ZrO2細(xì)粉、MgO細(xì)粉加入量對剛玉-尖晶石澆注料性能的影響;用靜態(tài)坩堝法研究了加入不同添加劑的剛玉-尖晶石撓注料抗渣侵蝕行為。結(jié)果表明：加入適量氧化鋯細(xì)粉有補(bǔ)強(qiáng)作用，提高強(qiáng)度;加入適量MgO細(xì)粉可在高溫下生成尖晶石，強(qiáng)化基質(zhì)，提高強(qiáng)度。在澆注料中加入一定量的MgO細(xì)粉能增強(qiáng)澆注料的抗渣性;加入ZrO2細(xì)粉會使?jié)沧⒘系目節(jié)B透性和抗侵蝕性下降。
RH爐浸漬管襯體內(nèi)層使用的鎂鉻磚含有生態(tài)上有害的鉻元素。鉻的化合物以二價鉻(如CrO)、三價鉻(Cr2O3)和六價鉻(如CrO3)的形式存在，其中二價鉻和六價鉻的化合物比較常見，二者都有致癌作用。從環(huán)保方面考慮，在耐火材料中應(yīng)盡量少用含鉻磚或不用含鉻磚，以減少鉻對環(huán)境的污染。此外，鎂鉻磚屬于高檔耐火材料，其價格比較貴，基于環(huán)保和經(jīng)濟(jì)兩方面考慮，研究開發(fā)新型環(huán)保無鉻澆注料，用于RH爐浸漬管，替代鎂鉻磚。新型優(yōu)質(zhì)剛玉-尖晶石澆注料除了具有一般澆注料所具有的整體性好、抗剝落等優(yōu)點(diǎn)外，還具有熱震穩(wěn)定性好，抗侵蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)。
實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)所用主要原料化學(xué)組成見表1。抗渣實(shí)驗(yàn)用渣的化學(xué)成分見表2。澆注料實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線：原料→配合→昆合→成型→干燥→險測。
表1 原料的化學(xué)組成 %
表2 實(shí)驗(yàn)用渣的化學(xué)組成 %
骨料采用電熔白剛玉，細(xì)粉采用尖晶石，結(jié)合劑選用Al-80水泥，加入適量添加劑，合理配合后加水，經(jīng)振動成型，制成40×40×160試樣，經(jīng)干燥，燒至各溫度進(jìn)行檢測。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
不同尖晶石微粉/ZrO2微粉比對剛玉-尖晶石澆注料性能的影響
在固定澆注料的骨料、結(jié)合劑及其余基質(zhì)料的條件下，調(diào)整基質(zhì)料中尖晶石粉和ZrO2微粉的加入量，研究其對玉-尖晶石澆注料抗折強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度、氣孔率、體積密度影響。
尖晶石粉和ZrO2微粉量的比例不同，試樣的抗折強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度的變化見表3。可見，隨著尖晶石微粉/ZrO2微粉比值的減少，澆注料的燒后耐壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都增加，烘干耐壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度無明顯變化。這是因?yàn)楫?dāng)尖晶石微粉和ZrO2微粉比減少時，ZrO2微粉的量增大，適量的含鋯外加劑使?jié)沧⒘蟽?nèi)部產(chǎn)生適量的微裂紋吸收了部分?jǐn)嗔涯埽沽鸭y擴(kuò)展終止，強(qiáng)化基質(zhì)，并且氧化鋯添加劑有補(bǔ)強(qiáng)的作用，可以提高澆注料的耐壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。
表3 不同尖晶石粉/ZrO2比對試樣強(qiáng)度的影響
圖1和圖2示出了尖晶石粉和ZrO2微粉比不同時試樣對顯氣孔率和體積密度的影響。由圖可以看出：隨著尖晶石粉/ZrO2的增大，1500℃×3h燒后試樣的體積密度減少，顯氣孔率增大，但增大的幅度不是很明顯試樣的體積密度隨尖晶石/ZrO2比的減少而增加，這與尖晶石粉和Zr02微粉的體積密度有關(guān)。因?yàn)榧饩鄣拿芏刃∮谥鞒煞职讋傆竦拿芏龋琙rO2微粉的密度相對較大，隨著尖晶石/ZrO2的減少，尖晶石粉的量不斷減少，ZrO2微粉的量不斷增大，試樣的體積密度也隨之增大。試樣的顯氣孔率隨ZrO2加入量的增加而減少不大的一個主要原因是：ZrO2能促進(jìn)燒結(jié)，在高溫下ZrO2相變產(chǎn)生體積膨脹而使得試樣的氣孔率變化不明顯。
圖1 尖晶石/ZrO2對體積密度影響
圖2 尖晶石/ZrO2對氣孔率的影響
適量氧化鋯添加劑有補(bǔ)強(qiáng)的作用，可以提高澆注料的耐壓強(qiáng)度，試樣的體積密度隨著ZrO2加入量的增加而增大，試樣的顯氣孔率隨著ZrO2加入量的增加而減少。
不同尖晶石微粉/ MgO微粉比對澆注料性能的影響
在固定骨料、結(jié)合劑及其余基質(zhì)料不變的條件下，調(diào)整基質(zhì)料中尖晶石粉和MgO細(xì)粉的加入量 。
表4列出了不同尖晶石/MgO比對剛玉-尖晶石澆注料強(qiáng)度的影響。可見，材料經(jīng)高溫?zé)蟮目拐蹚?qiáng)度和耐壓強(qiáng)度，隨著尖晶石/MgO的減少先增大后略有減少，低溫抗折強(qiáng)度先減少后增大，耐壓強(qiáng)度減少。這是因?yàn)椋m然在燒注料中添加MgO ，會導(dǎo)致Al2O3-SiO2-MgO-Ca0低熔點(diǎn)物產(chǎn)生，但由于澆注料中CaO含量處于較低水平，限制了低融點(diǎn)物的形成量。隨著氧化鎂細(xì)粉加入量的增加，反應(yīng)生成的尖晶石強(qiáng)化了基質(zhì)，從而提高了材料的高溫強(qiáng)度。但氧化鎂細(xì)粉加入過量時則有下降趨勢，這是由于燒后試樣產(chǎn)生的組織松馳而使強(qiáng)度有所降低。因此必須控制配料組成中的氧化鎂細(xì)粉加入量，并調(diào)整它與基質(zhì)細(xì)粉的配合，從而使?jié)沧⒘线_(dá)到較好的強(qiáng)度性能。
表4 尖晶石粉/MgO不同對試樣強(qiáng)度的影響
圖3 尖晶石/MgO對體積密度影響
圖4 尖晶石/MgO對氣孔率的影響
圖3和圖4示出了不同尖晶石粉和MgO細(xì)粉比對試樣的體積密度和顯氣孔率的影響。從圖3和圖4可以看出，隨著尖晶石/MgO值的增大，基質(zhì)中MgO含量減少，尖晶石粉含量增加，試樣的體積密度有所增加，顯氣孔率略有下降。在澆注料中加入一定量的氧化鎂細(xì)粉，1200℃左右MgO與基質(zhì)中的Al2O3開始反應(yīng)：Al2O3+MgO=MA生成尖晶石。此反應(yīng)產(chǎn)生7.96 %的體積膨脹，抵消了高溫液相的部分收縮。隨著尖晶石/ MgO值的減少，尖晶石粉的量不斷減少，MgO微粉的量不斷增大，反應(yīng)產(chǎn)生的體積膨脹量增大，使得試樣經(jīng)1500℃X3h后的體積密度減少，氣孔率增大，這可以減少耐火材料在使用中開裂和剝落現(xiàn)象的發(fā)生。
不同添加劑對燒注料抗渣性能的影響
侵蝕深度最大的是加入了3.5 %ZrO2細(xì)粉的試樣3(9mm)。且取出坩堝后可明顯看出坩禍的邊緣有開裂現(xiàn)象：其次是空白試樣1 (6mm)，坩堝的邊緣稍有開裂：侵蝕深度最小的是加入3.5 %MgO細(xì)粉的試樣2 (3mm)。
圖5 試樣1
圖6 試樣2
圖7 試樣3
圖5、6、7為1號-空白樣，2號-加入3.5%MgO，3號-加入3.5%ZrO2的顯微結(jié)構(gòu)照片(100X)。
圖5中白色為剛玉顆粒，可以看出，空白試樣1受爐渣的侵蝕比較嚴(yán)重，被爐渣侵蝕后的剛玉骨料邊緣呈鋸齒狀，這是由于尖晶石與剛玉間存在著熱膨脹系數(shù)的差異，在試樣經(jīng)高溫?zé)珊蟮睦鋮s過程中，尖晶石及剛玉的周圍會產(chǎn)生一些顯微裂紋，這些顯微裂紋會成為爐渣侵蝕的快速通道。
圖6原質(zhì)層中基質(zhì)與顆粒的分布比較均勻，沒有被爐渣侵蝕的剛玉骨料邊緣比較整齊，試樣受爐渣的侵蝕較少。鎂砂粉與剛玉骨料在高溫下形成鎂鋁尖晶石，有利于抵抗熔渣的侵蝕，鎂砂粉的加入有利于反應(yīng)Al2O3+MgO=MA的進(jìn)行，材料的抗渣侵蝕性增強(qiáng)。除此之外，熔渣中的CaO與澆注料中的Al2O3反應(yīng)，同時，F(xiàn)eO也可以固溶于尖晶石中，使得爐渣中FeO和CaO的含量降低，而FeO和CaO含量的降低會使渣的粘度增加，滲透能力降低。因此，加入了3.5%MgO的剛玉-尖晶石澆注料具有較好的抗渣性。
圖7中存在較多氣孔，爐渣通過這些氣孔不斷向澆注料的內(nèi)部滲透，ZrO2細(xì)粉的加入試樣受爐渣的侵蝕較嚴(yán)重，這可能是由于加入ZrO2細(xì)粉后，在試樣中形成許多微裂紋，增加侵蝕面積和通道，使得試樣抗渣性變差。
結(jié)論
(1)在剛玉-尖晶石澆注料中加入適量的氧化鋯外加劑有補(bǔ)強(qiáng)的作用，可以提高澆注料的耐壓強(qiáng)度、體積密度，降低顯氣孔率。
(2)在剛玉-尖晶石澆注料中加入適量的MgO細(xì)粉可使?jié)沧⒘显诟邷貤l件下發(fā)生尖晶石化反應(yīng)，反應(yīng)生成的尖晶石強(qiáng)化了基質(zhì)，提高了材料的高溫強(qiáng)度。但鎂砂加入過量時則會由于燒后產(chǎn)生的組織松弛而使材料的強(qiáng)度下降。
(3)在燒注料中加入一定量的MgO能增強(qiáng)燒注料的抗渣性;在澆注料中加入ZrO2會使?jié)沧⒘系目節(jié)B透能力減弱，對爐渣的抗侵蝕能力變差。