氧化鎂加入量對鋁鎂質干式搗打料性能的影響

丁雙雙，祝洪喜，鄧承繼，張小軍

(武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，武漢　430081)

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氧化鎂加入量對鋁鎂質干式搗打料性能的影響

丁雙雙，祝洪喜，鄧承繼，張小軍

(武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，武漢430081)

以不同粒度的白剛玉、α-Al2O3微粉以及電熔鎂砂為原料，硼酸為結合劑，手工搗打制備試樣；研究鎂砂加入量對經高溫熱處理后試樣的物相變化、顯微形貌以及力學性能的影響，以優(yōu)化鋁鎂質干式搗打料中鎂砂的加入量。結果表明：手工搗打試樣經過1600 ℃燒后，氧化鎂加入量為6wt%時試樣的性能較優(yōu)異，反應生成的鋁鎂尖晶石較多，其晶粒尺寸約為8μm，大部分尖晶石結晶完整，呈現(xiàn)較規(guī)則的形狀。

干式搗打料； 氧化鎂加入量； 鋁鎂尖晶石； 微觀結構

1　引　言

目前，感應爐在金屬冶煉、機械制造方面的應用越來越廣泛。感應爐的爐襯是其重要組成部分，在冶煉過程中，爐襯本身承受著機械沖刷、高溫及化學侵蝕等作用，使用壽命短，無法完全滿足高溫工業(yè)的需求[1]。由于施工方便、成本低等優(yōu)點，不定形耐火材料應用越來越廣泛[2]。感應爐的爐襯現(xiàn)在主要是由不定形耐火材料采用干式搗打的方法施工、經過燒結制得的。

現(xiàn)在的冶煉環(huán)境一般為堿性環(huán)境，采用酸式搗打料會影響到感應爐爐襯的使用壽命。剛玉熱態(tài)穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)小，具有優(yōu)良的抗侵蝕性能，但剛玉質干式搗打料還存在著冶煉爐次低，燒結性及膨脹性不易控制等缺點，會導致爐襯開裂等問題，加入一定量的鎂砂可以抑制剛玉質爐襯的龜裂[3]。鎂質材料具有良好的抗渣侵蝕性，但易被熔渣滲透，導致結構剝落，加入適量的尖晶石或者加入鎂砂原位合成尖晶石有利于提高材料抗渣滲透能力，抑制或減少結構剝落。

當前對干式搗打料的研究主要集中在干式搗打料的顆粒級配、原料、結合劑、燒結劑[4,5]、添加劑[6]等方面研究，也有根據(jù)優(yōu)化的結果再結合探索好的筑爐工藝、爐襯結構來提高感應爐的使用壽命的研究報道[7-9]。本文主要研究氧化鎂加入量對鋁鎂質干式搗打料性能的影響，為感應爐用干式搗打料的開發(fā)提供參考。

2　實　驗

實驗采用5～3mm、3～1mm、≤1mm和≤0.074mm粒度的白剛玉和電熔鎂砂(≤0.088mm)為主要原料，工業(yè)級純度的α-Al2O3微粉為助燒劑，硼酸作為結合劑。鋁鎂質干式搗打料的配比組成見表1。按表1的配比準確稱料，干混均勻后導入模具中手工搗打成型。將成型好的試樣在1600 ℃下保溫3h后脫模。

表1　試樣配料組成

1600 ℃燒后冷卻的試樣分別按GB/T5988-2007、GB/T2997-2000和GB/T5027-2008分別測量永久線變化、顯氣孔率和耐壓強度。用X射線衍射儀(荷蘭PANalytical(帕納科)分析儀器公司生產，CuKα靶)進行物相分析，用場發(fā)射掃描電鏡(荷蘭FEI公司制造，型號為XL30TMP。能譜儀則采用的是美國EDAX公司制定型號為PHDEMX的能譜儀)觀察試樣的形貌結構。耐壓強度的測試則是采用型號為WAW-500C的微機控制電液伺服萬能試驗機，其試驗力區(qū)間在0～500kN之間。

3　結果與討論

圖1為不同鎂砂細粉加入量試樣在1600 ℃燒后的物理性能。圖1a表明：隨著鎂砂細粉加入量的增加，試樣在1600 ℃燒后的顯氣孔率呈現(xiàn)上升的趨勢。圖1b說明隨著鎂砂細粉加入量的增加，試樣在1600 ℃燒后的體積密度呈現(xiàn)下降的趨勢。圖1c顯示：當試樣中未加入鎂砂時線變化率最小，鎂砂加入量為3wt%～9wt%時試樣的線變化率微弱上升，當鎂砂加入量高于9wt%時試樣的線變化率急劇上升，其中鎂砂加入量為15wt%時線變化率最大，大體呈現(xiàn)上升趨勢。圖1d說明試樣的耐壓強度隨鎂砂加入量的增加呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢，鎂砂加入量為6wt%時試樣的耐壓強度最大。這是因為當試樣中外加一定量鎂砂后，高溫下生成鋁鎂尖晶石，伴隨的體積膨脹會填充部分氣孔，使試樣的顯氣孔率下降、體積密度上升；當鎂砂加入過量后，生成的鋁鎂尖晶石含量增加，產生的體積膨脹效應反而會使試樣的顯氣孔率增加，體積密度下降。隨著鎂砂加入量的增加，試樣生成的鋁鎂尖晶石先是部分填充試樣原來的氣孔，生成的鋁鎂尖晶石構成骨架，使試樣的強度增加，隨著生成鋁鎂尖晶石量的增加，原料的分布不均，生成的鎂鋁尖晶石會雜亂無章，使試樣顯氣孔率增大，結構變得疏松，這會使試樣的耐壓強度下降，因而試樣的耐壓強度呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢?；谝陨戏治?，當鎂砂加入量為6wt%時試樣的性能較為優(yōu)異。

圖1　不同鎂砂細粉加入量試樣在1600 ℃燒后的物理性能：(a)顯氣孔率；(b)體積密度；(c)線變化率；(d)耐壓強度Fig.1　Physical properties of the samples with different addition of magnesia powder sintered at 1600 ℃ (a)apparent porosity;(b)bulk density;(c)linear change;(d)compressive strength

圖2為加入不同含量的鎂砂的試樣在1600 ℃燒后的XRD圖譜。由于XRD測試條件相同，物相組成相同，所以可以定性認為：隨著鎂砂細粉加入量的增加，剛玉相所對應的衍射峰相對強度降低，鋁鎂尖晶石相的衍射峰強度增加。這表明隨著鎂砂細粉加入量的增加，生成的鋁鎂尖晶石的量越來越大。當加入的鎂砂細粉量較少時，生成的鎂鋁尖晶石產生的體積膨脹會抵消原試樣中的氣孔以及生成鎂鋁尖晶石時產生的氣孔，使試樣的顯氣孔率下降，但當鎂砂細粉的加入量繼續(xù)增加，產生的體積膨脹過大，使試樣顯氣孔率增大，致密度下降。這與前面的分析是一致的。

圖2　不同鎂砂細粉加入量試樣在1600 ℃燒后的XRD圖譜Fig.2　XRD patterns of the sample with different addition of magnesia powder sintered at 1600 ℃

圖3為鎂砂細粉加入量為6wt%的試樣在1600 ℃燒后的SEM照片。從圖中可以看到原料在高溫下反應生成的鋁鎂尖晶石比較密集，部分鋁鎂尖晶石的結晶比較規(guī)則，棱角分明，其尺寸在8μm左右。還有一部分鋁鎂尖晶石結晶不太好，表現(xiàn)為無規(guī)則形狀，而不是較為規(guī)則的正八面體。試樣燒后有許多的氣孔存在，這些孔洞應該是反應消耗的鎂砂、原來試樣中的孔洞，低熔點物質揮發(fā)所形成的。試樣中以顆粒較大的剛玉為骨架，細粉以及部分顆粒較小的剛玉參與反應生成鋁鎂尖晶石。這些尖晶石在孔洞或細粉較多處生成并結晶長大。

圖3　鎂砂細粉加入量為6wt%的試樣在1600 ℃燒后的SEM照片及能譜圖Fig.3　SEM images and EDS of the samples with 6wt% MgO powder addition sintered at 1600 ℃

表2為不同鎂砂加入量試樣物相采用XRD內標法半定量分析結果。從表中可以看出，隨著鎂砂加入量的增加，試樣燒成后的MgAl2O4相的也在增加。按照鎂鋁尖晶石的中Al2O3/MgO的比例計算可以知道，在試樣中鎂砂的加入量>9wt%的時候，試樣燒后的MgAl2O4相中會固溶一部分Al2O3，并且隨著氧化鎂加入量的增加，固溶Al2O3的量也會增加。

表2　不同鎂砂加入量的試樣在1600 ℃燒后的XRD物相半定量分析表

圖4為其它鎂砂加入量試樣在1600 ℃燒后的SEM照片及部分能譜圖。從圖中可以看出，隨著鎂砂加入量的增加，生成的鎂鋁尖晶石的晶粒尺寸逐漸變大，晶粒變得越來越不規(guī)則。生成的鎂鋁尖晶石的分布不均勻以及形狀的無規(guī)則性和顆粒粒度的變大都會會使試樣的顯氣孔率上升，體積密度下降，耐壓強度降低，線變化率變大。

圖4　不同鎂砂細粉加入量的試樣在1600 ℃燒后的SEM照片及能譜圖(a)3wt%；(b)9wt%；(c)12wt%；(d)15wt%Fig.4　SEM images and EDS of the samples with other addition of magnesia powder sintered at 1600 ℃

4　結　論

在鋁鎂質干式搗打料中，加入鎂砂細粉有合理加入量。當氧化鎂加入量為6wt%時，干式搗打試樣的性能較為優(yōu)異。試樣高溫下反應生成了密集的鋁鎂尖晶石，絕大部分的鋁鎂尖晶石結晶比較好，呈現(xiàn)規(guī)則的八面體形狀，晶粒尺寸在8μm左右。

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EffectofMagnesiaContentonPropertiesofAl2O3-MgODryRammingMaterials

DING Shuang-shuang,ZHU Hong-xi,DENG Cheng-ji,ZHANG Xiao-jun

(TheStateKeyLaboratoryofRefractoriesandMetallurgy,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,China)

Theappropriateamountofmagnesiaaddingtothealuminum-magnesiumdryrammingmaterialshadoptimizedthroughtheanalysisoftheeffectofmagnesiaamounttothephasechange,microscopicmorphologyandmechanicalpropertiesofthesinteredsamplesusedthedifferentsizesofwhitecorundum,α-Al2O3powderandfusedmagnesiaastherawmaterials,boricacidasabindingagentandusingahand-rammingmoldingmethodtokeepitsshape.Forthesamplesbymanualrammingformingsinteredat1600 ℃,theappropriateamountmagnesiumadditionwas6wt%,andthereactioninthesinteredsampleshadgeneratedagreateramountofmagnesiumaluminiumspinelofwhichtheirsizeswereabout8μm.Themostofspinelcrystalshavecrystallizedintact,andarelativelyregularshape.

dryrammingmaterials;additionamountofmagnesia;magnesiumaluminiumspinel;microstructure

國家自然科學基金(51574187)

丁雙雙(1989-)，男，碩士研究生.主要從事耐火材料領域的研究.

祝洪喜，教授.

TU54

A

1001-1625(2016)01-0034-05