β-Al2O3熔鑄磚在玻璃窯爐中使用后結(jié)構(gòu)變化的原因分析

商宜農(nóng)，李篤斌，李志軍，周慶忠，金瑞琦，魏坤，段文峰

（淄博旭硝子剛玉材料有限公司 淄博 255200）

1 前言

氧化鋁（化學(xué)式Al2O3）作為一種高硬度、高熔點(diǎn)的材料為人們所熟知，最常用于制造耐火材料。對(duì)于玻璃行業(yè)用耐火材料而言，常見的有α-β熔鑄磚與β-熔鑄磚兩大類，這兩類熔鑄磚的不同之處在于產(chǎn)品內(nèi)α-剛玉相與β-剛玉相的含量不同，典型的晶相比例如表1所示。

前者因具有組織致密、耐侵蝕性強(qiáng)、不污染玻璃液的特性而被用于玻璃窯爐的成型部位，后者則因?yàn)榫哂袑?duì)堿蒸汽優(yōu)越的耐飽和性而被用于上部胸墻、平碹等部位，對(duì)于提高玻璃產(chǎn)品的品質(zhì)都具有重要的作用。目前國(guó)內(nèi)對(duì)α-β熔鑄磚的使用及制造工藝研究較多［1］，但對(duì)β-熔鑄磚使用及制造工藝很少涉及，但隨著對(duì)玻璃質(zhì)量要求的提高，β-熔鑄磚的使用范圍逐漸擴(kuò)大，從最初的工作池平碹部位，逐步擴(kuò)大到熔化池胸墻等部位，平碹部位因溫度低，以純堿蒸汽侵蝕為主且已經(jīng)有成熟的經(jīng)驗(yàn)，不需要特別關(guān)注。而在熔化池胸墻等部位的使用才剛剛開始，因此需要對(duì)其使用效果進(jìn)行系統(tǒng)的研究，以確認(rèn)該類材料在使用前后結(jié)構(gòu)的變化，優(yōu)化制造工藝，確定今后改善的方向，更好的適應(yīng)玻璃窯爐的需求。

表1 晶相比例

2 試驗(yàn)方法

將Al2O3含量＞99%的氧化鋁粉與堿粉按照一定比例混合后加入到三相電弧爐中，在電弧熔融后澆鑄到事先組裝好的黑鉛或者剛玉砂型中，經(jīng)過(guò)在保溫箱中的冷卻退火后取出，采用金剛石加工成所需要的產(chǎn)品形狀。將該產(chǎn)品使用在超白玻璃窯爐胸墻部位，第3對(duì)小爐之后，使用時(shí)間為8～9年。在玻璃窯爐停窯后進(jìn)行觀察，確認(rèn)β-熔鑄磚表面形態(tài)的變化，并對(duì)使用后的表面進(jìn)行取樣，進(jìn)行晶相、顯微結(jié)構(gòu)的分析，對(duì)比通常產(chǎn)品的成分與顯微結(jié)構(gòu)，由此推斷產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化的原因，推測(cè)改善方向。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 表面形態(tài)變化

使用前的β-熔鑄磚表面較為平整，呈現(xiàn)淺淺的草綠色；使用后β-熔鑄磚呈現(xiàn)出淺紅色，表面發(fā)生了膨脹與裂紋，而且發(fā)生了層裂的現(xiàn)象，如圖1，2所示：

3.2 晶相變化

取通常β-熔鑄磚與使用后熔鑄磚表面相同位置進(jìn)行晶相測(cè)定，所用儀器為Rigaku MultiFlex型衍射儀及X-ray熒光分析儀，分析計(jì)算結(jié)果見表2。

圖1 使用前β-熔鑄磚表面

圖2 使用后β-熔鑄磚表面

從表1結(jié)果看，使用后β-熔鑄磚表面發(fā)生了一定程度的晶相變化，有1/4～1/3左右的β-剛玉相轉(zhuǎn)變成了α-剛玉相，這是一個(gè)值得注意的變化。

3.3 顯微結(jié)構(gòu)分析

取通常β-熔鑄磚與使用后熔鑄磚表面相同位置進(jìn)行制樣，并對(duì)樣品進(jìn)行研磨，研磨后進(jìn)行顯微組織結(jié)構(gòu)觀察，結(jié)果圖3，圖4所示：

表2 β-熔鑄磚和使用后熔鑄磚的晶相測(cè)定結(jié)果

圖3 通常的β-熔鑄磚表面

圖4 使用后β-熔鑄磚表面

使用后β-熔鑄磚表面晶型分布情況發(fā)生了變化，雖然還是一些粗大的結(jié)晶，但其間部分變?yōu)榱甩?剛玉相

3.4 討論

從表面狀態(tài)、晶相構(gòu)成及顯微結(jié)構(gòu)分析結(jié)果來(lái)看，經(jīng)過(guò)窯爐使用后，β-熔鑄磚中部分β-剛玉相發(fā)生了β-Al2O3到α-Al2O3的轉(zhuǎn)變，窯爐中熔化部胸墻部位溫度大概在1500～1600℃之間，氣氛以水蒸氣、堿蒸汽為主，反應(yīng)如下：

Na2O·11Al2O3→ 11Al2O3+Na2O↑

根據(jù)相關(guān)資料［2］，β -Al2O3的理論密度為3.31g/cm3,α-Al2O3的理論密度為3.97g/cm3,因此在發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)會(huì)有約17%的體積收縮，推測(cè)是這種收縮導(dǎo)致β-熔鑄磚在使用后發(fā)生了表面的膨脹與裂紋。

對(duì)于這種因?yàn)榫嘧兓鴮?dǎo)致的收縮需要在耐材使用過(guò)程中加以注意，防止出現(xiàn)大量層裂的現(xiàn)象，影響窯爐的使用壽命，因此在β-熔鑄磚制造過(guò)程中要加以優(yōu)化，例如減少表面一定厚度范圍內(nèi)的β-剛玉相的含量，降低β-剛玉相轉(zhuǎn)化α-剛玉相的概率，這樣就可以減少熔鑄磚表面的收縮，從而確保使用效果。而為達(dá)到晶型轉(zhuǎn)化的目的，需要對(duì)熔鑄磚的成分、澆鑄溫度、保溫加工方式等進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，這些與具體的工藝相關(guān)，因不同企業(yè)的工藝不盡相同，因此不再詳細(xì)討論。

4 結(jié)論

在1500～1600℃使用條件下，經(jīng)過(guò)窯爐中胸墻部位使用后，β-熔鑄磚中部分β-剛玉相轉(zhuǎn)變成α-剛玉相，這種轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致β-熔鑄磚發(fā)生層裂，影響使用效果，因此需要在制造工藝中加以優(yōu)化調(diào)整。