剛玉磚，是以剛玉為主晶相的耐火材料制品，化學(xué)穩(wěn)定性好，對酸性或堿性渣、金屬以及玻璃液等均有較強(qiáng)的抵抗能力。主要用于煉鐵高爐、高爐熱風(fēng)爐、煉鋼爐外精煉爐、玻璃熔窯以及石油化工工業(yè)爐等。現(xiàn)在市場上的高純剛玉磚主要采用電熔剛玉原料生產(chǎn)，生產(chǎn)電熔剛玉具有能耗高、損耗大和不環(huán)保等缺點(diǎn)，釆用電熔剛玉原料生產(chǎn)高純剛玉磚存在難以燒結(jié)和抗渣性有待提高的問題。近年來，作為一種高檔耐火材料，燒結(jié)剛玉的技術(shù)及產(chǎn)量得到了突飛猛進(jìn)的提高。本文嘗試研究采用燒結(jié)原料制備高純剛玉磚的可行性。
1、試驗
1.1原料
燒結(jié)剛玉，本試驗使用的的燒結(jié)剛玉，顯氣孔率為5.7%，吸水率為1.6%，體積密度為3.48g·cm-3。電熔剛玉又稱熔融氧化鋁，試驗所用電熔剛玉顯氣孔率為8.8%，吸水率為2.4%，體積密度為3.61g·cm3。按表1所示準(zhǔn)備原料。
表1原料配方
1.2試樣制備
使用15Kg碾輪式混料機(jī)，加入顆粒料預(yù)混3min，再加3%結(jié)合劑混練1min，最后加入細(xì)粉混練15min，在100t液壓機(jī)上成型，成型壓力280MPa，成型試樣尺寸為(φ50mm×50mm圓柱，150mm×25mm×25mm的長條試樣，外尺寸φ50mm×50mm、內(nèi)孔尺寸為φ25mm×25mm的i甘禍，試樣110℃保溫24h烘干后在超高溫電爐里經(jīng)1750℃保溫3h燒成，用于檢測。
1.3性能檢測
按照GB/5988—2004進(jìn)行加熱永久線變化的測定，按GB/T2997—2000(2004)檢測試樣的體積密度和顯氣孔率，按GB/T5072.1—1998檢測試樣的常溫耐壓強(qiáng)度，按照GB/T3001—2000檢測試樣的常溫抗折強(qiáng)度，按GB/T3002—2004檢測試樣的高溫抗折強(qiáng)度(1400℃保溫0.5h)。采用靜態(tài)坩堝法進(jìn)行制品的抗渣性試驗。采用SEM掃描電鏡觀測試樣的顯微結(jié)構(gòu)。
2、結(jié)果與討論
2.1原料顯微結(jié)構(gòu)
圖1給出了原料顆粒的顯微結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)燒結(jié)剛玉其由粒徑為40~120μm的oi-Al2O3晶體所組成，存在一定量的閉口球狀氣孔，電熔剛玉結(jié)構(gòu)較致密，存在一定量的開口氣孔，孔徑較大。
(a)燒結(jié)剛玉顆粒(b)電熔剛玉顆粒
圖1原料顆粒的顯微結(jié)構(gòu)
2.2重?zé)�變化
圖2給出了不同原料配比制備試樣的重?zé)�變化曲線。實驗結(jié)果顯示，所有試樣都呈現(xiàn)出燒成收縮的趨勢，但隨著燒結(jié)剛玉含量的增加，燒成收縮量增大。對比原料指標(biāo)，我們發(fā)現(xiàn)：燒結(jié)剛玉顆粒內(nèi)含有較多量的氣孔，如果以α-Al2O3真密度3.99g·cm-3計算，其體積密度為3.48g·cm-3，則其所含氣孔總量約為13%，并且燒結(jié)剛玉的晶粒尺寸較小，在燒結(jié)過程中，有利于擴(kuò)散傳質(zhì)燒結(jié)，部分氣孔隨著物質(zhì)的遷移沿著晶界從晶體中排除，造成體積收縮。而電熔剛玉顆粒的體積密度為3.61g·cm-3，所含氣孔總量約為9%，因其在高溫電弧爐內(nèi)熔融冷凝制得，原料的晶粒尺寸大，晶界通道少，因此燒結(jié)收縮相對燒結(jié)剛玉顆粒要小。
圖2不同試樣的重?zé)�變化
2.3顯氣孔率和體積密度
根據(jù)圖3所示，總體上，燒結(jié)剛玉含量較高的試樣顯氣孔率較低，體積密度較高，這是因為燒結(jié)剛玉原料的顯氣孔率為5.7%，而電熔剛玉原料的顯氣孔率為8.8%，燒結(jié)剛玉原料的顯氣孔率較小。此外，相對電熔剛玉原料，燒結(jié)剛玉原料中的氣孔更容易從晶體中排除，減少了氣孔率，造成較大的體積收縮的同時，進(jìn)一步提高了試樣的體積密度。因此，燒后試樣的顯氣孔率隨燒結(jié)剛玉含量的提高而降低。
圖3 不同試樣的顯氣孔率與體積密度
從圖4中可以看出，純燒結(jié)剛玉原料C1磚比純電熔剛玉原料C5磚的常溫耐壓強(qiáng)度要大很多。分析原因主要有兩點(diǎn)，首先從原料強(qiáng)度分析，燒結(jié)剛玉原料的晶粒較小，材料的斷裂強(qiáng)度(σ)與晶粒尺寸(G)之間有以下函數(shù)關(guān)系：
σ=f(G-1/2)
所以燒結(jié)剛玉材料的強(qiáng)度較高，而電熔剛玉原料較脆，容易產(chǎn)生剝落，(如圖5(a))，并且還存在少量的β-Al2O3相，降低了原料強(qiáng)度。再從材料的結(jié)合狀態(tài)分析，燒結(jié)剛玉顆粒與基質(zhì)間的結(jié)合良好，幾乎燒結(jié)成一個整體，而電熔剛玉顆粒則與基質(zhì)間的結(jié)合不好，易在顆粒周圍形成環(huán)狀裂紋(如圖5(b))。由于以上兩個原因，純燒結(jié)剛玉原料C1磚的機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)于純電熔剛玉原料C5磚。
圖4 不同試樣的強(qiáng)度
圖5 使用電熔剛玉制備試樣的顯微結(jié)構(gòu)
2.4抗渣性
向坩堝內(nèi)加入20g氣化爐渣(爐渣成分見表2)，以100℃·h-1的升溫速率在試驗電爐內(nèi)將坩堝加熱到1550℃，保溫3h，冷卻至室溫后將坩堝沿軸向切開，觀察縱向切面的顯微結(jié)構(gòu)變化。
表2爐渣化學(xué)成分
圖6靜態(tài)坩堝抗渣剖面圖
將抗水煤漿氣化爐渣侵蝕試驗后磚制樣，采用電鏡對其顯微結(jié)構(gòu)觀察。電鏡觀察水煤漿氣化爐渣呈魚骨狀，主要為鈣長石相(如圖7(a));爐渣與試驗磚中的剛玉相反應(yīng)生成鎂鋁鐵復(fù)合尖晶石相，能譜分析該復(fù)合尖晶石相的成分為(x/%)：MgO40.43%，Al2O347.61%，F(xiàn)e2O311.96%。反應(yīng)生成的鎂鋁鐵復(fù)合尖晶石相在剛玉顆粒周圍形成環(huán)帶(如圖7(b))，燒結(jié)剛玉顆粒周圍環(huán)帶厚度為60~90μm，電熔剛玉顆粒周圍環(huán)帶厚度為50~70μm，可見爐渣更易與燒結(jié)剛玉反應(yīng)，主要因為燒結(jié)剛玉燒結(jié)活性大，晶粒較小，閉氣孔較多，存在較多的晶界，渣易于沿晶界滲入，與燒結(jié)剛玉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
(a)爐渣(b)C2工作面
圖7爐渣及抗侵蝕試驗后的剛玉磚試樣顯微結(jié)構(gòu)圖
C1、C2、C3、C4和C5的侵蝕深度沒有明顯差別，都約為1mm，圖8分別為C1磚和C5磚侵蝕后的顯微結(jié)構(gòu)照片，爐渣首先與磚基質(zhì)反應(yīng)，使剛玉顆粒呈孤島狀，然后與顆粒反應(yīng)，將顆粒蠶食掉。
圖8抗渣試驗后剛玉磚試樣的顯微結(jié)構(gòu)圖
不同配方制備的試驗磚滲透機(jī)理相似，爐渣沿氣孔向磚中滲透，以玻璃相和鈣長石相存在于晶間和氣孔中，如圖9所示。
圖9抗渣試驗后剛玉磚試樣C5滲透層的顯微結(jié)構(gòu)圖
但不同試樣卻表現(xiàn)出不同的抗?jié)B透性能：表3給出了不同試樣中SiO2的滲透深度，隨著磚中燒結(jié)剛玉含量的降低，渣的滲透深度呈遞增趨勢。
表3距工作面不同距離基質(zhì)SiO2含量
造成這種結(jié)果的原因有兩個：一是燒結(jié)剛玉含量高的試樣顯氣孔率較低，二是燒結(jié)剛玉原料顆粒與基質(zhì)的結(jié)合較好，阻礙了渣向試樣中的滲透。
3、結(jié)論
由于燒結(jié)剛玉晶粒尺寸較小，顆粒內(nèi)存在較多量的氣孔，有利于擴(kuò)散傳質(zhì)燒結(jié)，部分氣孔隨著物質(zhì)的遷移沿著晶界從晶體中排除，造成體積收縮，導(dǎo)致試樣燒成線收縮率隨燒結(jié)剛玉含量的增加而增加，試樣的顯氣孔率隨燒結(jié)剛玉含量的提高而降低。
純燒結(jié)剛玉原料呈細(xì)晶結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高，并且燒結(jié)活性大，磚中燒結(jié)剛玉顆粒與基質(zhì)間的結(jié)合良好，所以機(jī)械強(qiáng)度性能隨著燒結(jié)剛玉的含量上升而上升。
靜態(tài)坩堝抗渣試驗結(jié)果顯示，燒結(jié)剛玉能夠減緩渣向磚中的滲透，造成這種結(jié)果的原因有兩個：一是燒結(jié)剛玉含量高的試樣顯氣孔率較低，二是燒結(jié)剛玉原料顆粒與基質(zhì)的結(jié)合較好，阻礙了渣向磚的滲透。 |
