氧化鋯添加量對鎂質材料性能的影響

高永軍 吳 鋒 李心慰 蘇玉璽 馮 雨羅旭東 陳衛(wèi)敏 王 瓊

1）遼寧科技大學 材料與冶金學院 遼寧鞍山 114051

2）鄭州瑞泰耐火科技有限公司 河南鄭州 452374

3）鞍山市和豐耐火材料有限公司 遼寧海城 114225

作為堿性耐火材料，鎂質耐火材料具有耐火度高、不污染鋼水、抗堿性渣侵蝕等特點，適合純凈鋼和特殊鋼種的冶煉［1－3］。但是，鎂質耐火材料也存在熱膨脹系數(shù)大，抗熱震性和抗剝落性較差等缺點［3］。氧化鋯具有熔點高、耐高溫、能產(chǎn)生相變增韌等優(yōu)點［4－5］，添加氧化鋯有望提高鎂質耐火材料的抗熱震性和高溫強度［6－7］。在本工作中，利用含氧化鈣較高的岫巖二級菱鎂礦制備鎂質耐火材料，主要研究了氧化鋯添加量對鎂質耐火材料燒結和抗熱震性的影響。

1 試驗

1．1 試驗原料

試驗用主要原料為岫巖二級菱鎂礦和以單斜氧化鋯為主要晶型的脫硅鋯，它們的化學組成見表1。以分析純無水乙醇為助磨劑，以聚乙烯醇縮丁醛（PVB）為結合劑。

表1 主要原料的化學組成

經(jīng)XRD分析，岫巖二級菱鎂礦的主物相為菱鎂礦，還含有少量白云石和滑石；脫硅鋯的主要物相為單斜氧化鋯，未發(fā)現(xiàn)其他物相。

1．2 試樣制備

將岫巖二級菱鎂礦在900℃保溫3 h，然后破粉碎并過0．074 mm篩，制成輕燒鎂粉。

按脫硅鋯占輕燒鎂粉、脫硅鋯二者的質量分數(shù)分別為0、4%、8%、12%、16%的配方配料（分別記為Z0、Z4、Z8、Z12、Z16）。每100 g混合料加入8 g無水乙醇和2 g聚乙烯醇縮丁醛（PVB），然后濕法球磨混合均勻。在干燥箱中于50℃保溫12 h烘干，在瑪瑙研缽中研磨至全部通過0．15 mm篩。使用壓樣機，在200 MPa壓力下保壓30 s，制成35 mm×20 mm的樣坯。在干燥箱中于110℃保溫12 h烘干，然后在高溫試驗爐中分別于1 500、1 600、1 700℃保溫3 h煅燒，隨爐冷卻至室溫。

1．3 檢測分析

按GB／T 2997—2015檢測燒后試樣的體積密度ρb；按GB／T 5072—2018檢測燒后試樣的常溫耐壓強度；按YB／T 376—2004檢測燒后試樣的抗熱震性。

燒后試樣的組成物相以MgO和c ZrO2為主。經(jīng)查閱，MgO的真密度ρ（MgO）＝3．58 g·cm－3，c ZrO2的真密度ρ（c ZrO2）＝6．27 g·cm－3。根據(jù)XRD定量分析得出的試樣的物相組成w（MgO）＝95%和w（c ZrO2）＝5%，則可計算出試樣的理論密度ρt：

再由體積密度ρb和理論密度ρt計算出各試樣的相對密度ρr：

采用X’Pert－Powder型X射線衍射儀檢測燒后試樣的物相組成，采用∑IGMAHD型場發(fā)射掃描電鏡觀察燒后試樣的顯微結構。

2 結果與討論

2．1 燒結性能

燒后試樣的體積密度見表2。可以看出：隨著脫硅鋯添加量從0增加到8%（w），試樣的體積密度逐漸增大；但脫硅鋯添加量超過8%（w）后，試樣的體積密度有所減小。隨著燒結溫度的升高，燒后試樣的體積密度逐漸增大。

表2 燒后試樣的體積密度

燒后試樣的相對密度見圖1?？梢钥闯觯弘S著脫硅鋯添加量的增加，燒后試樣的相對密度呈先增大后減小的變化趨勢，在添加量為8%（w）時達到最大；隨著燒結溫度的升高，燒后試樣的相對密度增大，尤其是在燒結溫度從1 500℃升高至1 600℃時增大較多，而從1 600℃升高至1 700℃時增大較少。

圖1 燒后試樣的相對密度

燒后試樣的常溫耐壓強度見圖2?？梢钥闯觯弘S著脫硅鋯添加量從0增加到8%（w），試樣的常溫耐壓強度逐漸增大；但脫硅鋯添加量超過8%（w）后，試樣的常溫耐壓強度有所減小。隨著燒結溫度的升高，燒后試樣的常溫耐壓強度逐漸增大。

圖2 燒后試樣的常溫耐壓強度

2．2 抗熱震性能

燒后試樣的抗熱震性見圖3。由圖3可知：隨著脫硅鋯添加量的增加，試樣的抗熱震性基本上呈先增大后減小的變化趨勢，在添加量為8%（w）時達到最大；隨著燒結溫度的升高，試樣的抗熱震性基本上呈增大趨勢。

圖3 燒后試樣的抗熱震性

歸納來看，添加8%（w）的脫硅鋯，在1 700℃保溫3 h煅燒，所得試樣的相對密度、常溫耐壓強度和抗熱震性均達到最大，分別為86．21%、201 MPa和6次。

2．3 物相組成和顯微結構

1 700℃燒后試樣的XRD圖譜見圖4。由圖4可見：各試樣的主晶相均為方鎂石，其他物相則存在較大差異：試樣Z0中存在少量鎂薔薇輝石（C3MS2）；試樣Z4中還存在少量 CaZrO3、M2S、MgCaSiO4、Ca2MgSi2O7及 MgO 穩(wěn)定立方氧化鋯c ZrO2（Mg0．125O1．875Zr0．875）；試樣Z8的情況與MZ4的相類似，只是CaZrO3的量減少，不存在MgCaSiO4相，但多了c ZrO2固溶體Ca0．2O1．8Zr0．8；試樣Z12和Z16情況相同，未生成CaZrO3相，存在較多的c ZrO2固溶體Mg0．125O1．875Zr0．875、Ca0．2O1．8Zr0．8，且c ZrO2固溶體的XRD衍射峰高隨脫硅鋯用量的增加而增強。

圖4 1 700℃燒后試樣的XRD圖譜

1 700℃燒后試樣Z8的SEM照片見圖5。

圖5 1 700℃燒后試樣Z8的SEM照片

由圖5可以看出：試樣中存在較多形狀不規(guī)則的氣孔；方鎂石晶粒之間分布有較多ZrO2和CaZrO3，以及少量MgCaSiO4和Ca2MgSi2O7。

3 結語

隨著脫硅鋯添加量的增加，燒后試樣的相對密度、常溫耐壓強度和抗熱震性基本上都呈先增大后減小的變化趨勢，在添加8%（w）脫硅鋯時達到最大；添加8%（w）的脫硅鋯，在1 700℃保溫3 h燒結，所得材料的相對密度達到86．21%，常溫耐壓強度為201 MPa，抗熱震性達到6次。