摘 要
蠟石是一種天然的礦物，習(xí)慣上也稱葉蠟石，從礦物組成和化學(xué)成分來分類，共分成4種類型。本文對(duì)4種類型的葉蠟石礦物的礦物組成、化學(xué)成分、加熱變化等耐火材料特性分別進(jìn)行了描述。結(jié)合國(guó)內(nèi)葉蠟石礦的現(xiàn)狀，提出了鋼鐵行業(yè)耐火材料用葉蠟石的粒度規(guī)格和化學(xué)成分分級(jí)建議，對(duì)葉蠟石在鋼鐵行業(yè)的穩(wěn)定使用有著建設(shè)性的意義。
關(guān)鍵詞：葉蠟石 鋼鐵 耐火材料 炮泥 蠟石磚
1 、葉蠟石概況
蠟石是一種天然的礦物，其主要組成礦物為葉蠟石(Pyrophyllite)，一般以致密塊狀產(chǎn)出，具有油脂或蠟狀光澤，觸摸有滑膩感，故得名蠟石，習(xí)慣上也稱作葉蠟石。世界上五大洲均有蠟石礦產(chǎn)出，但規(guī)模大、有價(jià)值的礦床則集中分布于環(huán)太平洋的中國(guó)、日本、韓國(guó)、美國(guó)、澳大利亞等國(guó)。中國(guó)已探明的蠟石礦主要分布在福建、浙江兩省，約占全國(guó)總數(shù)的75%。
葉蠟石的外觀顏色隨伴生礦物的不同而變化，有白色、灰白、淺綠、黃褐、黑色等，較純的葉蠟石礦石呈白色，莫氏硬度1.0~2.5，比重2.66~2.99g/cm3，耐火度1610~1710℃，水鋁石質(zhì)蠟石耐火度高達(dá)1730~1770℃，線膨脹系數(shù)平均為6×10-6/℃。
2 、葉蠟石的分類
葉蠟石是蠟石礦中的最主要礦物，其化學(xué)式為：Al2 [Si4O10](OH)2，或可寫成Al2O3·4SiO2·H2O，理論化學(xué)成分：Al2O3含量28.3%，SiO2含量66.7%，H2O含量5.0%。
自然界中單獨(dú)以純?nèi)~蠟石礦物形態(tài)存在的蠟石礦非常少見，一般會(huì)同時(shí)伴生好幾種礦物，除了葉蠟石以外，其他的伴生礦物主要有：水鋁石、高嶺石族礦物(高嶺石、迪開石等)、絹云母、石英類物質(zhì)(石英、玉髓等)。
組成蠟石的礦物成分相當(dāng)繁多，其礦物組成差別也很大，一般按其礦物組成再結(jié)合化學(xué)成分而進(jìn)行分類，分為硅質(zhì)蠟石、葉蠟石質(zhì)蠟石、高嶺石質(zhì)蠟石、水鋁石質(zhì)蠟石等4種，如表1所示。
表1 葉蠟石的分類
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硅質(zhì)蠟石 |
葉蠟石質(zhì)蠟石 |
高嶺石質(zhì)蠟石 |
水鋁石質(zhì)蠟石 |
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主要礦物 |
葉蠟石約80% |
葉蠟石≥90% |
高嶺石約70% |
葉蠟石約70% |
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次要礦物 |
石英類約20% |
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葉蠟石約20% 絹云母約10% |
水鋁石約30% |
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Al2O3含量 |
低→高 |
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SiO2含量 |
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硅質(zhì)蠟石中主要礦物為葉蠟石，次要礦物有石英、玉髓等，雜質(zhì)礦物主要有褐鐵礦等。此類蠟石在葉蠟石礦中占比最大，廣泛應(yīng)用于陶瓷、填料、玻璃纖維及耐火材料等。
葉蠟石質(zhì)蠟石主要礦物為葉蠟石，含量在90%以上，其他為玉髓、褐鐵礦、水鋁石等。此類蠟石是品味最好的蠟石，廣泛應(yīng)用于雕刻、陶瓷、填料、玻璃纖維及耐火材料等。
高嶺石質(zhì)蠟石主要礦物為高嶺石，次要礦物為葉蠟石和絹云母，雜質(zhì)礦物有褐鐵礦、金紅石等，可以用于制造陶瓷、玻璃纖維、耐火材料等。
水鋁石質(zhì)葉蠟石主要礦物為葉蠟石，次要礦物為水鋁石，含微量褐鐵礦、金紅石等，可以用于制造耐火材料、玻璃坩堝。
表中可見四種蠟石化學(xué)成分的變化，Al2O3含量從左到右逐漸提升，SiO2含量從左到右逐漸降低。
3 、葉蠟石的耐火材料特性
3.1 化學(xué)成分
蠟石礦中除了葉蠟石以外，還伴生有石英、玉髓、高嶺石、絹云母、水鋁石等礦物，所以，除了葉蠟石型蠟石的化學(xué)組成接近理論組成外，其余類型的蠟石，化學(xué)組成與理論組成相差較大。
蠟石的一般化學(xué)成分為：Al2O3：15~40%，SiO2：55~85%，LOI：3~10%，F(xiàn)e2O3、TiO2、R2O、CaO、MgO等雜質(zhì)含量一般較低。LOI隨SiO2含量的增加或Al2O3含量的減少而下降。雜質(zhì)含量主要受伴生礦物的影響，與Al2O3、SiO2之間基本沒有規(guī)律性。Fe2O3和R2O是蠟石礦物中最常見的有害雜質(zhì)，其含量高的話會(huì)明顯降低蠟石礦物的耐火度，而且還會(huì)影響到產(chǎn)品的抗侵蝕性能。
3.2 加熱變化
3.2.1、機(jī)械強(qiáng)度與硬度變化
葉蠟石在加熱過程中耐壓強(qiáng)度、硬度隨著溫度升高而升高，如表2和表3所列，其原因是隨著溫度升高，葉蠟石脫水過程中物相和結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。
表2 葉蠟石加熱過程中的耐壓強(qiáng)度變化
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加熱溫度/℃ |
100 |
300 |
500 |
600 |
700 |
800 |
900 |
1000 |
1100 |
1350 |
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耐壓強(qiáng)度/MPa |
65.21 |
54.92 |
41.44 |
75.51 |
82.38 |
90.22 |
96.69 |
82.38 |
75.51 |
>82.38 |
表3 葉蠟石加熱過程中的硬度變化
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加熱溫度/℃ |
常溫 |
600-800 |
900 |
1000 |
1100 |
1200 |
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莫氏硬度 |
1~2 |
略增 |
4 |
6 |
7 |
8 |
3.2.2、加熱脫水
葉蠟石在600℃左右開始脫水逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊撍~蠟石，至900℃脫水基本完成，至1200℃左右，脫水葉蠟石開始轉(zhuǎn)變?yōu)槟獊硎头绞ⅲ浞磻?yīng)式如圖1所示：
圖1 葉蠟石脫水反應(yīng)式
在1200～1350℃，隨著莫來石、方石英含量增加，總體呈現(xiàn)出膨脹，在此溫度段，礦物中的石英也逐步轉(zhuǎn)化為方石英，體積明顯產(chǎn)生膨脹。從室溫開始的整個(gè)升溫過程中，總的膨脹范圍在1.2~2.1%之間。
由于葉蠟石含結(jié)構(gòu)水很少(僅5.0%左右)，在加熱過程中因脫水產(chǎn)生的體積收縮小，脫水過程比較緩慢，脫水過程也較長(zhǎng)，從600℃延續(xù)到900℃左右，加熱脫水后至1200℃之前仍保持原來晶體結(jié)構(gòu)，不發(fā)生新的結(jié)晶作用與結(jié)合，晶體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定?；谝陨闲再|(zhì)，蠟石作為耐火材料，可以不用煅燒，而是直接使用生料。
4 、鋼鐵行業(yè)耐火材料應(yīng)用
4.1 葉蠟石現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)
葉蠟石相關(guān)的現(xiàn)有最新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是冶金標(biāo)準(zhǔn)YB/T 4701-2018《耐火材料用葉蠟石》。其規(guī)定了耐火材料用葉蠟石的術(shù)語和定義、牌號(hào)、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、包裝、標(biāo)志、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和質(zhì)量證明書。
現(xiàn)行冶金標(biāo)準(zhǔn)YB/T 4701-2018《耐火材料用葉蠟石》中，將葉蠟石分為L(zhǎng)S72、LS78、LS82幾個(gè)牌號(hào)，如表5所示。
然而，現(xiàn)行冶金標(biāo)準(zhǔn)YB/T 4701-2018《耐火材料用葉蠟石》這幾種牌號(hào)并不能真正反映葉蠟石的實(shí)際情況，其化學(xué)成分與實(shí)際情況出入較大。
表4 冶金標(biāo)準(zhǔn)YB/T 4701-2018《耐火材料用葉蠟石》理化指標(biāo)
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項(xiàng)目 |
指標(biāo) |
||
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LS-72 |
LS-78 |
LS-83 |
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w(SiO2)/% |
≥72 |
≥78 |
≥83 |
|
w(Al2O3)/% |
≤21 |
≤18 |
≤13 |
|
w(Fe2O3)/% |
≤1.0 |
≤0.6 |
≤0.6 |
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w(Na2O+K2O)/% |
≤0.8 |
≤0.6 |
≤0.4 |
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體積密度/(g/cm3) |
≥2.55 |
≥2.60 |
≥2.60 |
|
耐火度/CN |
≥162 |
≥164 |
≥164 |
4.2 葉蠟石在鋼鐵行業(yè)耐火材料中的常規(guī)應(yīng)用
葉蠟石型蠟石和硅質(zhì)蠟石這兩類蠟石，具有低鋁高硅的特性，可以用來生產(chǎn)耐堿磚，也可以生產(chǎn)鋼包內(nèi)襯材料，即蠟石磚。這一是利用葉蠟石受熱后具有不太大的膨脹性，有利于提高砌筑體的整體性，降低熔渣對(duì)磚縫的侵蝕作用；二是熔渣與磚面接觸后，能形成約1~2mm的有黏度的硅酸鹽熔融物，阻礙了熔渣向磚內(nèi)的滲透，從而提高了制品的抗熔渣侵蝕能力。
葉蠟石型蠟石和硅質(zhì)蠟石這兩類蠟石，在耐火材料中還有一個(gè)非常重要的應(yīng)用，是作為高爐炮泥的重要原料。作為炮泥原料的葉蠟石，其應(yīng)用的粒度范圍比較寬，包括粗顆粒、細(xì)顆粒、細(xì)粉、微粉等，幾乎覆蓋了炮泥原料的全部粒度范圍。在炮泥原料中，葉蠟石可以有效代替棕剛玉、礬土、焦寶石、藍(lán)晶石、絹云母、粘土等常用原料，代替后可以保持同等的炮泥品質(zhì)。
葉蠟石在作為蠟石磚原料和炮泥原料使用時(shí)，無需經(jīng)過煅燒，可以直接使用生料，有效減少了煅燒過程中不可避免的溫室氣體排放，對(duì)環(huán)境有益。同時(shí)，葉蠟石的價(jià)格低廉，性價(jià)比極高，明顯的降低了制品的綜合成本。
4.3 葉蠟石常用粒度規(guī)格
作為耐火材料原料的葉蠟石，粒度規(guī)格有5~3mm、3~1mm、1~0mm、200目、325目、微粉等幾種。最常用的有3種，分別是3~1mm粗粒、1~0mm細(xì)粒和200目細(xì)粉。其中用量最大的3~1mm粗粒，占比70%以上，1~0mm細(xì)粒和200目細(xì)粉占比20~25%。葉蠟石3種常用粒度規(guī)格的控制范圍見下表：
表5 葉蠟石3種常用粒度規(guī)格的控制范圍
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粒度規(guī)格 |
3~1mm粗粒 |
1~0mm細(xì)粒 |
200目細(xì)粉 |
|||
|
控制范圍 |
>3mm |
≤5% |
>1mm |
≤5% |
≤0.074mm |
≥90% |
|
3~2mm |
45~60% |
1~0.5mm |
45~60% |
≤0.044mm |
≥50% |
|
|
3~1mm |
≥90% |
1~0mm |
≥90% |
|
|
|
由于葉蠟石的使用特性，3~1mm粗粒的需求量最大，在生產(chǎn)過程中3~1mm粗粒是主產(chǎn)品，粒度相對(duì)較容易控制在范圍內(nèi)；細(xì)粉是在專門的磨粉機(jī)器內(nèi)加工，完全可以按細(xì)粉粒度的需要來控制相應(yīng)的粒度。而處于中間段的1~0mm細(xì)粒，是加工3~1mm粗粒的副產(chǎn)品，隨著礦石來源地不同、品位不同、水分波動(dòng)、空氣濕度影響以及生產(chǎn)設(shè)備自身等原因，1~0mm細(xì)粒的粒度經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)細(xì)粒過少、細(xì)粉偏多的情況，市面上的1~0mm細(xì)粒大部分都存在此情況，導(dǎo)致炮泥加油量波動(dòng)較大，無法正常控制，進(jìn)而影響炮泥使用品質(zhì)。所以，控制1~0mm細(xì)粒的粒度在正常粒度范圍內(nèi)是其決定能否正常使用的關(guān)鍵所在。
4.4 葉蠟石化學(xué)成分
葉蠟石理論化學(xué)成分：Al2O3含量28.3%，SiO2含量66.7%，H2O：5.0%。
耐火材料常用的蠟石的化學(xué)成分范圍為：Al2O3含量12~25%，SiO2含量70~85%，LOI范圍3~5%，F(xiàn)e2O3≤1%， K2O≤1%， Na2O≤1%，TiO2、CaO、MgO等雜質(zhì)不計(jì)。
葉蠟石化學(xué)成分中Fe2O3、K2O、Na2O等雜質(zhì)的含量，主要與伴生的礦物組成有關(guān)，與Al2O3含量和SiO2含量并無關(guān)系。因此，不宜以Al2O3含量和SiO2含量的變化來相應(yīng)制定Fe2O3、K2O、Na2O等雜質(zhì)的含量范圍，而是把Fe2O3、K2O、Na2O當(dāng)作單獨(dú)的指標(biāo)來制訂。
對(duì)于耐火材料常用的葉蠟石型蠟石和硅質(zhì)蠟石，首先，Al2O3含量和SiO2含量是一對(duì)重要的指標(biāo)，一般的情況是：Al2O3含量更高的蠟石品質(zhì)更優(yōu)，其相應(yīng)的SiO2含量低。
Fe2O3、K2O、Na2O是相對(duì)獨(dú)立的指標(biāo)，在耐火原料使用習(xí)慣上常把K2O+Na2O作為一個(gè)整體來評(píng)價(jià)。葉蠟石與高嶺土、云母類礦物類似，經(jīng)常伴生有含水氧化鐵、褐鐵礦、云母、長(zhǎng)石類等礦物，因而，Fe2O3、K2O、Na2O的范圍很寬。常用的控制指標(biāo)是：Fe2O3含量≤1%、K2O含量≤1%、Na2O含量≤0.5%。
4.5 葉蠟石建議分級(jí)方法
基于以上分析的葉蠟石化學(xué)成分的情況，我們提出葉蠟石提議分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如表6所示。以葉蠟石的Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O這四種成分為基礎(chǔ)，逐個(gè)對(duì)這四種成分單獨(dú)確定其對(duì)應(yīng)的等級(jí)，如表7實(shí)施例1，其四種化學(xué)成分對(duì)應(yīng)的等級(jí)分別為B、A、B、A；表7實(shí)施例2中，其四種化學(xué)成分對(duì)應(yīng)的等級(jí)分別為B、B、C、B。表7實(shí)施例3中，其四種化學(xué)成分對(duì)應(yīng)的等級(jí)分別為B、D、B、A。
表 6 葉蠟石建議分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
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等級(jí) |
Al2O3 |
Fe2O3 |
K2O |
Na2O |
|
三級(jí)C |
≥12% |
≤1.50% |
≤1.50% |
≤0.75% |
|
二級(jí)B |
≥15% |
≤1.00% |
≤1.00% |
≤0.50% |
|
一級(jí)A |
≥18% |
≤0.60% |
≤0.60% |
≤0.30% |
|
特級(jí)AA |
≥21% |
≤0.30% |
≤0.30% |
≤0.15% |
總評(píng)時(shí)，在每種原料對(duì)應(yīng)的四個(gè)等級(jí)中，去除最低的一個(gè)等級(jí)檔次，以比最低檔高一檔的評(píng)級(jí)及對(duì)應(yīng)數(shù)量作為總評(píng)結(jié)果。實(shí)施例1中，去除2個(gè)B級(jí)，總評(píng)為2A級(jí)；實(shí)施例2中，去除1個(gè)C級(jí)，總評(píng)為3B級(jí)。實(shí)施例3中，最低級(jí)為D級(jí)，總評(píng)為C級(jí)。
表 7 葉蠟石建議分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施例
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等級(jí) |
Al2O3 |
Fe2O3 |
K2O |
Na2O |
|
成分例1 |
17.55% |
0.45% |
0.65% |
0.18% |
|
對(duì)應(yīng)等級(jí) |
B |
A |
B |
A |
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總評(píng) |
2A級(jí) |
|||
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成分例2 |
15.42% |
0.95% |
1.22% |
0.38% |
|
對(duì)應(yīng)等級(jí) |
B |
B |
C |
B |
|
總評(píng) |
3B級(jí) |
|||
|
成分例3 |
15.86% |
1.55% |
0.72% |
0.28% |
|
對(duì)應(yīng)等級(jí) |
B |
D |
B |
A |
|
總評(píng) |
C級(jí) |
|||
葉蠟石作為中型以上高爐（內(nèi)容積2000m3以上）炮泥或蠟石磚應(yīng)用時(shí)，建議選用等級(jí)為A級(jí)或以上的產(chǎn)品，即Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O這4個(gè)指標(biāo)中，至少有1項(xiàng)為A級(jí)或AA級(jí)，另外的幾項(xiàng)全部為B級(jí)。在特大型高爐（內(nèi)容積4000m3以上）炮泥應(yīng)用時(shí)，建議選用AA級(jí)產(chǎn)品，即Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O這4個(gè)指標(biāo)中，至少有1項(xiàng)AA級(jí)，另外的幾項(xiàng)全部為A級(jí)。
葉蠟石作為小型高爐炮泥應(yīng)用時(shí)，建議選用等級(jí)為B級(jí)以上的產(chǎn)品，即Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O這4個(gè)指標(biāo)中，至少有1項(xiàng)為B級(jí)或B級(jí)以上，另外的幾項(xiàng)全部為C級(jí)。
關(guān)于浙江眾磊
浙江眾磊新材料科技有限公司在紹興千峰陶瓷耐火材料有限公司的基礎(chǔ)上，新建了年產(chǎn)葉蠟石相關(guān)新型材料10萬噸生產(chǎn)線。
生產(chǎn)的葉蠟石產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于耐火材料、玻璃、陶瓷、等行業(yè)。葉蠟石產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)在國(guó)內(nèi)外處于領(lǐng)先水平，主要客戶已覆蓋國(guó)內(nèi)知名耐火材料公司，國(guó)外客戶覆蓋日本、韓國(guó)、印度、德國(guó)、俄羅斯等國(guó)家和地區(qū)，取得了良好的使用業(yè)績(jī)。
公司長(zhǎng)期與寶鋼技術(shù)中心、武漢科技大學(xué)、北京科技大學(xué)、華東理工大學(xué)等科研院所保持密切的技術(shù)合作關(guān)系。
葉蠟石產(chǎn)品及應(yīng)用咨詢：夏欣鵬13501686600
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