烧结刚玉在高纯刚玉砖中应用的优势

摘要：烧结刚玉具有较高的烧结活性，可以促进基质与颗粒的结合，将烧结刚玉引入到高纯刚玉砖的制备中，研究不同烧结刚玉对刚玉砖性能的影响，结果表明，烧结刚玉颗粒晶粒尺寸较小，存在较多量的气孔，在烧结过程中，有利于扩散传质烧结，提高刚玉砖的烧结强度，基质与颗粒紧密结合，也提高了刚玉砖的抗渗透性。

　　刚玉砖，是以刚玉为主晶相的耐火材料制品，化学稳定性好，对酸性或碱性渣、金属以及玻璃液等均有较强的抵抗能力。主要用于炼铁高炉、高炉热风炉、炼钢炉外精炼炉、玻璃熔窑以及石油化工工业炉等。现在市场上的高纯刚玉砖主要采用电熔刚玉原料生产，生产电熔刚玉具有能耗高、损耗大和不环保等缺点，釆用电熔刚玉原料生产高纯刚玉砖存在难以烧结和抗渣性有待提高的问题。近年来，作为一种高档耐火材料，烧结刚玉的技术及产量得到了突飞勐进的提高。本文尝试研究采用烧结原料制备高纯刚玉砖的可行性。

　　1、试验

　　1.1原料

　　烧结刚玉，本试验使用的的烧结刚玉，显气孔率为5.7%，吸水率为1.6%，体积密度为3.48g·cm-3。电熔刚玉又称熔融氧化铝，试验所用电熔刚玉显气孔率为8.8%，吸水率为2.4%，体积密度为3.61g·cm3。按表1所示准备原料。

　　表1原料配方

　　使用15Kg碾轮式混料机，加入颗粒料预混3min，再加3%结合剂混练1min，最后加入细粉混练15min，在100t液压机上成型，成型压力280MPa，成型试样尺寸为(φ50mm×50mm圆柱，150mm×25mm×25mm的长条试样，外尺寸φ50mm×50mm、内孔尺寸为φ25mm×25mm的i甘祸，试样110℃保温24h烘干后在超高温电炉里经1750℃保温3h烧成，用于检测。

　　1.3性能检测

　　按照GB/5988—2004进行加热永久线变化的测定，按GB/T2997—2000(2004)检测试样的体积密度和显气孔率，按GB/T5072.1—1998检测试样的常温耐压强度，按照GB/T3001—2000检测试样的常温抗折强度，按GB/T3002—2004检测试样的高温抗折强度(1400℃保温0.5h)。采用静态坩埚法进行制品的抗渣性试验。采用SEM扫描电镜观测试样的显微结构。

　　2、结果与讨论

　　2.1原料显微结构

　　图1给出了原料颗粒的显微结构。发现烧结刚玉其由粒径为40~120μm的oi-Al2O3晶体所组成，存在一定量的闭口球状气孔，电熔刚玉结构较致密，存在一定量的开口气孔，孔径较大。

　　(a)烧结刚玉颗粒(b)电熔刚玉颗粒

　　图1原料颗粒的显微结构

　　2.2重烧线变化

　　图2给出了不同原料配比制备试样的重烧线变化曲线。实验结果显示，所有试样都呈现出烧成收缩的趋势，但随着烧结刚玉含量的增加，烧成收缩量增大。对比原料指标，我们发现：烧结刚玉颗粒内含有较多量的气孔，如果以α-Al2O3真密度3.99g·cm-3计算，其体积密度为3.48g·cm-3，则其所含气孔总量约为13%，并且烧结刚玉的晶粒尺寸较小，在烧结过程中，有利于扩散传质烧结，部分气孔随着物质的迁移沿着晶界从晶体中排除，造成体积收缩。而电熔刚玉颗粒的体积密度为3.61g·cm-3，所含气孔总量约为9%，因其在高温电弧炉内熔融冷凝制得，原料的晶粒尺寸大，晶界通道少，因此烧结收缩相对烧结刚玉颗粒要小。

　　2.3显气孔率和体积密度

　　根据图3所示，总体上，烧结刚玉含量较高的试样显气孔率较低，体积密度较高，这是因为烧结刚玉原料的显气孔率为5.7%，而电熔刚玉原料的显气孔率为8.8%，烧结刚玉原料的显气孔率较小。此外，相对电熔刚玉原料，烧结刚玉原料中的气孔更容易从晶体中排除，减少了气孔率，造成较大的体积收缩的同时，进一步提高了试样的体积密度。因此，烧后试样的显气孔率随烧结刚玉含量的提高而降低。

　　图3 不同试样的显气孔率与体积密度

　　从图4中可以看出，纯烧结刚玉原料C1砖比纯电熔刚玉原料C5砖的常温耐压强度要大很多。分析原因主要有两点，首先从原料强度分析，烧结刚玉原料的晶粒较小，材料的断裂强度(σ)与晶粒尺寸(G)之间有以下函数关系：

　　σ=f(G-1/2)

　　所以烧结刚玉材料的强度较高，而电熔刚玉原料较脆，容易产生剥落，(如图5(a))，并且还存在少量的β-Al2O3相，降低了原料强度。再从材料的结合状态分析，烧结刚玉颗粒与基质间的结合良好，几乎烧结成一个整体，而电熔刚玉颗粒则与基质间的结合不好，易在颗粒周围形成环状裂纹(如图5(b))。由于以上两个原因，纯烧结刚玉原料C1砖的机械强度优于纯电熔刚玉原料C5砖。

　　图5 使用电熔刚玉制备试样的显微结构

　　2.4抗渣性

　　向坩埚内加入20g气化炉渣(炉渣成分见表2)，以100℃·h-1的升温速率在试验电炉内将坩埚加热到1550℃，保温3h，冷却至室温后将坩埚沿轴向切开，观察纵向切面的显微结构变化。

　　表2炉渣化学成分

图6静态坩埚抗渣剖面图

　　将抗水煤浆气化炉渣侵蚀试验后砖制样，采用电镜对其显微结构观察。电镜观察水煤浆气化炉渣呈鱼骨状，主要为钙长石相(如图7(a));炉渣与试验砖中的刚玉相反应生成镁铝铁复合尖晶石相，能谱分析该复合尖晶石相的成分为(x/%)：MgO40.43%，Al2O347.61%，Fe2O311.96%。反应生成的镁铝铁复合尖晶石相在刚玉颗粒周围形成环带(如图7(b))，烧结刚玉颗粒周围环带厚度为60~90μm，电熔刚玉颗粒周围环带厚度为50~70μm，可见炉渣更易与烧结刚玉反应，主要因为烧结刚玉烧结活性大，晶粒较小，闭气孔较多，存在较多的晶界，渣易于沿晶界渗入，与烧结刚玉发生化学反应。

　　图7炉渣及抗侵蚀试验后的刚玉砖试样显微结构图

　　C1、C2、C3、C4和C5的侵蚀深度没有明显差别，都约为1mm，图8分别为C1砖和C5砖侵蚀后的显微结构照片，炉渣首先与砖基质反应，使刚玉颗粒呈孤岛状，然后与颗粒反应，将颗粒蚕食掉。

图8抗渣试验后刚玉砖试样的显微结构图

　　不同配方制备的试验砖渗透机理相似，炉渣沿气孔向砖中渗透，以玻璃相和钙长石相存在于晶间和气孔中，如图9所示。

图9抗渣试验后刚玉砖试样C5渗透层的显微结构图

　　但不同试样却表现出不同的抗渗透性能：表3给出了不同试样中SiO2的渗透深度，随着砖中烧结刚玉含量的降低，渣的渗透深度呈递增趋势。

　　表3距工作面不同距离基质SiO2含量

　　造成这种结果的原因有两个：一是烧结刚玉含量高的试样显气孔率较低，二是烧结刚玉原料颗粒与基质的结合较好，阻碍了渣向试样中的渗透。

　　3、结论

　　由于烧结刚玉晶粒尺寸较小，颗粒内存在较多量的气孔，有利于扩散传质烧结，部分气孔随着物质的迁移沿着晶界从晶体中排除，造成体积收缩，导致试样烧成线收缩率随烧结刚玉含量的增加而增加，试样的显气孔率随烧结刚玉含量的提高而降低。

　　纯烧结刚玉原料呈细晶结构，强度高，并且烧结活性大，砖中烧结刚玉颗粒与基质间的结合良好，所以机械强度性能随着烧结刚玉的含量上升而上升。

　　静态坩埚抗渣试验结果显示，烧结刚玉能够减缓渣向砖中的渗透，造成这种结果的原因有两个：一是烧结刚玉含量高的试样显气孔率较低，二是烧结刚玉原料颗粒与基质的结合较好，阻碍了渣向砖的渗透。

来源：找耐火材料网