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?)熔點高達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氧化鋁和電熔氧化鋁。燒結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?shù)睦鋮s速度結晶而成的。燒結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。

關于鋁鎂澆注料的抗剝落性,實驗室試驗結果和實際使用的損毀結果,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 氧化鋁原料的化學成分和物理性能

燒結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成分。骨料以及澆注料的體積密度和氣孔率根據(jù)JISR2205進行了測定。強度和殘余線變化率分別根據(jù)JISR2553和JISR2554進行了測定。

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。加水使流動值達到200mm,用萬能混煉機進行混煉,澆注后于室溫養(yǎng)生20h以上,確認已經(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,反復進行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行了定量評價。另外測量了剝落試驗后的試樣的耐壓強度,求出與1500℃燒成試樣的耐壓強度的差,以此計算出殘余強度。

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)澆注料進行12次,高鋁質(zhì)澆注料反復進行8次。從試樣的末端開始每隔20mm為一個點,共測量5點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℃燒結氧化鋁的膨脹率大。關于這個問題一般認為是受到了尖晶石化反應的膨脹影響。

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

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

圖4 澆注料的抗折強度和耐壓強度

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到剝落的程度。但是肉眼可見的龜裂,燒結氧化鋁有2個,電熔氧化鋁有1個。一般認為龜裂是由于尺寸發(fā)生變化而產(chǎn)生的,這與1500℃燒成的燒結氧化鋁試樣的膨脹量大、龜裂數(shù)量多的結果是一致的。進而使用圖像處理軟件對剝落試驗前后的試樣照片進行了解析,嘗試進行了龜裂形狀確認和定量評價。其結果示于圖6。使用燒結氧化鋁的澆注料,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,結果都是燒結氧化鋁的大,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度以及據(jù)此算出的強度殘余比率。1500℃燒成的試樣電熔氧化鋁的耐壓強度大,剝落試驗后電熔氧化鋁的耐壓強度也大,但是強度殘余比率基本相同。

圖7 剝落試驗后耐壓強度和強度殘余比率

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。而燒結氧化鋁龜裂在中途分支,并且照比電熔氧化鋁的細。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)澆注料也進行了旋轉(zhuǎn)侵蝕試驗,它比鋁鎂質(zhì)澆注料更加容易確認不同之處。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、燒結在進行。但是,關于侵蝕面和背面的物理性能差異,燒結氧化鋁的大,一般認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行分析,其結果示于圖12。另外還測量了試驗后試樣的熔損量和浸透層的厚度,其結果示于圖13。使用燒結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)],該空隙緩解了應力、抑制了龜裂進一步發(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,使用燒結氧化鋁的澆注料龜裂更加嚴重。強度殘余率兩者相同。

(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,得出的結論是:使用電熔氧化鋁的澆注料的耐蝕性優(yōu),而使用燒結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行組織觀察,結果表明在燒結氧化鋁的骨料周圍產(chǎn)生了空隙。使用燒結氧化鋁的澆注料因為侵蝕劑從骨料周圍產(chǎn)生的空隙滲透進去,所以熔損量大,但是該空隙將應力分散了,所以由于龜裂而導致剝落的可能性很低。