氧化鋁儲量大,一直作為耐火原料被廣泛使用。其中高純度致密質(zhì)剛玉(α-Al?O?)熔點(diǎn)高達(dá)2050℃,隨著溫度變化穩(wěn)定性好,抗渣侵蝕性好,一般都作為耐火原料使用。

作為耐火材料原料使用的氧化鋁分為燒結(jié)氧化鋁和電熔氧化鋁。燒結(jié)氧化鋁是將成型的原料通過各種窯于1900℃左右的溫度燒成的,而電熔氧化鋁是將電爐熔融的原料以適當(dāng)?shù)睦鋮s速度結(jié)晶而成的。燒結(jié)氧化鋁和電熔氧化鋁生產(chǎn)方法不同,所以表現(xiàn)出不同的特性。本文研究了氧化鋁原料的這種不同特性對澆注料性能的影響。

關(guān)于鋁鎂澆注料的抗剝落性,實驗室試驗結(jié)果和實際使用的損毀結(jié)果,已經(jīng)證實是不一致的,近年來在更加接近實際使用條件下進(jìn)行了抗剝落性試驗。本文在加以固定并有渣侵蝕環(huán)境下進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)侵蝕剝落試驗,并與普通電爐全面加熱所做的剝落試驗進(jìn)行了比較。

2.1氧化鋁骨料的原料性能

表1列出了氧化鋁骨料的化學(xué)成分和物理性能。圖1示出了氧化鋁原料的SEM圖像。用于測量物理性能和拍攝SEM圖像的試樣粒度為5~3mm。

表1 氧化鋁原料的化學(xué)成分和物理性能

燒結(jié)氧化鋁的一次顆粒是幾十微米左右,而電熔氧化鋁是幾百微米到幾毫米的大顆粒。化學(xué)成分和體積密度基本一樣,但是電熔氧化鋁的顯氣孔率高。

圖1  氧化鋁原料的SEM圖像

2.2 物理性能的評價方法

使用X射線分析裝置定量分析了化學(xué)成分。骨料以及澆注料的體積密度和氣孔率根據(jù)JISR2205進(jìn)行了測定。強(qiáng)度和殘余線變化率分別根據(jù)JISR2553和JISR2554進(jìn)行了測定。

2.3 澆注料的制備方法

表2列出了鋁鎂質(zhì)澆注料的配料組成。加水使流動值達(dá)到200mm,用萬能混煉機(jī)進(jìn)行混煉,澆注后于室溫養(yǎng)生20h以上,確認(rèn)已經(jīng)硬化后脫模。在110℃干燥后于電爐中以1200℃和1500℃燒成3h。

2.4 抗剝落試驗

進(jìn)行空冷試驗來評價抗熱剝落性。采用干燥后的試樣在升溫到1500℃的電爐中加熱15min,然后空冷15min,反復(fù)進(jìn)行5次。拍攝剝落試驗前后的試樣外觀照片,使用圖像處理軟件對龜裂情況進(jìn)行了定量評價。另外測量了剝落試驗后的試樣的耐壓強(qiáng)度,求出與1500℃燒成試樣的耐壓強(qiáng)度的差,以此計算出殘余強(qiáng)度。

2.5 旋轉(zhuǎn)侵蝕剝落試驗

為了在更加接近實際工業(yè)爐的條件下來評價抗熱剝落性和耐蝕性,進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)侵蝕剝落試驗。試樣采用表2列出的鋁鎂質(zhì)澆注料和表3列出的高鋁質(zhì)澆注料。

表2  Al?O?-MgO質(zhì)澆注料的配料組成

表3  高鋁質(zhì)澆注料的組成

從骨料到微粉都使用燒結(jié)氧化鋁的配料命名為HA-S,使用電熔氧化鋁的配料命名為HA-F。試驗條件如下:侵蝕劑鋼∶渣(C/S=3)比例采用的是6∶4,大約升溫到1650℃后投放進(jìn)侵蝕劑,保持30min之后排渣,吹入20min空氣,冷卻到大約700℃。之后用10min升溫到1650℃,投放侵蝕劑。此為一個周期。鋁鎂質(zhì)澆注料進(jìn)行12次,高鋁質(zhì)澆注料反復(fù)進(jìn)行8次。從試樣的末端開始每隔20mm為一個點(diǎn),共測量5點(diǎn)位置的試樣試驗后的熔損量和滲透層的厚度。另外測量物理性能并觀察斷面情況,進(jìn)行了評價。

3.1 澆注料的性能

制備的澆注料的物理性能示于圖2。不管燒成溫度是多少,與燒結(jié)氧化鋁相比,電熔氧化鋁的密度大,氣孔率低。另外,燒成后的殘余線變化率示于圖3。在1200℃殘余線變化率幾乎相等,但是在1500℃燒結(jié)氧化鋁的膨脹率大。關(guān)于這個問題一般認(rèn)為是受到了尖晶石化反應(yīng)的膨脹影響。

圖2 澆注料的體積密度和顯氣孔率

圖3 澆注料的殘余線變化率

配料中添加的輕燒氧化鋁,其活性比燒結(jié)氧化鋁和電熔氧化鋁高,所以先與氧化鎂反應(yīng)生成尖晶石。另外,與電熔氧化鋁相比,燒結(jié)氧化鋁的一次結(jié)晶直徑小,所以更加容易與氧化鎂發(fā)生反應(yīng)。因此一般認(rèn)為:在1200℃溫度下添加數(shù)量同等的輕燒氧化鋁與氧化鎂反應(yīng)生成尖晶石,其膨脹量基本沒有差距,但是在1500℃溫度下燒結(jié)氧化鋁和電熔氧化鋁的微粉分別與氧化鎂反應(yīng)生成尖晶石,更容易反應(yīng)的燒結(jié)氧化鋁的膨脹量大。

圖4示出了抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度。隨著燒成溫度的升高,強(qiáng)度都增加。另外在任何燒成溫度下燒結(jié)氧化鋁的強(qiáng)度都比電熔氧化鋁的低。特別是在1500℃溫度下耐壓強(qiáng)度相差很大。由于生成尖晶石導(dǎo)致燒結(jié)氧化鋁的氣孔率明顯增大，并伴隨強(qiáng)度下降。

圖4 澆注料的抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度

3.2 剝落試驗

圖5示出了剝落試驗前后試樣的外觀照片。5次剝落試驗后所有試樣都沒有達(dá)到剝落的程度。但是肉眼可見的龜裂,燒結(jié)氧化鋁有2個,電熔氧化鋁有1個。一般認(rèn)為龜裂是由于尺寸發(fā)生變化而產(chǎn)生的,這與1500℃燒成的燒結(jié)氧化鋁試樣的膨脹量大、龜裂數(shù)量多的結(jié)果是一致的。進(jìn)而使用圖像處理軟件對剝落試驗前后的試樣照片進(jìn)行了解析,嘗試進(jìn)行了龜裂形狀確認(rèn)和定量評價。其結(jié)果示于圖6。使用燒結(jié)氧化鋁的澆注料,其產(chǎn)生的龜裂是分岔的,而使用電熔氧化鋁的澆注料,其龜裂是直線的。根據(jù)解析后的圖像計算出龜裂的總面積和平均長寬比,結(jié)果都是燒結(jié)氧化鋁的大,龜裂也更多。

圖5 剝落試驗后的澆注料外觀照片

圖6 圖像處理結(jié)果和計算值

圖7示出了1500℃燒成的試樣和剝落試驗前后的試樣的耐壓強(qiáng)度以及據(jù)此算出的強(qiáng)度殘余比率。1500℃燒成的試樣電熔氧化鋁的耐壓強(qiáng)度大,剝落試驗后電熔氧化鋁的耐壓強(qiáng)度也大,但是強(qiáng)度殘余比率基本相同。

圖7 剝落試驗后耐壓強(qiáng)度和強(qiáng)度殘余比率

3.3 旋轉(zhuǎn)侵蝕剝落試驗

旋轉(zhuǎn)侵蝕剝落試驗后的鋁鎂質(zhì)澆注料的外觀照片示于圖8。在鋁鎂澆注料中,電熔氧化鋁在背面發(fā)現(xiàn)有一個龜裂。而燒結(jié)氧化鋁龜裂在中途分支,并且照比電熔氧化鋁的細(xì)。所有試樣在斷面上都可見平行于侵蝕面的龜裂,氧化鋁的這種龜裂細(xì)小。

圖8 旋轉(zhuǎn)侵蝕剝落試驗后鋁鎂澆注料的背面和斷面

高鋁質(zhì)澆注料也進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)侵蝕試驗,它比鋁鎂質(zhì)澆注料更加容易確認(rèn)不同之處。其外觀照片示于圖9。

圖9 旋轉(zhuǎn)侵蝕試驗后高鋁質(zhì)澆注料的背面和斷面

在高鋁質(zhì)澆注料中,燒結(jié)氧化鋁的背面和斷面都沒有明顯的龜裂,而電熔氧化鋁在背面沒有龜裂,但是在斷面上存在與侵蝕面平行的龜裂。

一般認(rèn)為在鋁鎂質(zhì)澆注料和使用電熔氧化鋁的高鋁質(zhì)澆注料中發(fā)現(xiàn)的、與侵蝕面平行的龜裂是由于侵蝕面和背面的物理性能差異所導(dǎo)致的。因此將試驗后的試樣分為侵蝕面和背面,分別測量了物理性能。其結(jié)果示于圖10和圖11。侵蝕面和背面比較而言,侵蝕面的密度大、氣孔率低、燒結(jié)在進(jìn)行。但是,關(guān)于侵蝕面和背面的物理性能差異,燒結(jié)氧化鋁的大,一般認(rèn)為本次試驗中龜裂容易發(fā)展的原因并非是由于侵蝕面和背面的物理性能差異所造成的。

圖10 旋轉(zhuǎn)侵蝕剝落試驗后鋁鎂澆注料的體積密度和顯氣孔率

圖11 旋轉(zhuǎn)侵蝕剝落試驗后高鋁澆注料的體積密度和顯氣孔率

其次,對試驗后的試樣侵蝕面附近的組織進(jìn)行分析,其結(jié)果示于圖12。另外還測量了試驗后試樣的熔損量和浸透層的厚度,其結(jié)果示于圖13。使用燒結(jié)氧化鋁的澆注料在骨料周圍存在空隙,越接近侵蝕面越多[圖12(a)],該空隙緩解了應(yīng)力、抑制了龜裂進(jìn)一步發(fā)展。另外,使用電熔氧化鋁的澆注料沒有發(fā)現(xiàn)存在空隙,骨料和微粉是緊密連接在一起的[圖12(c)]。其次在熔損方面,使用燒結(jié)氧化鋁的澆注料熔損量大于使用電熔氧化鋁的,滲透層也厚,滲透劑是從骨料周圍形成的空隙滲透進(jìn)去的,實際上在骨料的周圍已經(jīng)滲透了侵蝕劑[圖12(b)]。因為使用電熔氧化鋁的澆注料沒有空隙,所以熔損量小于使用燒結(jié)氧化鋁的,在骨料的周圍沒有發(fā)現(xiàn)存在侵蝕劑滲透[圖12(d)]。然而,發(fā)現(xiàn)侵蝕劑已經(jīng)從產(chǎn)生的龜裂處侵入到了澆注料的內(nèi)部[圖12(c)]。

圖12 侵蝕面附近外觀

圖13 旋轉(zhuǎn)侵蝕剝落試驗后澆注料的熔損量和滲透層厚度

通過對使用燒結(jié)氧化鋁和電熔氧化鋁的澆注料性能的研究,獲得了如下見解。

(1)與使用燒結(jié)氧化鋁的澆注料相比,使用電熔氧化鋁的澆注料的密度大、氣孔率低、強(qiáng)度大。

(2)在1200℃燒成時尖晶石的膨脹程度相同,但是在1500℃燒成時使用燒結(jié)氧化鋁的澆注料膨脹大。

(3)在實驗室簡易剝落試驗中,使用燒結(jié)氧化鋁的澆注料龜裂更加嚴(yán)重。強(qiáng)度殘余率兩者相同。

(4)在更加接近實際工業(yè)窯爐的條件下評價了抗熱剝落性和耐侵蝕性,得出的結(jié)論是:使用電熔氧化鋁的澆注料的耐蝕性優(yōu),而使用燒結(jié)氧化鋁的澆注料抗熱剝落性優(yōu)。

(5)對旋轉(zhuǎn)侵蝕剝落試驗后的試樣進(jìn)行組織觀察,結(jié)果表明在燒結(jié)氧化鋁的骨料周圍產(chǎn)生了空隙。使用燒結(jié)氧化鋁的澆注料因為侵蝕劑從骨料周圍產(chǎn)生的空隙滲透進(jìn)去,所以熔損量大,但是該空隙將應(yīng)力分散了,所以由于龜裂而導(dǎo)致剝落的可能性很低。