氧化鋁是指氧化鋁水合物及其熱分解產(chǎn)物衍生的產(chǎn)品，氧化鋁產(chǎn)品大致可分為三類：1氧化鋁水合物，包括三水鋁石、拜耳石等；2過(guò)渡相氧化鋁，包括γ-Al₂O₃、η-Al₂O₃、θ-Al₂O₃、ρ-Al₂O₃等；3穩(wěn)定相氧化鋁，即α-Al₂O₃。前兩類氧化鋁經(jīng)高溫煅燒后均不可逆的轉(zhuǎn)變?yōu)榉�(wěn)定的α-Al₂O₃。^[1]

活性氧化鋁分冶金和非冶金行業(yè)用兩類。非冶金行業(yè)用活性氧化鋁主要指過(guò)渡相氧化鋁。它們具有比表面積較大，多孔隙結(jié)構(gòu)和孔徑分布的特點(diǎn)，主要在醫(yī)藥、化工、廢氣治理等領(lǐng)域作為吸附劑、催化劑、催化劑載體；而冶金行業(yè)耐火材料領(lǐng)域用活性氧化鋁通常為穩(wěn)定的α-Al₂O₃，它是將α-Al₂O₃集合體充分研磨至原晶尺寸，具有高表面能，燒結(jié)活性好、收縮率小，還能降低需水量，提高流動(dòng)性和坯體致密度^[2]。

1 煅燒氧化鋁的制備及選取

在生產(chǎn)氧化鋁的各種工藝流程中，都是先制得氫氧化鋁，再經(jīng)煅燒得到煅燒氧化鋁。氫氧化鋁是一種具有相當(dāng)反應(yīng)活性的兩性化合物，在200-250℃左右脫水分解轉(zhuǎn)變?yōu)橐凰�鋁石，其在500℃左右轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)水γ-Al₂O₃，850℃以上轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>α-Al₂O₃^[3]。隨著溫度進(jìn)一步升高，煅燒氧化鋁又轉(zhuǎn)變?yōu)闊�結(jié)剛玉乃至熔融氧化鋁（電熔剛玉），整個(gè)過(guò)程中晶體尺寸也在逐漸增大。

圖1是氫氧化鋁加熱過(guò)程中LOI和BET的變化曲線。本工作制備的活性氧化鋁主要選取1100-1400℃煅燒氧化鋁為原料。因煅燒條件如溫度、時(shí)間、氣氛、雜質(zhì)含量及有無(wú)礦化劑等都對(duì)活性氧化鋁的性能有影響，在生產(chǎn)煅燒氧化鋁時(shí)，除通過(guò)控制煅燒溫度、時(shí)間來(lái)控制晶型轉(zhuǎn)化、晶粒大小外，還需進(jìn)行脫鈉處理。氧化鈉的存在，不僅會(huì)影響向α相轉(zhuǎn)化速度和轉(zhuǎn)化率，還會(huì)造成α-Al₂O₃晶粒變粗、比表面積減小并降低耐火度，有損加用后耐火材料的綜合性能。表1為煅燒氧化鋁的化學(xué)成分和α相轉(zhuǎn)化率。圖2為煅燒氧化鋁的XRD分析，其α相轉(zhuǎn)化率≥95%。

 

圖1 氫氧化鋁的加熱過(guò)程中的LOI和BET變化

 

表1 煅燒氧化鋁的理化性能

名稱	化學(xué)成分/%			α-Al2O3轉(zhuǎn)化率/%
	SiO2	Fe2O3	Na2O
煅燒氧化鋁Ⅰ	0.02	0.025	0.10	95
煅燒氧化鋁Ⅱ	0.02	0.015	0.05	98

 

 

圖2 煅燒氧化鋁Ⅱ的XRD分析

 

2 活性氧化鋁的制備

冶金用活性氧化鋁的本質(zhì)是對(duì)α-Al₂O₃集合體（煅燒氧化鋁）充分研磨，破壞其聚集狀態(tài)而使其成為無(wú)孔隙的原晶，如圖3所示。之所以稱為活性氧化鋁，通常是指它們燒結(jié)時(shí)容易達(dá)到最高的燒結(jié)密度，但燒結(jié)溫度卻比低活性α- Al₂O₃粉體低100-200℃，同時(shí)也意味著在耐火材料基質(zhì)中易于和其他組分發(fā)生反應(yīng)和燒結(jié)，如與基質(zhì)中的粘土等高SiO₂物料形成莫來(lái)石結(jié)合，與鋁酸鈣水泥反應(yīng)形成CA₆，與氧化鎂反應(yīng)生成尖晶石，等等。

根據(jù)粒度分布（PSD）特點(diǎn)，一般可將活性氧化鋁分為具有單峰、雙峰和多峰粒度分布特征的產(chǎn)品。無(wú)論單峰還是多峰，通常PSD范圍越廣，粉料堆積密度或坯體密度越大；單峰及窄范圍PSD的粉料，其堆積密度雖稍低，但具有更高的活性和流動(dòng)性。圖4為煅燒氧化鋁充分研磨前后的SEM圖片。

 

圖3 氧化鋁粒子堆積示意圖

 

 

低放大倍率下呈現(xiàn)的團(tuán)聚               高放大倍率下呈現(xiàn)的原晶

圖4 煅燒氧化鋁研磨前后SEM圖

 

3 活性氧化鋁的改性

在長(zhǎng)時(shí)間干法研磨α-Al₂O₃團(tuán)聚體時(shí)，會(huì)出現(xiàn)超細(xì)氧化鋁的重新團(tuán)聚現(xiàn)象。這種氧化鋁用于陶瓷生產(chǎn)尚無(wú)問(wèn)題，與其他陶瓷粉料共同濕磨時(shí)加入助磨劑可將重新團(tuán)聚的α-Al₂O₃分散開來(lái)。但對(duì)耐火材料而言，一般的混合機(jī)很難在短時(shí)間（1-5分鐘）內(nèi)把它們分散開來(lái)。因此，我們有必要在活性氧化鋁的制備過(guò)程中進(jìn)行粉體表面改性。圖5為分散性得到改進(jìn)前后的SEM圖片。表面改性除了有促進(jìn)團(tuán)聚體的分散之外，還能提高某些其他性能，如微粉顆粒形態(tài)改性、抗撕裂性、濕潤(rùn)改性、粘附改性等。

 

 

圖5 改性前后氧化鋁分散性的比較

 

4 典型的活性氧化鋁產(chǎn)品

4.1單峰分布的活性氧化鋁（HA115）

HA115為具有單峰PSD的活性氧化鋁。其D₅₀約1.5-2.0μm，D₉₀約4.5-5.0μm。圖6為HA115的粒度分布圖，測(cè)試儀器為歐美克激光粒度儀POP-6，表2為HA115與標(biāo)桿產(chǎn)品的性能。

  HA115   標(biāo)桿產(chǎn)品

 

                                 

圖6 具有單峰分布特征活性氧化鋁的粒度分布

 

表2 具有單峰分布特征的活性氧化鋁性能

		單位	HA115		標(biāo)桿產(chǎn)品
化學(xué) 成分	Al2O3	%	99.6	99.6
	Na2O	%	0.08	0.10
	SiO2	%	0.03	0.03
	CaO	%	0.02	0.02
	Fe2O3	%	0.03	0.03
	Fe（磁性）	%	0.02	0.02
粒度/D50 Cilas		μm	1.7	1.8
粒度/D90 Cilas		μm	4.5	5.0
比表面積/BET		m2/g	3.0	2.5
粒度分布特征			單峰	單峰
白度			94.3	94.5

 

表3為HA115在氧化鋁基澆注料的應(yīng)用驗(yàn)證配方。

 

表3 加用單峰氧化鋁微粉的澆注料的驗(yàn)證配方

原料		HA115	標(biāo)桿產(chǎn)品
燒結(jié)氧化鋁	6-3mm	32	32
	3-1mm	16	16
	1-0mm	21	21
	0.2-0mm	13	13
	5um以下	9	9
氧化鋁微粉	HA115	4
	標(biāo)桿產(chǎn)品		4
CA水泥	Secar 71	5	5
W2減水劑	(外加)	0.3	0.3

 

表4為分別加用兩種氧化鋁微粉澆注料的性能對(duì)比。由表4可見，添加HA115微粉的澆注料具有更好的流動(dòng)值，加水量為4.12%時(shí)，跳桌法40次時(shí)流動(dòng)值為165mm，比參比的標(biāo)桿料提高了6. 5%。同時(shí)還呈現(xiàn)更好的高溫?zé)�后性能，�?/span>1550℃×3h燒后的常溫強(qiáng)度比參比的標(biāo)桿料有所提高。

 

 

表4 加用單峰氧化鋁微粉澆注料的性能對(duì)比

檢測(cè)項(xiàng)目	檢測(cè)條件	HA115	標(biāo)桿產(chǎn)品
加水量， %		4.12	4.12
流動(dòng)值， mm	跳桌法40次	165↑	155
耐壓強(qiáng)度，MPa	110℃×24h	91.43	95.3
	1000℃×3h	99.03↑	98.1
抗折強(qiáng)度，MPa	110℃×24h	14.63	14.26
	1000℃×3h	12.13	14.55
	1550℃×3h	41.52↑	41.40
加熱永久線變化率，%	1550℃×3h	0.40	0.45

 

4.2雙峰活性氧化鋁

HA203為具有雙峰分布特征的活性氧化鋁。圖7所示為HA203與標(biāo)桿產(chǎn)品的外觀對(duì)比圖，可見二者具有相似的白度和松散度。由于雙峰氧化鋁具有相對(duì)較寬的PSD，有利于材料致密度的提升，而且由于其擁有部分高活性氧化鋁顆粒，還有利于制品強(qiáng)度的提升。圖8為HA203與標(biāo)桿產(chǎn)品的粒度分布圖，D₅₀約2.5μm，D₉₀約5-6μm，較單峰的PSD略寬。表5為HA203與標(biāo)桿產(chǎn)品的理化性能對(duì)比。其中HA203-S為改進(jìn)型，該產(chǎn)品擁有更好的分散性和兼容適應(yīng)性，適合于各種減水劑、添加劑的體系使用。

 

HA203                        標(biāo)桿產(chǎn)品

 

圖7 具有雙峰分布特征的活性氧化鋁與同類品的外觀比較

 

 

HA203                              標(biāo)桿產(chǎn)品

 

圖8 具有雙峰分布特征的活性氧化鋁的粒度分布

 

表5 具有雙峰分布特征的活性氧化鋁的性能

項(xiàng)目		單位	HA203    HA203 S    標(biāo)桿產(chǎn)品
化學(xué) 成分	Al2O3	%	99.6	99.6	99.6
	Na2O	%	0.10	0.09	0.10
	SiO2	%	0.03	0.03	0.03
	CaO	%	0.02	0.02	0.02
	Fe2O3	%	0.03	0.03	0.03
	Fe（磁性）	%	0.02	0.02	0.02
粒度/D50 Cilas		μm	2.5	2.4	2.5
粒度/D90 Cilas		μm	5.0	5.0	5.3
比表面積（BET法）		m2/g	3.4	3.4	3.0
粒度分布特征			雙峰	雙峰	雙峰
白度			94.3	94.6	94.5

 

表6 雙峰氧化鋁澆注料驗(yàn)證配方

原料		HA203	HA203 S	標(biāo)桿產(chǎn)品
燒結(jié)氧化鋁	6-3mm	32	32	32
	3-1mm	16	16	16
	1-0mm	21	21	21
	0.2-0mm	13	13	13
	5um以下	9	9	9
氧化鋁	HA203	4
	HA203 S		4
	標(biāo)桿產(chǎn)品			4
CA水泥	Secar 71	5	5	5
W2減水劑	（外加）	0.3	0.3	0.3

表6為驗(yàn)證HA203應(yīng)用性能的澆注料配方。

如表7所示，HA203及其改進(jìn)品用在所試澆注料中具有與標(biāo)桿產(chǎn)品相當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)值，加水量為4.2%時(shí)，跳桌法40次時(shí)流動(dòng)值為130和135mm；其他各溫度燒后的耐壓抗折強(qiáng)度均相當(dāng)；而改性型HA203S用后的加水量與標(biāo)桿料相比，則下降了2.8%，1550℃×3h燒后的常溫抗折強(qiáng)度為38.64MPa，提高了6.7%。

 

表7 加用雙峰氧化鋁微粉澆注料的性能對(duì)比

檢測(cè)項(xiàng)目	檢測(cè)條件	HA203	HA203 S	標(biāo)桿產(chǎn)品
加水量，%		4.2	4.08↓	4.2
流動(dòng)值，mm	跳桌法40次	130	135	133
耐壓強(qiáng)度， MPa	110℃×24h	101.85	103.08	102.73
	1000℃×3h	101.47↑	99.73	99.56
抗折強(qiáng)度， MPa	110℃×24h	16.01	16.58	16.62
	1000℃×3h	14.87↑	14.33	14.38
	1550℃×3h	36.72↑	38.64↑	36.21
加熱永久線變化率	1550℃×3h	0.41	0.40	0.42

 

 

4.3多峰活性氧化鋁

圖9所示為兩種多峰氧化鋁微粉的粒度分布圖。與單峰、雙峰活性氧化鋁相比，多峰活性氧化鋁的PSD的范圍較廣，中位徑D₅₀只能表征其細(xì)度，而不表征其特性的參數(shù)。添加多峰氧化鋁的生坯密度通常可以達(dá)到理論密度的60-68%，高于單峰氧化鋁時(shí)的。多峰氧化鋁的大范圍PSD使得該微粉能夠填充到耐火制品骨料間隙和相對(duì)大粒徑粉體粒子間所形成的空隙中，在各相對(duì)大粒之間起潤(rùn)滑劑的作用，可最大程度地減少澆注料的松散堆積。多峰活性氧化鋁所能達(dá)到的燒結(jié)密度取決于其活性，采用高活性的多峰氧化鋁進(jìn)行壓制和燒成時(shí)，具有理想的效果。

 

 

HA320                                HA310

圖9 多峰氧化鋁的粒度分布

 

表8 多峰活性氧化鋁指標(biāo)

項(xiàng)目		單位	檢測(cè)值
			HA310	HA320	標(biāo)桿產(chǎn)品
化學(xué) 成分	Al2O3	%	99.5	99.5	99.6
	Na2O	%	0.15	0.15	0.10
	SiO2	%	0.03	0.03	0.03
	CaO	%	0.02	0.02	0.02
	Fe2O3	%	0.03	0.03	0.03
	Fe（磁性）	%	0.02	0.02	0.02
粒度/D50 Cilas		μm	1.8	2.5	1.8
粒度/D90 Cilas		μm	7.0	8.0	7.2
比表面積（BET法）		m2/g	4.0	3.7	4.1
粒度分布特征			多峰	多峰	多峰
白度			93.8	93.6	93.8

 

表8為多峰活性氧化鋁的性能，D₅₀分別為1.5-2.0μm和2.0-3.0μm，D₉₀分別為6.0-8.0μm和7.0-9.0μm，經(jīng)過(guò)級(jí)配優(yōu)化的多峰活性氧化鋁用在耐火材料基質(zhì)中，可以減少需要多級(jí)配微粉的種類，更方便耐材工作者進(jìn)行配方優(yōu)化。

 

5 微粉產(chǎn)品的系列化

為滿足諸多客戶不同耐火材料產(chǎn)品的不同使用要求，我們對(duì)0.5μm-20μm的微粉產(chǎn)品進(jìn)行了具有不同粒度分布的優(yōu)化組合，形成了多種粒度和不同分布的微粉系列產(chǎn)品，再配合特定的其他物料顆粒級(jí)配，可滿足不同使用要求的各種耐材制品用。圖10是系列化設(shè)計(jì)的微粉產(chǎn)品示意圖。

此外，我們還開發(fā)了燒結(jié)氧化鋁微粉（剛玉微粉）和活性尖晶石微粉，表9 為本公司系列化微粉產(chǎn)品的牌號(hào)和粒度范圍。

 

 

圖10 微粉產(chǎn)品系列化設(shè)計(jì)

 

表9 系列化微粉產(chǎn)品的牌號(hào)

 

產(chǎn)品名稱		粒度	分布特征
剛玉細(xì)粉/微粉	CM45	-45μm	單峰
	CM20	-20μm	單峰
	CM05	5μm	單峰
	CM03	3μm	單峰
氧化鋁微粉	HA105	0.5-1.0μm	單峰
	HA110	1.0-1.5μm	單峰
	HA115	1.5-2.0μm	單峰
	HA125	2.0-3.0μm	單峰
	HA201	1.0-1.5μm	雙峰
	HA203	2.0-3.0μm	雙峰
尖晶石細(xì)粉/微粉	SM920	-20μm	單峰
	HS902	2.0-3.0μm	三峰
	SM720	-20μm	單峰
	HS702	2.0-3.0μm	三峰