[科普中国]-刚玉耐火材料

简介

传统隔热耐火材料的强度、抗侵蚀能力和耐磨性均较差，一般不直接用做工作面，而是放在工作面后面作为保温层，但隔热耐火材料越靠近工作面，它的隔热节能效果越好。随着对节能降耗要求的提高，对于能在工作面直接使用的高强度、耐高温、抗侵蚀隔热耐火材料的开发研究日益受到人们的重视。对材料中的气孔进行微细化结构设计有望成为开发该种材料的重要途径之一。朱伯铨等在对致密刚玉质浇注料气孔孔径分布的研究时发现：浇注料中的微细气孔不仅与浇注料强度间具有很高的相关性，而且对浇注料热导率的影响十分显著；

在保持浇注料显气孔率不变的条件下，适当提高材料中微孔的比例能显著提高材料的强度，降低材料的热导率。宋木森等研究表明：当耐火材料中气孔的平均孔径小于0.1m，且小于1m 的孔容积率达到85%时，将有效阻止铁水渗透；因此，在材料中形成大量亚微米级和纳米级气孔可显著降低材料的热导率，提高耐火材料的使用性能。

以板状刚玉骨料及细粉、活性α-Al₂O₃ 微粉和ρ-Al₂O₃微粉为主要原料，通过引入不同含量纳米Al₂O₃ 做添加剂，利用α-Al₂O₃ 微粉的水化产物在脱水后可产生大量微孔的机理以及纳米Al₂O₃ 对气孔的细化作用，在样品中形成大量亚微米级和纳米级气孔，制备出有较高强度和较低热导率的刚玉质微孔耐火材料。研究了纳米Al₂O₃ 添加量对刚玉质微孔耐火材料常规物理性能和导热性能的影响规律1。

材料制备所用原料为板状刚玉骨料(粒度为0.088～1.000mm，纯度≥99.41%)及细粉[粒度分别为0.045～0.088 mm 和小于0.045 mm，纯度≥99.41%]、活性α-Al₂O₃3 微粉[d50= 1.75 μm，纯度≥99.49%]、ρ-Al₂O₃微粉[d50= 1.5 μm，纯度≥86.52%，烧损≤12.78%]和纳米Al₂O₃[主晶相为α-Al₂O₃，纯度≥99.99%，d50= 50 nm，比表面积为14 m2/g]。聚乙二醇(FS10)为减水剂。

按照粒度为0.088～1.000 mm 的板状刚玉骨料为42% (质量分数，下同)，粒度为0.045～0.088 mm的板状刚玉细粉为18%，粒度小于0.045 mm 的板状刚玉细粉为24%，活性α-Al₂O₃ 微粉为9%，ρ-Al₂O₃微粉为7%的配比进行配料，并外加0.18%的FS10、8%的水和不同质量分数(0、0.5%、1.0%和1.5%)的纳米Al2O3 粉体。为提高纳米Al₂O₃ 在样品中分散的均匀性，先将纳米Al₂O₃ 溶于水中，然后将混合液在超声波中振荡3 min，配成均匀的悬浮液，再将悬浮液加入到混合料中进行搅拌、振动并浇注成型为25 mm×25 mm×140 mm和180mm×20 mm的样品。样品经养护、脱模后于烘箱中在110℃干燥24 h，然后在1500 ℃热处理3 h。

刚玉质耐火材料高温耐冲蚀磨损性能1.水泥加入量对刚玉质耐火材料冲蚀磨损率的影响

随着水泥加入量的增加, 刚玉质耐火材料的冲蚀磨损率增大, 耐磨性能降低。水泥加入量为6% 的3# 试样冲蚀磨损后的SEM 照片。试样前端的基质已经十分疏松, 并在基质和刚玉颗粒之间出现了裂纹, 这进一步说明水泥加入量为6%时的冲蚀磨损较严重。

这可能是由于1500 ℃烧后, 试样中纯铝酸钙水泥所形成的主要物相CA、Al₂O₃、少量的CA6、C₂A 以及水泥所带入的CaO 与配料中的S iO₂和Al₂O₃反应生成的低熔点矿物钙长石( CAS₂)或钙铝黄长石( C₂AS)等随着水泥加入量的增加而增加, 从而导致基质的中、高温强度和抗冲蚀性下降。此外, 中温时, 铝酸钙水化物在脱水和分解过程中使水合键遭到破坏, 导致刚玉质耐火材料强度显著降低, 也会导致材料的耐冲蚀磨损性下降2。

2.硅微粉加入量对刚玉质耐火材料冲蚀磨损率的影响

随着硅微粉加入量的增加, 刚玉质耐火材料的冲蚀磨损率减小, 耐磨性能提高, 且加入量> 3% 时冲蚀磨损率降幅较小。

随着冲蚀时间的延长, 裂纹不断扩展, 导致裂纹所包围的整块材料脱落时材料的切面呈锯齿状。

在试样中加入少量的S iO₂ 微粉于1500℃烧后会形成液相, 促进了试样的烧结, 使材料的显气孔率也随之降低, 结构更加致密, 试样强度提高, 所以会降低冲蚀磨损率; 而且基质中的物相主要为莫来石和刚玉,也增加了材料的耐磨损性能。综合考虑, 确定硅微粉加入量为3%。

3.冲蚀温度对刚玉质耐火材料冲蚀磨损率的影响

随着冲蚀温度的升高, 几种刚玉质耐火材料的冲蚀磨损率均逐渐增大, 在1000℃左右达到最大; 继续升高温度, 刚玉质耐火材料的冲蚀磨损率反而降低。材料的冲蚀磨损存在两种典型的冲蚀模型: 塑性冲蚀和脆性冲蚀。

低温下刚玉质耐火材料的韧性相对很低, 体现了脆性冲蚀的特点。但达到某高温时就会出现少量的玻璃相, 这种玻璃相在高温下具有较高的粘性, 它能够松弛应力集中, 提高断裂韧性, 从而使刚玉质耐火材料表现出一定的塑性, 明显改善其脆性。

4.冲蚀角和磨料粒度对刚玉质耐火材料冲蚀磨损率的影响

在30~60°范围内, 随着冲蚀角的增大,不同粒度的磨粒对刚玉质耐火材料的冲蚀磨损率均随之增大,且冲蚀角在45~ 60°之间时, 其冲蚀磨损率迅速增大,这表明冲蚀磨损机制发生了转变。从能量角度看, 当粒子冲击到靶面时, 材料的冲蚀是由垂直方向的冲击和水平方向的切削造成的。当入射角度小, 入射速度在垂直方向的分量就小, 入射粒子在垂直方向的动能分量导致的脆性材料的裂纹扩展和交叉也少。由于刚玉质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冲蚀是比较低的。随着入射角度的增大, 法向冲击不断增大, 使材料表面或亚表面形成裂纹, 裂纹在后序磨粒的持续作用下扩展, 最终导致基质的流失。

此外,在同一冲蚀角下, 冲蚀磨损率随磨粒尺寸的增大而增大。这是由于磨粒尺寸大,其冲击动能也大, 冲击靶面的应力也增大, 即增加了外表面的变形量, 使得外表层颗粒脱落速率加快, 冲蚀磨损率增加。

从切削留下的沟槽的显微照片可以看出: 刚玉质耐火材料在低冲蚀角时, 由于磨粒的硬度比基质的硬度高, 角状的磨粒易对基质切削留槽。随着冲击角度的增加, 由于样块基质吸收了冲击粒子大部分的能量, 塑性迅速耗尽。磨粒的大部分动能转化为材料的弹性功、塑性功和裂纹扩展功; 随着变形量的增大, 将导致微裂纹的成核、扩展, 最终引起颗粒脱落。冲击能量的增大, 会诱发亚表层、甚至更深层的微裂纹张大、扩展。

总结( 1)刚玉质材料的抗冲蚀性能与水泥加入量密切相关, 水泥加入量越多, 材料的耐磨性能越差, 最终确定为2%。

( 2)加入少量硅微粉有利于提高刚玉质耐火材料的抗冲蚀能力, 以3% 为宜。

( 3)随着冲蚀温度的升高, 刚玉质耐火材料的冲蚀磨损率逐渐增大, 在1000℃左右达到最大, 继续升高温度, 冲蚀磨损率反而降低。

( 4)刚玉质耐火材料的冲蚀磨损一般表现为较强的脆性冲蚀特征, 其冲蚀磨损率随冲蚀角的增大而增大; 在同一冲蚀角下, 大粒度磨粒对刚玉质耐火材料冲蚀磨损的影响要比小粒度磨粒大3。