Ⅰ 合成莫来石的实验流程
为了研究杂质 ( 除 Al2O3和 SiO2外的其他氧化物) 含量对合成莫来石的物理性能和莫来石生成量的影响，我们采用了两个系列进行平行实验，其中一个系列对粉煤灰中的杂质不做任何处理，另一个系列采用 20% 的盐酸对粉煤灰样品中的杂质进行处理，主要是除去粉煤灰中的 CaO，因为粉煤灰中的 CaO 含量在几种杂质中最高，为 4. 22%。在莫来石化作用过程中，钙离子并不像铁、钛离子那样能够部分进入莫来石晶格中去。而且在烧结过程中，CaO 的线膨胀系数因子要比 MgO 大许多倍 ( 顾幸勇等，2001) ，从而引起烧制品的物理性能降低。
将除碳研磨后的粉煤灰 ( A 系列) 和除碳研磨后又经 20% 盐酸处理过的粉煤灰 ( B系列) ，分别按照原始 Al2O3含量 ( 分别记为 A50 和 B50) 和加入工业氧化铝后使配料中Al2O3含量分别达到 60% ( 分别记为 A60 和 B60) 和 70% ( 分别记为 A70 和 B70) 来进行实验。根据 3 因素 3 水平正交实验设计方案，每种配料须做 9 个实验，那么两大系列 3个不同 Al2O3含量的样品一共做了 54 个实验。采用的实验流程见图 5. 6。
图 5. 6 高铝粉煤灰烧结合成莫来石的实验流程
( 1) 除铁
粉煤灰中铁的氧化物有 Fe2O3和 Fe3O4两种 ( 一般用 Fe2O3表示) ，后者具有磁性，通常可以采用磁选机在 15000 ～20000 Gs( 磁通量密度) 下除铁，以减少铁的杂质含量。由于研究处于实验室环境，我们仅采用了长度为 10 cm 的半圆形磁铁使用手工方法除铁，除铁效果并不理想，粉煤灰中的氧化铁仅从 1. 95%降至 1. 84%。如果从工业化生产考虑，必须采用磁选机除铁，这是通用的做法。
( 2) 除碳
粉煤灰中存在未完全燃烧的煤粒或残炭，在合成莫来石实验之前必须进行清除，否则在后期加热过程中产生的 CO2会引起烧制品密度的降低，甚至降低莫来石的生成量。粉煤灰中碳的去除有两种方法: 一是利用密度差异进行浮选，浮选后的多孔炭可以用作废物的吸附剂，或制备成过滤材料; 另一种是将粉煤灰在一定温度下加热除碳，当粉煤灰中碳含量较低、没有太多提取价值时常用。除碳过程一般在 800℃ 下恒温 2 h 即可。这次研究我们采用了上海跃进医疗器械厂生产的 SX2-4-10 型箱式电阻炉对粉煤灰进行了 800℃下恒温 2 h 的除碳处理，效果比较理想，粉煤灰的烧失量 ( LOI) 从 2. 10% 降至 1. 02% 。
( 3) 细磨与混磨
细磨是合成莫来石过程中不可缺少的重要环节，因为烧结法合成莫来石主要是靠Al2O3和 SiO2之间的固相反应完成的。通过细磨可以提高原料的分散度，增加 Al2O3和SiO2的晶格缺陷，提高反应活性，以加速固相反应的进程和降低烧结温度。通常情况下，磨料越细，混合越充分，莫来石化反应越彻底，生成的莫来石数量越多，物理性能越好，但细磨的程度与磨矿设备和经济因素有关，一般保证小于 10 μm 的颗粒占到 80% 以上即可。
本次实验过程中采用了郑州东方机器制造厂生产的 ZJM-20 型周期式搅拌球磨机，以球∶灰∶水 =5∶1∶1 配比研磨 5 h，完全可以达到上述要求。考虑到粉煤灰中莫来石含量已经较高，所以采用的研磨介质为刚玉 ( Al2O3) 质小球，球体直径 2 ～ 3 mm。工业氧化铝采用了焦作万方铝业公司从澳大利亚的进口产品，Al2O3纯度在 99%以上，对工业氧化铝采用了同样的研磨条件。将研磨后的物料按照 60%、70% Al2O3含量进行配料，然后再混磨 1 h 使其达到充分混合。此过程也可以先将粉煤灰与工业氧化铝进行配料，然后再混磨。由于粉煤灰属于脊性料，所以我们在研磨过程中未加任何分散剂，当磨细料黏度增大时可添加少量水稀释以提高研磨效果。
( 4) 除钙
用盐酸处理粉煤灰可以除去粉煤灰中的部分杂质，如铁、钙、镁等，因为盐酸可以与粉煤灰中的活性 CaO ( 或 CaCO3、MgCO3等) 和 Fe2O3( 或赤铁矿、菱铁矿、褐铁矿等)反应生成可溶性盐，其反应式如下:
CaO ( 活性) + 2HCl = CaCl2+ H2O
CaCO3+ 2HCl = CaCl2+ CO2+ H2O
MgCO3+ 2HCl = CaCl2+ CO2+ H2O
Fe2O3+ 6HCl = 2 FeCl3+ 3H2O
FeCO3+ 2HCl = FeCl2+ CO2+ H2O
我们此次酸洗的目的主要是除钙，采用的盐酸浓度为 20%。一般来说，随着盐酸浓度的增加，除铁效果会越来越好，但当盐酸浓度增加到 20% 以后，盐酸浓度与除铁效果的关系不甚明显，其原因是 20. 2% 是盐酸与水的共蒸发点，盐酸在加热、酸浸过程中会迅速逸出，影响酸浸效果。酸浸时，如果提高温度能增加反应物活性，加快反应速度，有利于提高浸出效果。一般情况下，在 80 ～100℃时反应 3 h 就能获得良好的浸出效果，室温下长时间浸泡 ( 2 ～3 d) 也能达到类似的效果 ( 李凯琦等，2001) 。
对细磨后的粉煤灰，采用 20%的盐酸，按照固∶液 = 1∶3 在室温下将浆液放入塑料桶内静置 3 d，然后用自来水冲洗至 pH =7。实验过程中我们发现，静置 3 d 后倒出的清水呈现浅绿色 ( 主要是铁的浸出物) ，浆液呈现白色浑浊物难以沉淀 ( 主要是钙的浸出物) ，更换清水大约需要 2 ～3 d 一次，至 25 d 后每天更换一次清水，此时浸出物基本被清除干净，浆液 pH 值达到中性大约需要 30d 时间。由于是静水冲洗而非流动水洗，所以消耗了大量时间。颗粒物细度的增加也延缓了沉淀的过程。这一步骤在实际生产过程中一般采用压滤法完成。将清洗后的物料放入由上海博迅实业有限公司医疗设备厂生产的 DHG-9000A 型电热恒温鼓风干燥箱中，于 105℃ 下干燥 2 h，然后自然冷却至室温，以备物料压制成型使用。
( 5) 成型
考虑到烧结后试样属脆性材料，并要进行单轴抗压强度实验，所以将物料按照 1 < 长径比 <2 成型。为满足试样成型要求，我们专门加工了上端内径为 19 mm，下端内径为19. 5 mm ( 便于取出成型后的试样) ，长度为 600 mm 的钢制模具，并且加工了外径为50 mm的底座。试样采用 WE-30B 型液压式万能实验机单轴加压成型，压力分别选择 100、150 和 200 MPa 3 个水平。因为粉煤灰属于脊性料，成型时采用半干法 ( 含 5% 水分) ，所以在取样时由于试样与模具内壁之间的摩擦力，很容易使试样产生脆皮脱落和脆性断裂现象。为避免上述现象的发生，一方面抛光模具内壁，另一方面在物料中加入了 2% 的糊晶( 淀粉) 作为结合剂，成型效果相当理想。为了考察样品烧结后的收缩率，用游标卡尺对成型样品直径和高度进行逐个测量，并做好记录。
( 6) 烧结
将成型后的试样首先放入 DHG-9000A 型电热恒温鼓风干燥箱中，于105℃下干燥2 h。将干燥后的试样放入湖南湘潭中山仪器厂生产的 SX6-12-16 型全纤维快速升温电阻炉中，在 1000℃以前按照 10℃ /min 的速率升温，1000℃以后以 5℃ /min 的速率升温，分别加热至 1300、1400、1500℃下，然后在不同温度下分别恒温 2、3、4 h。在实验室条件下自然冷却至室温后取出。此次实验过程中每完成一批试样大约需要24 h，因为电阻炉在封闭状态下自然冷却通常需要花费很长时间。烧结过程中的升温速率必须引起注意，这是因为在低温时电阻炉升温较快，至高温时升温速度变慢，所以要不断调节电阻炉电流以确保合成莫来石的实验温度。经自然冷却后的样品，同样采用游标卡尺法对其直径和高度进行逐个测量，并做好记录。
至此，利用粉煤灰烧结合成莫来石的实验过程基本完成，然后就要对烧结试样的物理、力学性能和莫来石含量进行测定。