感應(yīng)爐用爐襯的性能研究＊

賈江議 劉漢輝

（1河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 河南 洛陽 471003）（2鄭州金科爐料有限公司 鄭州 450001）

感應(yīng)爐用爐襯的性能研究＊

賈江議1劉漢輝2

（1河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 河南 洛陽 471003）（2鄭州金科爐料有限公司 鄭州 450001）

以試驗(yàn)用石英砂為主要原料，α－Al2O3微粉為燒結(jié)劑，硼酸為助燒劑，按5～1mm、1～0mm、＜0.088mm的顆粒級配進(jìn)行配比，干式搗打成形，并在1 550℃，燒成4h。通過改變α－Al2O3微粉和硼酸加入量，測試和比較了α－Al2O3微粉和硼酸加入量對試樣燒結(jié)后性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：α－Al2O3微粉的適合加入量為3%～4%，硼酸的適合加入量為2%。

石英 α－Al2O3微粉 硼酸 燒結(jié)劑

前言

爐襯作為感應(yīng)爐的重要組成部分，不但直接影響熔煉質(zhì)量，而且還影響到生產(chǎn)成本，因此提高爐料壽命備受廠家重視。石英砂與中性和堿性材料相比，由于其價格低，所以目前以硼酸為燒結(jié)劑的酸性石英干式搗打爐料應(yīng)用廣泛。但由于硼酸的強(qiáng)烈助熔作用，導(dǎo)致爐襯的使用壽命短、熔煉成本高。本研究以α－Al2O3微粉為主要燒結(jié)劑，硼酸為助燒劑，利用α－Al2O3微粉的活性使材料在較低的溫度下反應(yīng)燒結(jié)，并生成性能良好的莫來石，避免了使用單一硼酸作為燒結(jié)劑時產(chǎn)生過多液相的危害作用。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)以石英砂為主要原料，α－Al2O3微粉作為燒結(jié)劑，硼酸為助燒劑，所用原料的化學(xué)成分見表1。

表1 原料化學(xué)成分（質(zhì)量%）

石英骨料顆粒臨界尺寸為5mm，采用三級級配（質(zhì)量%）：按粗顆粒（5～1mm）∶中顆粒（1～0mm）∶細(xì)粉（＜0.088mm）＝40∶30∶30進(jìn)行配比。硼酸和α－Al2O3微粉分別按1%、2%、3%、4%、5%的量加入。把混合均勻的干式料分批次加入到直徑50mm×50mm模具中成形，每次加入厚度約為30mm，逐層加料搗打，搗打完一層后應(yīng)小心地刨松2～3mm，再搗打下一層，以保證兩層之間有良好的結(jié)合性。試樣成形后，在1 550℃，燒成4h，并測試和比較試樣的物理性能（體積密度、線變化率、耐壓強(qiáng)度）。

2 結(jié)果與討論

2.1 硼酸加入量對試樣性能的影響

2.1.1 硼酸加入量對體積密度、線變化率的影響

硼酸加入量對體積密度的影響見圖1。

圖1 硼酸加入量對體積密度的影響

由圖1可知，硼酸加入量小于2%時，隨著硼酸加入量的增加，試樣的體積密度逐漸增加；硼酸含量為2%時，試樣的體積密度達(dá)到最大值。其原因是硼酸在加熱至300℃時分解生成硼酐，反應(yīng)如下：

由SiO2－B2O3系二元相圖［1］（見圖2）可知，生成的B2O3和SiO2在372℃生成低共熔物產(chǎn)生液相，液相充填材料中的氣孔，使材料中的氣孔率降低，結(jié)構(gòu)致密度提高，體積密度增加，使材料在較低的溫度下進(jìn)行燒結(jié)。隨著硼酸加入量的增加，生成的液相量逐漸增加，液相的填充效果逐漸增大，試樣的體積密度也逐漸增加。

圖2 SiO2－B2O3系二元相圖

當(dāng)硼酸加入量超過2%時，由于硼酸加入量過高，材料在高溫產(chǎn)生的液相量過多，引起材料過燒，冷卻形成的玻璃相引起材料的氣孔率增加，導(dǎo)致體積密度下降。

圖3 硼酸加入量對線變化率的影響

試樣燒成時，石英在870℃時轉(zhuǎn)變?yōu)榱资ⅲ殡S著16%的體積膨脹［2］，較大的體積膨脹抵消了液相充填引起的材料收縮，試樣的整體變化表現(xiàn)出膨脹，即線變化率均為正值。硼酸加入量對線變化率的影響如圖3所示。由圖3可知，試樣燒后線變化率的變化趨勢和體積密度的變化趨勢正好相反，基本符合變化規(guī)律。

2.1.2 硼酸加入量對耐壓強(qiáng)度的影響

圖4 硼酸加入量對耐壓強(qiáng)度的影響

從圖4可知，隨著硼酸加入量的增加，材料的耐壓強(qiáng)度先增加后減小。在硼酸含量為4%時，試樣的體耐壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。硼酸在高溫下分解生成的硼酐和石英產(chǎn)生的低共熔液相物是材料燒結(jié)的主要因素。當(dāng)硼酸加入量為4%時，液相量適宜，材料燒結(jié)性能良好；當(dāng)硼酸加入量小于4%時，由于低共熔液相物量較少，材料不能燒結(jié)，試樣結(jié)構(gòu)疏松，耐壓強(qiáng)度較??；當(dāng)硼酸加入量大于4%時，材料在高溫?zé)蓵r，產(chǎn)生的液相量過多，容易出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度下降。

在本研究中以硼酸作為助燒劑，主要作用是利用其能夠和α－Al2O3微粉、石英在材料的燒結(jié)中產(chǎn)生一定的液相量，為莫來石晶相的生成創(chuàng)造條件。綜合考慮，以下實(shí)驗(yàn)將硼酸的加入量定為2%。

2.2 α－Al2O3微粉加入量對試樣性能的影響

2.2.1 α－Al2O3微粉加入量對體積密度的影響

圖5 α－Al2O3微粉加入量對體積密度的影響

從圖5可知，當(dāng)α－Al2O3微粉加入量小于4%時，隨著α－Al2O3微粉加入量的增加，試樣的體積密度不斷增大。其原因是，α－Al2O3微粉顆粒粒徑小，分散性好，可以填充顆粒與顆粒間的空隙（微粉的填充效應(yīng)）。隨著α－Al2O3微粉加入量的增加，材料中的氣孔率逐漸減少，材料致密度逐漸增加，體積密度就逐漸增大；由于α－Al2O3的燒結(jié)作用，適量的α－Al2O3微粉和二氧化硅在1 100℃反應(yīng)生成莫來石的體積膨脹效應(yīng)［3］也可以填充顆粒與顆粒間的空隙，提高體積密度，反應(yīng)如下：

當(dāng)活性Al2O3微粉加入量大于4%時，試樣的體積密度開始變小。當(dāng)α－Al2O3微粉含量超過4%，生成莫來石的量增加，產(chǎn)生更大的體積膨脹，過度的體積膨脹導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疏松，使得體積密度下降。由于過量α－Al2O3微粉的加入，導(dǎo)致微粉的填充效應(yīng)減弱，填充顆粒與顆粒間的空隙后剩余微粉由于拱橋效應(yīng)反而使材料的氣孔率增大，試樣的體積密度減小。

2.2.2 α－Al2O3微粉加入量對線變化率的影響

從圖6可知，試樣的燒后線變化率均呈膨脹現(xiàn)象，隨著α－Al2O3微粉加入量的增加先減小后增大。試樣的燒結(jié)后線變化率普遍高于只加硼酸燒結(jié)劑的試樣，說明有使體積膨脹效應(yīng)的莫來石生成。

圖6 α－Al2O3微粉加入量對線變化率的影響

當(dāng)α－Al2O3微粉加入量小于4%時，隨著其加入量的增加，試樣的燒結(jié)后線變化率不斷減小，膨脹現(xiàn)象逐漸減弱。其原因是當(dāng)α－Al2O3微粉加入量小于4%時，α－Al2O3微粉顆粒細(xì)小，填充性好，促進(jìn)燒結(jié)引起材料結(jié)構(gòu)致密，同時生成少量的莫來石，也只是起填充致密作用，不會引起材料體積的膨脹化；當(dāng)α－Al2O3加入量超過4%時，生成的莫來石量增加，體積膨脹過大，此時莫來石的膨脹效應(yīng)大于填充效應(yīng)，主要表現(xiàn)為由大量莫來石生成所引起的體積膨脹效應(yīng)，使線變化率增大。

2.2.3 α－Al2O3微粉加入量對耐壓強(qiáng)度的影響

圖7 α－Al2O3微粉加入量對耐壓強(qiáng)度的影響

由圖7可知，加入α－Al2O3微粉的試樣其耐壓強(qiáng)度普遍高于只加入硼酸燒結(jié)劑的試樣。試樣總體變化趨勢為：隨著α－Al2O3微粉加入量的增加而逐漸增大，當(dāng)α－Al2O3微粉加入量達(dá)到4%時，耐壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。強(qiáng)度是由材料組織結(jié)構(gòu)決定的，根據(jù)Al2O3－B2O3系二元相圖［4］（見圖8）可知，B2O3在450℃左右與 Al2O3形成不一致熔融化合物2Al2O3·B2O3，該化合物在1 035℃發(fā)生熔融分解，生成液相和一致熔融化合物9Al2O3·2B2O3，其熔點(diǎn)高達(dá)1 965℃。低溫下產(chǎn)生的液相填充作用有利于試樣的燒結(jié)，而高溫下一致熔融化合物9Al2O3·2B2O3的形成可保證材料的高溫性能。同時1 035℃發(fā)生熔融分解生成的液相又能促進(jìn)莫來石生成，伴有的體積膨脹有助于材料結(jié)構(gòu)的致密化和耐壓強(qiáng)度的增大。

當(dāng)α－Al2O3微粉加入量超過4%時，莫來石的生成量可能過多，莫來石的體積膨脹效應(yīng)過大，相應(yīng)就減弱了顆粒與基質(zhì)的結(jié)合程度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)越來越疏松，氣孔率增加，耐壓強(qiáng)度降低。綜合考慮，α－Al2O3微粉的加入量為3%～4%最佳。

圖8 Al2O3－B2O3系二元相圖

3 結(jié)語

1）以硼酸作為燒結(jié)劑，當(dāng)硼酸加入量超過3%時，試樣易出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，綜合性能差。硼酸作助燒劑，主要是為莫來石晶相的析出液相創(chuàng)造條件，加入量為2%較為合適。

2）固定助燒劑硼酸加入量為2%時，加入α－Al2O3微粉。試樣綜合性能優(yōu)于只加入硼酸燒結(jié)劑的試樣，α－Al2O3微粉的合適加入量為3%～4%。

1 陳肇友.從相圖解析干式搗打料.耐火材料，1998，32（1）：45～48

2 王維邦.耐火材料工藝學(xué).北京：冶金工業(yè)出版社，2006

3 王榕林.剛玉低水泥澆注料的研制.河北理工學(xué)院學(xué)報，2003，25（3）：85～89

Study on Properties of the Lining for Induction Furnace

Jia Jiangyi1，Liu Hanhui2（1Mater Science ＆ Engineering College，Henan University of Science ＆ Technology，Henan，Luoyang，471003）（2Zhengzhou Jinke Furnace Charge Co.，Ltd.，Zhengzhou，450001）

In this experiment，quartz is used as main raw materials，α－Al2O3powder as main sintering promoter，boric acid as second sintering promoter.The greatest size of aggregate is 5mm，and the specimens are prepared by dry ramming with graduation：5～1mm，1～0mm，＜0.088mm.After molding samples，the samples are sintered at 1 550℃for 4hours.We investigated and tested properties of the samples with the different addition，α－Al2O3powde and boric acid by sintering at 1 550℃for 4hours.The experiment shows that the appropriate addition of，α－Al2O3powde is 3%～4%，the appropriate addition of boric acid is 2%.

Quartz；α－Al2O3powder；Boric acid；Sintering promoter

TQ174.6＋53

A

1002－2872（2012）02－0031－03

賈江議（1968－），碩士，副教授；主要從事耐火材料的研究。