剛玉耐火材料

剛玉耐火材料是指含Al₂O₃ 90%以上，主晶相為α-Al₂O₃（剛玉）的耐火材料。由於它具有耐高溫、硬度大、強度高、抗氧化、電絕緣、氣密性好等優良性能，因此隨著現代科學技術的發展，套用範圍越來越大。

基本介紹

• 中文名：剛玉耐火材料
• 外文名：Corundum refractory
• 學科：冶金工程
• 領域：冶煉
• 特點：高強度、耐高溫、抗侵蝕隔熱耐火
• 重點：高溫耐沖蝕磨損性能

角色

傳統隔熱耐火材料的強度、抗侵蝕能力和耐磨性均較差，一般不直接用做工作面，而是放在工作面後面作為保溫層，但隔熱耐火材料越靠近工作面，它的隔熱節能效果越好。隨著對節能降耗要求的提高，對於能在工作面直接使用的高強度、耐高溫、抗侵蝕隔熱耐火材料的開發研究日益受到人們的重視。對材料中的氣孔進行微細化結構設計有望成為開發該種材料的重要途徑之一。朱伯銓等在對緻密剛玉質澆注料氣孔孔徑分布的研究時發現：澆注料中的微細氣孔不僅與澆注料強度間具有很高的相關性，而且對澆注料熱導率的影響十分顯著；

在保持澆注料顯氣孔率不變的條件下，適當提高材料中微孔的比例能顯著提高材料的強度，降低材料的熱導率。宋木森等研究表明：當耐火材料中氣孔的平均孔徑小於0.1m，且小於1m 的孔容積率達到85%時，將有效阻止鐵水滲透；因此，在材料中形成大量亞微米級和納米級氣孔可顯著降低材料的熱導率，提高耐火材料的使用性能。

以板狀剛玉骨料及細粉、活性α-Al₂O₃ 微粉和ρ-Al₂O₃微粉為主要原料，通過引入不同含量納米Al₂O₃ 做添加劑，利用α-Al₂O₃ 微粉的水化產物在脫水後可產生大量微孔的機理以及納米Al₂O₃ 對氣孔的細化作用，在樣品中形成大量亞微米級和納米級氣孔，製備出有較高強度和較低熱導率的剛玉質微孔耐火材料。研究了納米Al₂O₃ 添加量對剛玉質微孔耐火材料常規物理性能和導熱性能的影響規律。

材料製備

所用原料為板狀剛玉骨料(粒度為0.088～1.000mm，純度≥99.41%)及細粉[粒度分別為0.045～0.088 mm 和小於0.045 mm，純度≥99.41%]、活性α-Al₂O₃3 微粉[d50= 1.75 μm，純度≥99.49%]、ρ-Al₂O₃微粉[d50= 1.5 μm，純度≥86.52%，燒損≤12.78%]和納米Al₂O₃[主晶相為α-Al₂O₃，純度≥99.99%，d50= 50 nm，比表面積為14 m2/g]。聚乙二醇(FS10)為減水劑。

按照粒度為0.088～1.000 mm 的板狀剛玉骨料為42% (質量分數，下同)，粒度為0.045～0.088 mm的板狀剛玉細粉為18%，粒度小於0.045 mm 的板狀剛玉細粉為24%，活性α-Al₂O₃ 微粉為9%，ρ-Al₂O₃微粉為7%的配比進行配料，並外加0.18%的FS10、8%的水和不同質量分數(0、0.5%、1.0%和1.5%)的納米Al2O3 粉體。為提高納米Al₂O₃ 在樣品中分散的均勻性，先將納米Al₂O₃ 溶於水中，然後將混合液在超音波中振盪3 min，配成均勻的懸浮液，再將懸浮液加入到混合料中進行攪拌、振動並澆注成型為25 mm×25 mm×140 mm和180mm×20 mm的樣品。樣品經養護、脫模後於烘箱中在110℃乾燥24 h，然後在1500 ℃熱處理3 h。

性能

1.水泥加入量對剛玉質耐火材料沖蝕磨損率的影響

隨著水泥加入量的增加, 剛玉質耐火材料的沖蝕磨損率增大, 耐磨性能降低。水泥加入量為6% 的3# 試樣沖蝕磨損後的SEM 照片。試樣前端的基質已經十分疏鬆, 並在基質和剛玉顆粒之間出現了裂紋, 這進一步說明水泥加入量為6%時的沖蝕磨損較嚴重。

這可能是由於1500 ℃燒後, 試樣中純鋁酸鈣水泥所形成的主要物相CA、Al₂O₃、少量的CA6、C₂A 以及水泥所帶入的CaO 與配料中的S iO₂和Al₂O₃反應生成的低熔點礦物鈣長石( CAS₂)或鈣鋁黃長石( C₂AS)等隨著水泥加入量的增加而增加, 從而導致基質的中、高溫強度和抗沖蝕性下降。此外, 中溫時, 鋁酸鈣水化物在脫水和分解過程中使水合鍵遭到破壞, 導致剛玉質耐火材料強度顯著降低, 也會導致材料的耐沖蝕磨損性下降。

2.矽微粉加入量對剛玉質耐火材料沖蝕磨損率的影響

隨著矽微粉加入量的增加, 剛玉質耐火材料的沖蝕磨損率減小, 耐磨性能提高, 且加入量> 3% 時沖蝕磨損率降幅較小。

隨著沖蝕時間的延長, 裂紋不斷擴展, 導致裂紋所包圍的整塊材料脫落時材料的切面呈鋸齒狀。

在試樣中加入少量的S iO₂ 微粉於1500℃燒後會形成液相, 促進了試樣的燒結, 使材料的顯氣孔率也隨之降低, 結構更加緻密, 試樣強度提高, 所以會降低沖蝕磨損率; 而且基質中的物相主要為莫來石和剛玉,也增加了材料的耐磨損性能。綜合考慮, 確定矽微粉加入量為3%。

3.沖蝕溫度對剛玉質耐火材料沖蝕磨損率的影響

隨著沖蝕溫度的升高, 幾種剛玉質耐火材料的沖蝕磨損率均逐漸增大, 在1000℃左右達到最大; 繼續升高溫度, 剛玉質耐火材料的沖蝕磨損率反而降低。材料的沖蝕磨損存在兩種典型的沖蝕模型: 塑性沖蝕和脆性沖蝕。

低溫下剛玉質耐火材料的韌性相對很低, 體現了脆性沖蝕的特點。但達到某高溫時就會出現少量的玻璃相, 這種玻璃相在高溫下具有較高的粘性, 它能夠鬆弛應力集中, 提高斷裂韌性, 從而使剛玉質耐火材料表現出一定的塑性, 明顯改善其脆性。

4.沖蝕角和磨料粒度對剛玉質耐火材料沖蝕磨損率的影響

在30~60°範圍內, 隨著沖蝕角的增大,不同粒度的磨粒對剛玉質耐火材料的沖蝕磨損率均隨之增大,且沖蝕角在45~ 60°之間時, 其沖蝕磨損率迅速增大,這表明沖蝕磨損機制發生了轉變。從能量角度看, 當粒子衝擊到靶面時, 材料的沖蝕是由垂直方向的衝擊和水平方向的切削造成的。當入射角度小, 入射速度在垂直方向的分量就小, 入射粒子在垂直方向的動能分量導致的脆性材料的裂紋擴展和交叉也少。由於剛玉質耐火材料一般具有高硬度, 所以由粒子水平方向上切削造成的沖蝕是比較低的。隨著入射角度的增大, 法向衝擊不斷增大, 使材料表面或亞表面形成裂紋, 裂紋在後序磨粒的持續作用下擴展, 最終導致基質的流失。

此外,在同一衝蝕角下, 沖蝕磨損率隨磨粒尺寸的增大而增大。這是由於磨粒尺寸大,其衝擊動能也大, 衝擊靶面的應力也增大, 即增加了外表面的變形量, 使得外表層顆粒脫落速率加快, 沖蝕磨損率增加。

從切削留下的溝槽的顯微照片可以看出: 剛玉質耐火材料在低沖蝕角時, 由於磨粒的硬度比基質的硬度高, 角狀的磨粒易對基質切削留槽。隨著衝擊角度的增加, 由於樣塊基質吸收了衝擊粒子大部分的能量, 塑性迅速耗盡。磨粒的大部分動能轉化為材料的彈性功、塑性功和裂紋擴展功; 隨著變形量的增大, 將導致微裂紋的成核、擴展, 最終引起顆粒脫落。衝擊能量的增大, 會誘發亞表層、甚至更深層的微裂紋張大、擴展。

總結

( 1)剛玉質材料的抗沖蝕性能與水泥加入量密切相關, 水泥加入量越多, 材料的耐磨性能越差, 最終確定為2%。

( 2)加入少量矽微粉有利於提高剛玉質耐火材料的抗沖蝕能力, 以3% 為宜。

( 3)隨著沖蝕溫度的升高, 剛玉質耐火材料的沖蝕磨損率逐漸增大, 在1000℃左右達到最大, 繼續升高溫度, 沖蝕磨損率反而降低。

( 4)剛玉質耐火材料的沖蝕磨損一般表現為較強的脆性沖蝕特徵, 其沖蝕磨損率隨沖蝕角的增大而增大; 在同一衝蝕角下, 大粒度磨粒對剛玉質耐火材料沖蝕磨損的影響要比小粒度磨粒大。