溫度對AZS33#磚耐玻璃液侵蝕的影響

郭麗華 郭利波 沈潔 劉學(xué)理

（浮法玻璃新技術(shù)國家重點實驗室 中國洛陽浮法玻璃集團有限責(zé)任公司技術(shù)中心洛陽 471009）

0 引言

電熔AZS33#磚用氧化鋁粉和鋯英砂（含65%氧化鋯和34%二氧化硅）在電爐內(nèi)熔化后注入模具冷卻成型，巖相結(jié)構(gòu)由剛玉與斜鋯石的共析體和玻璃相組成，相學(xué)上稱為剛玉相和斜鋯石相共析體，玻璃相填充于它們的結(jié)晶之間［1］。由Al2O3、 ZrO2、 SiO2為主要成分（表1）的電熔鋯剛玉磚耐火材料，簡稱為AZS磚。由于AZS磚具有良好的耐玻璃液侵蝕能力，所以廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品的玻璃窯爐中。

表1 AZS33#磚的主要成分 %

本文研究普通鈉鈣硅玻璃液對電熔AZS33#磚的動態(tài)侵蝕過程，重點討論侵蝕溫度、侵蝕時間與侵蝕速率的相互關(guān)系。

1 實驗

1.1 試樣制備

1.1.1 鋯剛玉棒試樣制備

本次進行鋯剛玉磚的動態(tài)侵蝕試驗選用的是33#鋯剛玉磚，原磚的尺寸是400 mm×400 mm×75 mm，首先進行鋯剛玉磚的切割，切割成35 mm×35 mm×230 mm的條狀。然后進行鋯剛玉磚的磨削、拋光和鉆孔加工，最終加工完后的鋯剛玉棒見圖1。

圖1 鋯剛玉棒

1.1.2 浮法玻璃試樣制備

選用洛玻公司生產(chǎn)的5 mm厚透明平板玻璃，無氣泡、結(jié)石等缺陷，配方見表2。切割成寬約10 mm，長約20 mm的玻璃塊。

表2 浮法玻璃配方化學(xué)組成 %

1.2 實驗方案

實驗方案如圖2所示。

圖2 玻璃液對鋯剛玉磚侵蝕實驗方案

1.3 實驗方法

采用洛陽北苑耐材廠生產(chǎn)的石英坩堝，把鋯剛玉棒放入裝有適量玻璃液的坩堝中，在動態(tài)侵蝕爐的作用下，使鋯剛玉棒在玻璃液中旋轉(zhuǎn)攪拌侵蝕。本次動態(tài)侵蝕實驗分別做了同一旋轉(zhuǎn)速度（沖刷速度12 rpm）同一侵蝕時間（48 h）, 不同玻璃液溫度（1550 ℃, 1500 ℃, 1450 ℃），共計3次實驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗

首先用電子秤稱量2.5 kg碎玻璃放入指定的石英坩堝內(nèi)，把裝好碎玻璃的坩堝放入動態(tài)侵蝕試驗爐中。安裝鋯剛玉棒，并把鋯剛玉棒升至爐膛內(nèi)最高工位。設(shè)置試驗爐升溫曲線（1450 ℃，1500 ℃，1550 ℃），通電開啟試驗爐，同時啟動鋯剛玉棒的旋轉(zhuǎn)按鈕，使其轉(zhuǎn)速在12 rpm。按試驗爐的升溫曲線升至相應(yīng)溫度時往坩堝內(nèi)加入第一次0.7 kg碎玻璃，30 min后再往坩堝內(nèi)加入第二次0.5 kg碎玻璃，碎玻璃熔化30 min后，下降鋯剛玉棒，使鋯剛玉棒浸沒入玻璃液8 cm左右，開始為期48 h的動態(tài)侵蝕試驗，待48 h后，升起鋯剛玉侵蝕棒，鋯剛玉侵蝕棒離開玻璃液即可，使其表面粘附的玻璃液自行滴下，20 min后停爐降溫，把鋯剛玉棒升至爐內(nèi)最高工位。最后待鋯剛玉棒降至室溫時，取出鋯剛玉棒試樣進行檢測分析。

圖3是鋯剛玉磚分別在1450 ℃、1500 ℃和1550 ℃玻璃液動態(tài)侵蝕48 h后的形貌圖。

圖3 鋯剛玉磚侵蝕后的形貌圖

2.2 檢測分析

利用光學(xué)顯微鏡（LEICA DMLP）觀察侵蝕后鋯剛玉棒的腐蝕界面，并測量其腐蝕層厚度。利用日立3400N型掃描電鏡觀察鋯剛玉棒侵蝕前后的表面形貌，并進行EDAS能譜分析。

首先對動態(tài)侵蝕后的鋯剛玉磚樣品進行處理，把樣品切割成高度為10 mm的小圓柱狀，然后用環(huán)氧樹脂膠和三乙醇胺按100∶12的比例配制成光學(xué)樹脂膠，把切割后的樣品進行封邊處理，最后把封邊后的樣品進行磨削和拋光，以便于電鏡和能譜的檢測分析。

運用掃描電鏡和能譜對侵蝕前的鋯剛玉磚進行形貌和成分采集。圖4是侵蝕前鋯剛玉磚的形貌圖片，圖4中有白色區(qū)域的Spot 1點和灰色區(qū)域的Spot 2點，各對應(yīng)點的成分見圖5。從圖4和圖5可以看出，白色區(qū)域（Spot 1）為斜鋯石相，其尺寸為10～100 mm，斜鋯石相鑲嵌于剛玉相基體中（灰色區(qū)域）。

圖4 鋯剛玉磚被侵蝕前的SEM圖

圖5 鋯剛玉磚被侵蝕前的EDS圖

運用光學(xué)顯微鏡分別對未侵蝕的鋯剛玉磚、1450 、1500和1550 ℃玻璃液動態(tài)侵蝕的鋯剛玉磚進行光學(xué)顯微照片采集，見圖6。

圖6 鋯剛玉磚侵蝕界面的光學(xué)顯微照片

結(jié)果表明，鋯剛玉磚經(jīng)玻璃熔液侵蝕后，腐蝕界面變得疏松，且沿縱向腐蝕層厚度并不均勻，在鋯剛玉磚三相界面處腐蝕最嚴重。隨著侵蝕溫度的升高，三相界面腐蝕層厚度也逐漸加大，腐蝕層厚度分別為360 mm（1450 ℃）、820 mm（1500 ℃）、1840 mm（1550 ℃），說明玻璃熔液對鋯剛玉磚的侵蝕為非均勻腐蝕。

最后再次運用掃描電鏡和能譜儀對侵蝕后的鋯剛玉磚進行形貌和成分采集，圖7是侵蝕后鋯剛玉磚的形貌圖，圖8是與圖7相對應(yīng)的鋯剛玉磚侵蝕后的EDS圖。

圖7 鋯剛玉磚被侵蝕后的SEM圖

圖8 鋯剛玉磚被侵蝕后的EDS圖

圖7中位置1是鋯剛玉磚與玻璃液較近的腐蝕帶，位置2是鋯剛玉磚與玻璃液較遠的過渡帶，各位置點成分見圖8。圖7的SEM照片顯示被侵蝕后的鋯剛玉磚沿著腐蝕層方向顯微形貌發(fā)生了較大變化，位置1由EDS圖片可知，腐蝕層中出現(xiàn)了較多的Na、Ca、Mg等元素，這些元素在沿著腐蝕層向鋯剛玉棒中心方向含量有所變化。結(jié)合圖5鋯剛玉磚未侵蝕前的EDS圖，結(jié)果說明腐蝕層中Na、Ca、Mg等元素均來自于玻璃熔液，它們的出現(xiàn)能夠用于判斷鋯剛玉棒是否被高溫玻璃熔液侵蝕，同時其含量及SiO2/ Al2O3也能夠表明鋯剛玉棒被侵蝕程度，雜質(zhì)元素含量越多，SiO2/ Al2O3質(zhì)量比越大，標(biāo)志著剛玉基體相熔解加劇，侵蝕加重。圖7中的位置2的SEM照片表明在遠離腐蝕界面部位，顯微形貌也逐步與未侵蝕前接近。通過位置2區(qū)域EDS分析，斜鋯石相成分仍然以ZrO2為主，Na、Ca、Mg等元素比例明顯減少，SiO2/ Al2O3比值顯著減少，說明鋯剛玉磚相對于斜鋯石而言，剛玉相基體更容易被高溫玻璃熔液侵蝕。

3 結(jié)論

以普通鈉鈣硅玻璃為主要原料，AZS33#磚為研究對象，研究了不同溫度對AZS33#磚的侵蝕規(guī)律。鈉鈣硅玻璃液對AZS33#磚的侵蝕是非均勻性侵蝕。在鋯剛玉磚的侵蝕過程中，一些雜質(zhì)如Fe、Ti、Mg元素與SiO2形成低共熔物，含量越多，玻璃相在高溫下黏度越小，滲出溫度越低，嚴重加速了鋯剛玉磚的侵蝕速度。實驗結(jié)果表明，玻璃液溫度在1450 ℃和1500 ℃時侵蝕速度較慢，但溫度在1550 ℃時，侵蝕速度急劇增加，即溫度每增高50 ℃，侵蝕速度成倍增加。