氧化铝储量大,一直作为耐火原料被广泛使用。其中高纯度致密质刚玉(α-Al₂O₃)熔点高达2050℃,随着温度变化稳定性好,抗渣侵蚀性好,一般都作为耐火原料使用。

作为耐火材料原料使用的氧化铝分为烧结氧化铝和电熔氧化铝。烧结氧化铝是将成型的原料通过各种窑于1900℃左右的温度烧成的,而电熔氧化铝是将电炉熔融的原料以适当的冷却速度结晶而成的。烧结氧化铝和电熔氧化铝生产方法不同,所以表现出不同的特性。本文研究了氧化铝原料的这种不同特性对浇注料性能的影响。

关于铝镁浇注料的抗剥落性,实验室试验结果和实际使用的损毁结果,已经证实是不一致的,近年来在更加接近实际使用条件下进行了抗剥落性试验。本文在加以固定并有渣侵蚀环境下进行了旋转侵蚀剥落试验,并与普通电炉全面加热所做的剥落试验进行了比较。

2.1氧化铝骨料的原料性能

表1列出了氧化铝骨料的化学成分和物理性能。图1示出了氧化铝原料的SEM图像。用于测量物理性能和拍摄SEM图像的试样粒度为5~3mm。

表1 氧化铝原料的化学成分和物理性能

烧结氧化铝的一次颗粒是几十微米左右,而电熔氧化铝是几百微米到几毫米的大颗粒。化学成分和体积密度基本一样,但是电熔氧化铝的显气孔率高。

图1  氧化铝原料的SEM图像

2.2 物理性能的评价方法

使用X射线分析装置定量分析了化学成分。骨料以及浇注料的体积密度和气孔率根据JISR2205进行了测定。强度和残余线变化率分别根据JISR2553和JISR2554进行了测定。

2.3 浇注料的制备方法

表2列出了铝镁质浇注料的配料组成。加水使流动值达到200mm,用万能混炼机进行混炼,浇注后于室温养生20h以上,确认已经硬化后脱模。在110℃干燥后于电炉中以1200℃和1500℃烧成3h。

2.4 抗剥落试验

进行空冷试验来评价抗热剥落性。采用干燥后的试样在升温到1500℃的电炉中加热15min,然后空冷15min,反复进行5次。拍摄剥落试验前后的试样外观照片,使用图像处理软件对龟裂情况进行了定量评价。另外测量了剥落试验后的试样的耐压强度,求出与1500℃烧成试样的耐压强度的差,以此计算出残余强度。

2.5 旋转侵蚀剥落试验

为了在更加接近实际工业炉的条件下来评价抗热剥落性和耐蚀性,进行了旋转侵蚀剥落试验。试样采用表2列出的铝镁质浇注料和表3列出的高铝质浇注料。

表2  Al₂O₃-MgO质浇注料的配料组成

表3  高铝质浇注料的组成

从骨料到微粉都使用烧结氧化铝的配料命名为HA-S,使用电熔氧化铝的配料命名为HA-F。试验条件如下:侵蚀剂钢∶渣(C/S=3)比例采用的是6∶4,大约升温到1650℃后投放进侵蚀剂,保持30min之后排渣,吹入20min空气,冷却到大约700℃。之后用10min升温到1650℃,投放侵蚀剂。此为一个周期。铝镁质浇注料进行12次,高铝质浇注料反复进行8次。从试样的末端开始每隔20mm为一个点,共测量5点位置的试样试验后的熔损量和渗透层的厚度。另外测量物理性能并观察断面情况,进行了评价。

3.1 浇注料的性能

制备的浇注料的物理性能示于图2。不管烧成温度是多少,与烧结氧化铝相比,电熔氧化铝的密度大,气孔率低。另外,烧成后的残余线变化率示于图3。在1200℃残余线变化率几乎相等,但是在1500℃烧结氧化铝的膨胀率大。关于这个问题一般认为是受到了尖晶石化反应的膨胀影响。

图2 浇注料的体积密度和显气孔率

图3 浇注料的残余线变化率

配料中添加的轻烧氧化铝,其活性比烧结氧化铝和电熔氧化铝高,所以先与氧化镁反应生成尖晶石。另外,与电熔氧化铝相比,烧结氧化铝的一次结晶直径小,所以更加容易与氧化镁发生反应。因此一般认为:在1200℃温度下添加数量同等的轻烧氧化铝与氧化镁反应生成尖晶石,其膨胀量基本没有差距,但是在1500℃温度下烧结氧化铝和电熔氧化铝的微粉分别与氧化镁反应生成尖晶石,更容易反应的烧结氧化铝的膨胀量大。

图4示出了抗折强度和耐压强度。随着烧成温度的升高,强度都增加。另外在任何烧成温度下烧结氧化铝的强度都比电熔氧化铝的低。特别是在1500℃温度下耐压强度相差很大。由于生成尖晶石导致烧结氧化铝的气孔率明显增大，并伴随强度下降。

图4 浇注料的抗折强度和耐压强度

3.2 剥落试验

图5示出了剥落试验前后试样的外观照片。5次剥落试验后所有试样都没有达到剥落的程度。但是肉眼可见的龟裂,烧结氧化铝有2个,电熔氧化铝有1个。一般认为龟裂是由于尺寸发生变化而产生的,这与1500℃烧成的烧结氧化铝试样的膨胀量大、龟裂数量多的结果是一致的。进而使用图像处理软件对剥落试验前后的试样照片进行了解析,尝试进行了龟裂形状确认和定量评价。其结果示于图6。使用烧结氧化铝的浇注料,其产生的龟裂是分岔的,而使用电熔氧化铝的浇注料,其龟裂是直线的。根据解析后的图像计算出龟裂的总面积和平均长宽比,结果都是烧结氧化铝的大,龟裂也更多。

图5 剥落试验后的浇注料外观照片

图6 图像处理结果和计算值

图7示出了1500℃烧成的试样和剥落试验前后的试样的耐压强度以及据此算出的强度残余比率。1500℃烧成的试样电熔氧化铝的耐压强度大,剥落试验后电熔氧化铝的耐压强度也大,但是强度残余比率基本相同。

图7 剥落试验后耐压强度和强度残余比率

3.3 旋转侵蚀剥落试验

旋转侵蚀剥落试验后的铝镁质浇注料的外观照片示于图8。在铝镁浇注料中,电熔氧化铝在背面发现有一个龟裂。而烧结氧化铝龟裂在中途分支,并且照比电熔氧化铝的细。所有试样在断面上都可见平行于侵蚀面的龟裂,氧化铝的这种龟裂细小。

图8 旋转侵蚀剥落试验后铝镁浇注料的背面和断面

高铝质浇注料也进行了旋转侵蚀试验,它比铝镁质浇注料更加容易确认不同之处。其外观照片示于图9。

图9 旋转侵蚀试验后高铝质浇注料的背面和断面

在高铝质浇注料中,烧结氧化铝的背面和断面都没有明显的龟裂,而电熔氧化铝在背面没有龟裂,但是在断面上存在与侵蚀面平行的龟裂。

一般认为在铝镁质浇注料和使用电熔氧化铝的高铝质浇注料中发现的、与侵蚀面平行的龟裂是由于侵蚀面和背面的物理性能差异所导致的。因此将试验后的试样分为侵蚀面和背面,分别测量了物理性能。其结果示于图10和图11。侵蚀面和背面比较而言,侵蚀面的密度大、气孔率低、烧结在进行。但是,关于侵蚀面和背面的物理性能差异,烧结氧化铝的大,一般认为本次试验中龟裂容易发展的原因并非是由于侵蚀面和背面的物理性能差异所造成的。

图10 旋转侵蚀剥落试验后铝镁浇注料的体积密度和显气孔率

图11 旋转侵蚀剥落试验后高铝浇注料的体积密度和显气孔率

其次,对试验后的试样侵蚀面附近的组织进行分析,其结果示于图12。另外还测量了试验后试样的熔损量和浸透层的厚度,其结果示于图13。使用烧结氧化铝的浇注料在骨料周围存在空隙,越接近侵蚀面越多[图12(a)],该空隙缓解了应力、抑制了龟裂进一步发展。另外,使用电熔氧化铝的浇注料没有发现存在空隙,骨料和微粉是紧密连接在一起的[图12(c)]。其次在熔损方面,使用烧结氧化铝的浇注料熔损量大于使用电熔氧化铝的,渗透层也厚,渗透剂是从骨料周围形成的空隙渗透进去的,实际上在骨料的周围已经渗透了侵蚀剂[图12(b)]。因为使用电熔氧化铝的浇注料没有空隙,所以熔损量小于使用烧结氧化铝的,在骨料的周围没有发现存在侵蚀剂渗透[图12(d)]。然而,发现侵蚀剂已经从产生的龟裂处侵入到了浇注料的内部[图12(c)]。

图12 侵蚀面附近外观

图13 旋转侵蚀剥落试验后浇注料的熔损量和渗透层厚度

通过对使用烧结氧化铝和电熔氧化铝的浇注料性能的研究,获得了如下见解。

(1)与使用烧结氧化铝的浇注料相比,使用电熔氧化铝的浇注料的密度大、气孔率低、强度大。

(2)在1200℃烧成时尖晶石的膨胀程度相同,但是在1500℃烧成时使用烧结氧化铝的浇注料膨胀大。

(3)在实验室简易剥落试验中,使用烧结氧化铝的浇注料龟裂更加严重。强度残余率两者相同。

(4)在更加接近实际工业窑炉的条件下评价了抗热剥落性和耐侵蚀性,得出的结论是:使用电熔氧化铝的浇注料的耐蚀性优,而使用烧结氧化铝的浇注料抗热剥落性优。

(5)对旋转侵蚀剥落试验后的试样进行组织观察,结果表明在烧结氧化铝的骨料周围产生了空隙。使用烧结氧化铝的浇注料因为侵蚀剂从骨料周围产生的空隙渗透进去,所以熔损量大,但是该空隙将应力分散了,所以由于龟裂而导致剥落的可能性很低。