低摻量紅柱石粉對Al2O3-SiC-C澆注料性能的影響

付云鶴 夏春玲 牛崢 穆元冬 郝占宏 葉國田

1）鄭州大學材料科學與工程學院 河南鄭州450001

2）山東耐火材料集團有限公司王鋁分公司 山東淄博255311

3）鞏義市順祥耐材有限公司 河南鄭州451200

前人研究［1-5］表明：在Al2O3-SiC-C澆注料中引入紅柱石骨料（3～1 mm）可以提高其抗氧化性；但是，由于紅柱石骨料添加量大（約為19%（w）），并且紅柱石的強度低于棕剛玉的強度，這可能導致澆注料的強度降低。隨著紅柱石粒徑的減小，其轉化效率將會提高，應該更有利于試樣的燒結致密化，提高澆注料的抗氧化性和強度［6-7］。

在本工作中，研究了紅柱石粉（≤0.055 mm）添加量（質量分數(shù)分別為0、1%、2%、3%、5%）對Al2O3-SiC-C澆注料的致密度、強度、抗氧化性和抗熱震性的影響。

1 試驗

1.1 原料

制備Al2O3-SiC-C澆注料的原料有：棕剛玉顆粒（8～5、5～3、3～1、≤1 mm）和細粉（≤0.074 mm），w（Al2O3）≥95%；碳化硅，粒度≤1、≤0.045 mm，w（SiC）≥97%；瀝青，粒度1～0.2 mm，w（固定碳）≥56%；α-Al2O3微粉；SiO2微粉；Secar 71水泥；w（Si）≥98%的Si粉；w（Al）≥99%的Al粉；粒度≤0.055 mm的紅柱石粉。

1.2 試樣制備及測試

設計了用不同量紅柱石粉等量取代棕剛玉細粉的試驗配方，見表1。

表1 試驗配方Table 1 Formulations of castable specimens

按表1配料，在水泥膠砂攪拌機中干混1 min，再加水濕混3 min，然后倒入40 mm×40 mm×160 mm的不銹鋼模具中振動成型。室溫養(yǎng)護24 h后脫模，在110℃烘干24 h，然后在1 450℃保溫3 h煅燒。

按相關標準檢測燒后試樣的顯氣孔率和體積密度（GB／T 2997—2000）、常溫抗折強度（GB／T 3001—2017）、高溫抗折強度（GB／T 3002—2017）。采用空氣淬火法（ΔT＝950℃）對試樣進行10次熱震循環(huán)［8］，以熱震后試樣的常溫抗折強度保持率評價其抗熱震性；將熱震后試樣切開，通過Adobe photoshop 2020的像素計數(shù)方法測量氧化層厚度，并計算試樣的氧化指數(shù)（氧化面積÷總截面面積×100%），以表征試樣的抗氧化性［9］。

將紅柱石粉在1 450℃保溫3 h煅燒。采用D8 Focus型X射線衍射儀分析燒后紅柱石粉的物相組成。采用SIGMA HD型掃描電子顯微鏡觀察燒后紅柱石粉和熱震后澆注料試樣的顯微結構。

2 結果與討論

2.1 燒后紅柱石粉的物相組成和顯微結構

在1 450℃煅燒3 h后紅柱石粉的XRD圖譜見圖1。其主晶相為莫來石，殘留有少量紅柱石。

圖1 在1 450℃煅燒3 h后紅柱石粉的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of andalusite powder calcined at 1 450℃for 3 h

在1 450℃煅燒3 h后紅柱石粉的SEM照片見圖2?？梢钥闯觯杭t柱石顆粒表面有大量富硅玻璃相。

圖2 在1 450℃煅燒3 h后紅柱石粉的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM image of andalusite powder calcined at 1 450℃for 3 h

2.2 澆注料的顯氣孔率和體積密度

燒后澆注料試樣的顯氣孔率和體積密度見圖3?？梢钥闯?，隨著紅柱石粉加入量的增加，試樣的顯氣孔率和體積密度均呈減小趨勢。

圖3 燒后澆注料試樣的顯氣孔率和體積密度Fig.3 Apparent porosity and bulk density of castable specimens after firing

在澆注料試樣的煅燒過程中，紅柱石粉轉變?yōu)槟獊硎透还璨Ａ?。紅柱石莫來石化產生的體積膨脹會擠壓紅柱石顆粒周圍的孔隙，降低試樣的氣孔率。富硅玻璃相既能促進試樣燒結，又能填充試樣的部分孔隙，從而降低試樣的氣孔率；此外，富硅玻璃相中的SiO2還可以與澆注料基質中的Al2O3反應生成二次莫來石，進一步降低試樣的氣孔率。因此，隨著紅柱石粉加入量的增加，試樣的顯氣孔率呈減小趨勢。至于燒后澆注料試樣的體積密度隨紅柱石粉加入量的增加而減小，則是因為紅柱石及其轉化后生成的莫來石和富硅玻璃相的密度均比被紅柱石等量替代的棕剛玉的小。

2.3 澆注料的力學性能

燒后澆注料試樣的常溫抗折強度和高溫抗折強度見圖4?？梢钥闯觯弘S著紅柱石粉加入量的增加，試樣的常溫抗折強度和高溫抗折強度均逐漸增大。這是因為：試樣的強度與其致密度呈正相關；莫來石的生成提高了試樣的結合程度，從而提高試樣的強度。

圖4 燒后澆注料試樣的常溫抗折強度和高溫抗折強度Fig.4 CMOR and HMOR of castable specimens after firing

2.4 澆注料的抗熱震性

熱震10次后澆注料試樣的常溫抗折強度保持率見圖5。可以看出，隨著紅柱石粉加入量的增加，熱震10次后試樣的常溫抗折強度保持率逐漸增大，即抗熱震性逐漸提高。這是因為莫來石的生成能提高試樣的結合程度和韌性，從而改善試樣的抗熱震性。

圖5 熱震10次后試樣的抗折強度保持率Fig.5 Retention ratio of CMOR of castable specimens after 10 thermal shocks

2.5 澆注料的抗氧化性

熱震10次后澆注料試樣的截面照片見圖6，氧化指數(shù)見圖7。可以看出，隨著紅柱石粉加入量從0增加到5%（w），試樣的抗氧化性顯著提高。這是因為試樣的致密度提高，阻礙了O2向試樣內部的擴散及CO向試樣外部的擴散。

圖6 熱震10次后澆注料試樣的截面照片F(xiàn)ig.6 Photos of cross-sections of castable specimens after 10 thermal shocks

圖7 熱震10次后澆注料試樣的氧化指數(shù)Fig.7 Oxidation index of castable specimens after 10 thermal shocks

2.6 澆注料的顯微結構

熱震10次后澆注料試樣M和E4氧化區(qū)域的SEM照片見圖8?？梢钥闯觯?）試樣M的氧化區(qū)域中存在許多大小不一、分布不均的孔洞，骨料與基質之間存在明顯的間隙。2）試樣E4氧化區(qū)域的孔洞較少，骨料與基質結合更緊密。

圖8 熱震10次后澆注料試樣M和E4氧化區(qū)域的SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM images of castable specimens M and E4 after 10 thermal shocks

3 結論

（1）在1 450℃煅燒3 h后，大部分紅柱石粉（≤0.055 mm）轉化為莫來石和富硅玻璃相。

（2）隨著紅柱石粉添加量的增大，燒后澆注料試樣的顯氣孔率和體積密度減小，常溫抗折強度、高溫抗折強度、抗熱震性和抗氧化性均增大。