙,如干燥和烧成控制不好,则孔隙、间隙的“愈合”将不良而留下隐患,使用时就会从这些薄弱处损坏,先产生出凹坑,再逐步扩大而整层剥落。

对此,采取以下改进措施:①适当提高坯粉细度(二次粒度),如由原来的60目增加到120~200目(微珠越细,坯粉就要越细),并采用球磨机闭路磨工艺,以优化颗粒粒度分布和粒子形状,达成坯粉紧密堆积;②微珠种子应当天做好当天使用,以阻止层间间隙的形成;

③适当增加滚动成球的水分(半成品微珠不得变形),并用高压将水充分雾化(细化);④对滚动好的半成品微珠作特殊处理,促使微珠内坯粉颗粒与颗粒、层与层之间的结合。同时,在烧成中,适当延长保温时间,使瓷珠充分瓷化,反应完全;并尽可能快地冷却到800 ~900℃,以防晶粒长大和在微珠表面层形成残余压应力。

4 应用

在工业生产上,微珠主要用于瓷土、重钙以及煤系高岭土等的湿法深加工。以加工纸张填料用沙河瓷土为例,剥片机中微珠填量为60%~70%(体积%,下同);土浆浓度为55%~56%;加工方式和微珠的配比:三级串联加工,第一道剥片用Φ2.5~3mm的微珠,第二道用Φ2.0~2.5mm的微珠;

第三道用Φ1.5~1.8mm的。微珠的补加:当剥片机使用电流降低5A时,即往剥片机中填加2~3kg微珠即可。该工艺可将-2μm占40%的瓷土,加工至-2μm达90%的超细粉土浆。

后语

本文对提高瓷珠性能做了探索和总结,提出了一些行之有效的措施,希望藉此引发材料业、矿业等技术界、产业界的共同关注和积极投入,以更好地提升我国磨介行业的整体水平、实力,为我国非金属矿业的发展提供有效的支持。

主要参考文献

李锡春,任大伟,余洋,等. 高性能陶瓷微珠在非金属矿超细行业的应用及其发展前景[J].非金属矿,1999,127(1): 26~28

曹南萍.以铝矾土为原料开发耐磨瓷介[J].河北陶瓷,1999,27(1): 10~12

任向东,同继锋. 氧化铝研磨介质的磨耗分析[J].陶瓷,1991,89(1): 8~12

牟善彬,姬钢. 晶粒大小及孔结构对氧化铝陶瓷耐磨性的影响[J].现代技术陶瓷, 2001, 90(4): 42~44

关振铎,张中太,焦金生. 无机材料物理性能[M]. 北京: 清华大学出版社, 1992: 81~83

张立德. 超微粉的制备与应用技术[M]. 北京: 中国石化出版社, 2001: 273~276

金格瑞. 陶瓷导论[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1982: 451~4728  曹南萍. 降低高铝瓷烧成温度专用熔剂的研制[J].江苏陶瓷, 2005,38(1): 18~20

曹南萍,王仲年,南小英,等. 降低高铝瓷烧成温度的研究[J]. 硅酸盐通报, 2006, 25(4): 150~155

胡志强. 无机材料科学基础教程[M]. 北京: 化学工业出版社, 2004: 267~272

华南工学院,等.陶瓷工艺学[M]. 北京: 建筑工业出版社, 1980: 303收稿日期:2007-03-20

(上接第42页)用量为20%。

4 成胶剂用量对性能的影响

样号123456

成胶剂用量/015202530

膨胀容/(ml/1g)708895999999

胶质价/(ml/15g)500500500500500500

触变值05.025.266.104.002.48

黏度(S4R60)

/Pa·s

.91.82.63.03.13.2

作用,可获得高分散性和优异胶体性能的钠基土。添加20%成胶剂羟乙基纤维素以提高胶体稠度、优化胶体触变性,最终制得膨胀容99ml/g、胶质价

ml/15g、黏度3。0Pa·s、触变值6。10的高稠度天然膨润土无机凝胶产品。该生产工艺简单、安全,生产过程易于控制,无废水、废气排放,不会对环境造成污染,利于实现大规模生产。

参考文献

S Abend, G Lagaly. Sol gel transitions of sodium montmorillonite dispersions[J]. Applied Clay Science, 2000(16): 201~227

李静静,吕宪俊.膨润土制备无机凝胶的研究概况[J]. 有色矿冶, 2005(21): 19~21

栾文楼,等.膨润土的开发应用[M].北京: 地质出版社, 1998收稿日期:2007-02-06

结论

以膨润土滤饼为直接改性原料,添加5%的碳酸钠和10%的引发剂尿素,采取挤压混合、恒温加热烘干的方式,将钠化剂与引发剂有机结合、协同

 

 

河南华冠环保科技有限公司在山西境内有大量的煅烧铝矾土行业业绩,块状煅烧和粉状,细度有325、800、1000、1250目, 产量有50-500吨每天产能,可技术转让,可出售设备,产品。

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