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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 第30卷第4期 非金屬礦 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 張建龍2 張如昕2 (1 江西省萍鄉(xiāng)市硅酸鹽研究所，萍鄉(xiāng) 337000； 2 河北省沙河市科龍研磨介質(zhì)廠，邢臺 054000) 摘 要 高耐磨陶瓷微珠是非金屬礦業(yè)的基礎(chǔ)材料。通過對微珠陶瓷制造工藝過程的技術(shù)實驗和大生產(chǎn)實踐的總結(jié)，結(jié)合理論分析， 本文對提高陶瓷微珠的耐磨性，提出了相應的措施，即優(yōu)化原料中鋁耐磨瓷的配方和加工工藝，開發(fā)微晶型高鋁耐磨瓷，改進成型和燒成工藝等。 關(guān)鍵詞 非金屬礦業(yè) 陶瓷微珠 耐磨性 制備 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 在礦物、粉體材料的深加工過程中，已越來越多地使用陶瓷微珠作為磨介，來粉碎、細磨原料。耐磨性成為礦物粉體加工企業(yè)，采購選用陶瓷微珠核心的、首選的控制指標。這是因為它直接關(guān)系到加工企業(yè)的生產(chǎn)成本和產(chǎn)品的質(zhì)量(粉體的純度、細度等)、產(chǎn)量。而從宏觀上看，微珠也是關(guān)系著我國非金屬礦工業(yè)健康發(fā)展的一個重要因素 [1]，因而有必要對提高微珠的耐磨性，作深入的理論研究和系統(tǒng)的實踐總結(jié)。 下面就我們在微珠性能改善上所采取的一些措施，介紹出來，旨在拋磚引玉。 1 優(yōu)化微珠原料中鋁耐磨瓷配方和加工工藝 Al2O3含量≤60%的中鋁瓷，因其生產(chǎn)工藝成熟、生產(chǎn)線投資小、產(chǎn)品性價比高，而成為當今礦產(chǎn)、粉體加工行業(yè)的主流用品，用量最大，用途甚廣。但耐磨性不高是其最大的“軟肋”，我們采取以下措施來提高其耐磨性。 1.1 改干法混合、細磨制備坯粉的工藝為濕法混磨工藝 科龍研磨介質(zhì)廠過去一直采用干法混磨各組分原料，再直接將球磨出來的粉滾動成球的工藝。該工藝存在兩大缺陷：①干法球磨原料效率很低，長時間球磨也難以達到250目的細度，且易出現(xiàn)球-粉、粉-粉粘連成團的現(xiàn)象；②各組分密度、細度不同的原料(如α-Al2O3、黏土、長石、含CaO、BaO、MgO的化合物等)無法在球磨機內(nèi)混勻，造成瓷體結(jié)構(gòu)不勻，每批次產(chǎn)品燒結(jié)生熟程度不一、產(chǎn)品性能差異性大等問題，致使微珠耐磨性差。后改為濕法混磨→泥漿脫水烘干→干法球磨打散、粉碎的工藝，一舉消除上述兩大缺陷，使制出的微珠耐磨性增強。 1.2 以煅燒鋁礬土替代煅燒氧化鋁 α-Al2O3主要用于提高中鋁耐磨瓷的耐磨性和密度。以含相同晶相組成的煅燒鋁礬土替代商品氧化鋁，不僅可節(jié)約資源、降低成本，還可提高瓷體的耐磨性[2]。 這是因為成品煅燒Al2O3粉的顆粒，都是由2~20μm的剛玉(α-Al2O3)晶粒堆砌而成的疏松團聚體，若不經(jīng)單獨球磨，而是與長石、黏土、瓷石及含CaO、BaO、MgO的化合物等混磨，即使磨很長時間，也無法完全打碎α-Al2O3粉的這種團聚結(jié)構(gòu)。這樣做出的瓷體，必定是由α-Al2O3的多孔性團聚物 莫來石 玻璃相 氣孔等晶相組成的結(jié)構(gòu)。顯然，作為耐磨主晶相的α-Al2O3，是一種多孔聚集體而不是完全分散開的、單一的剛玉晶粒(1~20μm)，其瓷體的耐磨性必然不佳。相反，采用充分煅燒轉(zhuǎn)化完全的鋁礬土，則結(jié)果就截然不同。煅燒完全的礬土，是一種由剛玉、莫來石、玻璃相和微量氣孔等組成的致密聚集體，經(jīng)雷蒙機粉碎至250目后，再與黏土、熔劑等在球磨機中混磨，很容易制得微米級的礬土粒子。這些單體粒子充分彌散在坯體中，燒結(jié)時又與熔劑良好互融，冷卻后即形成由剛玉、莫來石、玻璃相組成的均勻、致密結(jié)構(gòu)，使其耐磨性優(yōu)于以煅燒氧化鋁為原料生產(chǎn)的微珠。 礬土粒子制得：主要原料高嶺土、瓷土，20%~30%；熟礬土粉，40%~50%；熔劑(長石、滑石、白云石等)，20%~30%。生產(chǎn)工藝：生礬土→1500~1600℃煅燒→粗碎→雷蒙磨細碎→礬土粉。 再者，煅燒Al2O3的真密度為3.96~3.99g/㎝3，Al2O3含量≥99%；而熟礬土的真密度是3.4~3.7 g/cm3，Al2O3含量為80%~90%。若要使瓷珠達到相同的Al2O3組成或體積密度，則礬土粉要比α-Al2O3粉多配入一些(一般是α-Al2O3粉配入量的1.2~1.3倍)，由此帶來瓷體中耐磨晶相——剛玉和莫來石的增多，也使瓷件耐磨性增強。 處理好原料替代的關(guān)鍵是，礬土原料煅燒的完全性。若礬土煅燒不良，剛玉、莫來石形成不充分，燒結(jié)體不致密(吸水率大、密度低)，則以此原料制出的微珠耐磨性極差，這在科龍廠有過深刻教訓。另外，使用礬土制出的微珠，呈色不白、暗淡，賣相稍遜于α-Al2O3制出的產(chǎn)品。但此問題可通過加入少量礦物和化工原料來增白解決。 采取上述措施后，瓷珠耐磨性等有明顯提高。以磨超細章村土(伊利石瓷土)為例，用剝片機磨1t瓷石，球耗由原來的6kg下降為3kg；磨重鈣，則由原來的1.5kg/t，降為0.8kg/t。實驗中，微珠使用比例(%)：Φ-1mm，35~40；Φ1~2mm，25~30；Φ2~3mm，40左右。改進后的瓷珠產(chǎn)品占領(lǐng)了沙河市市場，并受到山西、山東等企業(yè)的青睞。 2 開發(fā)微晶型高鋁耐磨瓷 在某些對瓷珠要求較高(如更耐磨、體積密度≥3.5g/cm3)的場合，必須使用Al2O3含量90%~95%、主晶相為剛玉的瓷質(zhì)。此時若主晶相尺寸細小、組織結(jié)構(gòu)均勻致密，將使瓷珠具有更強的耐磨性[3~5]；其制造工藝，相對于一些使用相變增韌、第二相摻雜改性和引入納米粉等增強抗磨性的技術(shù)，有更好的便利性、經(jīng)濟性和有效性。而且，微晶材料也是無機材料發(fā)展的一個重要方向[5,7,10]。 在生產(chǎn)實踐中，要同時采取以下技術(shù)手段來制備微晶剛玉瓷。 2.1 使-Al2O3粉超細化 這是因為瓷體中晶粒的長大，與原料的起始粒度呈正比關(guān)系。原料中α-Al2O3粉的粒度大，則制出的瓷體的最終晶粒也大；同時原料的粒度越小，燒結(jié)溫度也越低；而瓷相中晶粒的長大，又隨燒成溫度呈指數(shù)函數(shù)遞增——燒成溫度小幅提高，晶粒長大速率急劇加大[6,7]。有鑒于此， ：首先要制備超細α-Al2O3原料。具體的工藝措施是①選用新型的活性α-Al2O3粉，此種商品Al2O3粉的原晶粒度多在2μm以下，且團聚性差，配用分散劑，短時間球磨即可打散磨細至微米級；②兩次投料兩次加水，即先低水分單獨濕磨α-Al2O3粉，再加入黏土、熔劑等，并二次補水后，再磨；③用Φ20mm 以下的小尺寸、大密度的球磨子作球磨機的磨介。這是針對原料均為粉狀物料而實施的強化研磨效率的有效舉措。 2.2 采用有效的晶粒生長抑制劑 通過在配料中引入少量的含MgO、La2O3、Y2O3等礦物或化合物，以產(chǎn)生“釘扎”等效應而阻滯晶粒生長，可確保晶粒細小，顯微結(jié)構(gòu)均勻、致密。大生產(chǎn)中，我們采用的是Mg(OH)2等作為晶粒生長抑制劑。2.3 使用高效助熔劑實施低溫燒成 對熔劑性原料作超細化、均質(zhì)化和煅燒、熔融的處理，可極大地增強其助熔能力，拓寬燒成溫度范圍，達成低溫燒成，滿足制備微晶瓷的根本條件[8,9]。原因是，熔融處理熔劑，使之變成均相體后，有更低的熔點(其原理類似于玻璃，玻璃配料需1350~1550℃才能熔勻，但由此制出的制品僅在1000℃以前即熔融完全，而二者的組成相同)，燒結(jié)時剛玉瓷坯料可在很低溫度下發(fā)生溶解——沉淀和流動傳質(zhì)[7,10]，而能夠?qū)崿F(xiàn)低溫燒結(jié)。由于熔劑經(jīng)煅燒、熔融處理，CaCO3、滑石中所含的CO2、H2O已排除殆盡，致使剛玉瓷坯料燒結(jié)范圍拓寬，資質(zhì)更為致密[8,9]。 通過實施以上技術(shù)措施，開發(fā)出晶粒尺寸達微米級的剛玉瓷(圖1)。圖中未見粗晶且晶體大小均勻，是因為1500℃以下的低溫燒成，不會突破剛玉晶體二次長大的溫度界限[7,11,12]。 圖1 微晶剛玉瓷顯微結(jié)構(gòu)SEM電鏡圖3 改進成型和燒成工藝
目前，我國陶瓷微珠企業(yè)廣泛采用的是滾動成球工藝：(礬土粉，熔劑，高嶺土、瓷土)→分別稱量后投料→滾動式球磨機濕磨→泥漿進入攪拌池→雙缸泵→板框式壓濾機脫水→泥餅烘干→干式球 磨機粉碎制粉→滾動成球→烘干→燒成。 該工藝雖有投資小、產(chǎn)量大、工藝簡單的優(yōu)勢，但制出的瓷珠與整體均質(zhì)成型(如熔融法、凝膠注模成型法)制出的產(chǎn)品相比，結(jié)構(gòu)均勻度和致密性尚有差距，致使耐磨性不夠高。主要原因是，滾動法成球，微球是一層水一層坯粉而層層滾大的，每個同心圓層的坯粉粒子堆積形成有孔隙，同心圓層與層之間有間隙，如干燥和燒成控制不好，則孔隙、間隙的“愈合”將不良而留下隱患，使用時就會從這些薄弱處損壞，先產(chǎn)生出凹坑，再逐步擴大而整層剝落。 對此，采取以下改進措施：①適當提高坯粉細度(二次粒度)，如由原來的60目增加到120~200目(微珠越細，坯粉就要越細)，并采用球磨機閉路磨工藝，以優(yōu)化顆粒粒度分布和粒子形狀，達成坯粉緊密堆積；②微珠種子應當天做好當天使用，以阻止層間間隙的形成； ③適當增加滾動成球的水分(半成品微珠不得變形)，并用高壓將水充分霧化(細化)；④對滾動好的半成品微珠作特殊處理，促使微珠內(nèi)坯粉顆粒與顆粒、層與層之間的結(jié)合。同時，在燒成中，適當延長保溫時間，使瓷珠充分瓷化，反應完全；并盡可能快地冷卻到800 ~900℃，以防晶粒長大和在微珠表面層形成殘余壓應力。 4 應用 在工業(yè)生產(chǎn)上，微珠主要用于瓷土、重鈣以及煤系高嶺土等的濕法深加工。以加工紙張?zhí)盍嫌蒙澈哟赏翞槔�，剝片機中微珠填量為60%~70%(體積%，下同)；土漿濃度為55%~56%；加工方式和微珠的配比：三級串聯(lián)加工，第一道剝片用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。微珠的補加：當剝片機使用電流降低5A時，即往剝片機中填加2~3kg微珠即可。該工藝可將-2μm占40%的瓷土，加工至-2μm達90%的超細粉土漿。 后語 本文對提高瓷珠性能做了探索和總結(jié)，提出了一些行之有效的措施，希望藉此引發(fā)材料業(yè)、礦業(yè)等技術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的共同關(guān)注和積極投入，以更好地提升我國磨介行業(yè)的整體水平、實力，為我國非金屬礦業(yè)的發(fā)展提供有效的支持。 主要參考文獻 李錫春,任大偉,余洋,等. 高性能陶瓷微珠在非金屬礦超細行業(yè)的應用及其發(fā)展前景[J].非金屬礦,1999,127(1): 26~28 曹南萍.以鋁礬土為原料開發(fā)耐磨瓷介[J].河北陶瓷,1999,27(1): 10~12 任向東,同繼鋒. 氧化鋁研磨介質(zhì)的磨耗分析[J].陶瓷,1991,89(1): 8~12 牟善彬,姬鋼. 晶粒大小及孔結(jié)構(gòu)對氧化鋁陶瓷耐磨性的影響[J].現(xiàn)代技術(shù)陶瓷, 2001, 90(4): 42~44 關(guān)振鐸,張中太,焦金生. 無機材料物理性能[M]. 北京: 清華大學出版社, 1992: 81~83 張立德. 超微粉的制備與應用技術(shù)[M]. 北京: 中國石化出版社, 2001: 273~276 金格瑞. 陶瓷導論[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 1982: 451~4728 曹南萍. 降低高鋁瓷燒成溫度專用熔劑的研制[J].江蘇陶瓷, 2005,38(1): 18~20 曹南萍,王仲年,南小英,等. 降低高鋁瓷燒成溫度的研究[J]. 硅酸鹽通報, 2006, 25(4): 150~155 胡志強. 無機材料科學基礎(chǔ)教程[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2004: 267~272 華南工學院,等.陶瓷工藝學[M]. 北京: 建筑工業(yè)出版社, 1980: 303收稿日期：2007-03-20 (上接第42頁)用量為20%。 表4 成膠劑用量對性能的影響 樣號123456 成膠劑用量/015202530 膨脹容/(ml/1g)708895999999 膠質(zhì)價/(ml/15g)500500500500500500 觸變值05.025.266.104.002.48 黏度(S4R60) /Pa·s .91.82.63.03.13.2 作用，可獲得高分散性和優(yōu)異膠體性能的鈉基土。添加20%成膠劑羥乙基纖維素以提高膠體稠度、優(yōu)化膠體觸變性，最終制得膨脹容99ml/g、膠質(zhì)價 ml/15g、黏度3.0Pa·s、觸變值6.10的高稠度天然膨潤土無機凝膠產(chǎn)品。該生產(chǎn)工藝簡單、安全，生產(chǎn)過程易于控制，無廢水、廢氣排放，不會對環(huán)境造成污染，利于實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。 參考文獻 S Abend, G Lagaly. Sol gel transitions of sodium montmorillonite dispersions[J]. Applied Clay Science, 2000(16): 201~227 李靜靜,呂憲俊.膨潤土制備無機凝膠的研究概況[J]. 有色礦冶, 2005(21): 19~21 欒文樓,等.膨潤土的開發(fā)應用[M].北京: 地質(zhì)出版社, 1998收稿日期：2007-02-06 結(jié)論 以膨潤土濾餅為直接改性原料，添加5%的碳酸鈉和10%的引發(fā)劑尿素，采取擠壓混合、恒溫加熱烘干的方式，將鈉化劑與引發(fā)劑有機結(jié)合、協(xié)同
河南華冠環(huán)�？萍加邢薰�在山西境內(nèi)有大量的煅燒鋁礬土行業(yè)業(yè)績，塊狀煅燒和粉狀，細度有325、800、1000、1250目， 產(chǎn)量有50-500噸每天產(chǎn)能，可技術(shù)轉(zhuǎn)讓，可出售設(shè)備，產(chǎn)品。 河南華冠環(huán)�？萍加邢薰�專業(yè)致力于資源再利用、高嶺土行業(yè)，生產(chǎn)的回轉(zhuǎn)窯運轉(zhuǎn)率可提高10%以上，產(chǎn)量提高5%～10%，能耗降低20%左右，產(chǎn)能達到50-500t/d，更加節(jié)能環(huán)保。如有需求，可直接咨詢18637113703(微信同號)，華冠環(huán)保科技公司為您竭誠服務，隨時歡迎前來參觀! 專業(yè)售后服務！
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