镁铝钛耐火材料的Al2O3含量与其性能的关系

　　­邹明1，2) 蒋明学1) 于仁红3) 钱跃进1)­

　　1)西安建筑科技大学材料科学与工程学院 西安710055­

　　2)酒泉钢铁集团有限责任公司­

　　3)河南科技大学

­ 摘 要 分别以79.3%~85.3%(质量分数，下同)的电熔镁砂、10%的电熔尖晶石、电熔白刚玉(2.5%～­8.5%)和钛白粉(2.2%和5.5%)为原料制备了2组镁铝钛试样，研究了镁铝钛材料中Al2O3含量(分别约为­7%、10%和13%)对其烧结、抗热震性以及抗炉外精炼渣侵蚀性的影响，并借助SEM、EDS分析了侵蚀后试样的­显微结构。结果表明：随着镁铝钛试样中Al2O3含量的增加，试样更易烧结，烧后显气孔率降低，体积密度升高，­抗渣性能提高;Al2O3含量的增加，使试样中的尖晶石数量增多，而尖晶石和方镁石热膨胀系数的差异形成的微­裂纹，使试样的耐压强度降低，抗热震性提高;显微结构分析显示，随着Al2O3含量的增加，试样中析出的晶问尖­晶石增多，有助于提高试样中的固一固结合率，从而增强其抗侵蚀能力。

关键词 镁铝钛耐火材料，Al2O3，抗侵蚀性，烧结，抗热震性­

目前，有色冶炼炉、炼钢精炼炉、水泥窑高侵蚀区­等仍普遍使用镁铬砖、镁铝铬砖。但由于Cr6+的污染­问题，无铬化耐火材料已成为世界环境保护的迫切要­求，国内外学者针对此问题进行了低铬或无铬化新材­料的研究，如文献[1—3]的研究认为，MgO—TiO2—Al2O3系(MTA)材料的抗剥落性介于镁砖、镁铬砖和­镁尖晶石砖之间，抗渣渗透性和镁铬砖的一样，但优­于镁尖晶石砖，因此，MTA耐火材料可以替代镁铬或­尖晶石材料而用于水泥窑上。本工作主要研究了­Al2O3含量对镁铝钛材料烧结、抗热震性和抗侵蚀性­能的影响。

­1 试验

­原料选用电熔镁砂、电熔白刚玉、电熔尖晶石及­钛白粉，其化学组成见表1。

按照表2的配比制备不同Al2O3含量的镁铝钛­试样，于l600­℃保温4h烧成后，按相关标准检测试­样的体积密度、显气孔率、常温耐压强度、抗热震性­(1 100℃，水冷)。

 

采用静态坩埚法进行抗渣试验。所用的炉渣是­某钢厂的炉外精炼渣，其化学组成(ω)为：SiO2­30.16%，Al2O3 12.92%，TiO2 0.44%，Fe2O37.86%，­CaO­34.65%，MgO 8.98%，Cr2O3 0.26%，MnO2­4.73%。将烧后试样切割成外形尺寸为70 mm­×70­mmx70­rnm，中孔尺寸为Φ5­mm×30­mm的坩埚试­样。在坩埚中装入25g经破碎并研磨至<0.1 mm的­炉外精炼渣，置于试验炉内以5℃·min-1的升温速­度分别加热至l600℃和1680℃，均保温3h。坩埚­经自然冷却后，从其中间切开观察，计算侵蚀深度和­渗透面积，并进行SEM和EDS分析。

­2 结果与讨论­

2.1 Al2O3含量对镁铝钛材料烧结的影响

­从图1可以看出，随着Al2O3含量的增加，试样­的显气孔率降低，体积密度增加，耐压强度逐渐下降。­根据文献[4]的研究认为：在镁质耐火材料中加入­TiO2、Al2O3后，二面角减小，固液界面张力减小，熔液­润湿性好，因而利于烧结;另外，由于1450~1 700℃­时Al2O3蒸气压小于MgO的，所以，在镁质材料中加­入Al2O3后，一部分与MgO生成MA而抑制了Mgo­的蒸发，使材料的蒸气压降低，故材料中Al2O3含量­越高，总蒸气压越低，越利于材料的烧结。因此，随着Al2O3含量的提高，镁铝钛耐火材料的气孔率降低，体­积密度提高。但随着材料中Al2O3含量的增多，尖晶­石相增多，由于尖晶石的热膨胀系数为8.0×­10^-6℃^-1，方镁石的热膨胀系数为13.5×10^-6℃^-1，­两者差别较大，使制品在烧成过程中产生大量的微裂­纹，从而导致了材料耐压强度的下降。­

2.2­Al2O3含量对试样抗热震性的影响­

从图2可以看出，在不同TiO2含量下，试样的抗­热震性均随着Al2O3含量的增加而逐渐提高。这是­由于当Al2O3含量较少时，与MgO反应生成尖晶石的­量也较少，晶间结合以方镁石与方镁石结合为主，而­方镁石的热膨胀系数较大，故材料的抗热震性较差;­随着Al2O3含量的增加，生成的尖晶石量相应增加，­且均匀地分布在方镁石中，由于Al2O3与尖晶石的热­膨胀系数差别较大，导致制品在烧成过程中产生微裂­纹，而微裂纹的存在有利于制品结构韧性的提高，可­以缓冲热应力的冲击，终止已形成裂纹的扩展，使试­样的抗热震性增加。所以，提高镁铝钛材料的Al2O3­含量，能够改善材料的抗热震性。

­2.3­Al2O3含量对镁铝钛材料抗渣性能的影响

观察1680℃下炉外精炼渣侵蚀后1#—3#试样的­截面(见图3)发现：渣蚀后试样外形完整，所有样块­均无明显的溶蚀现象，附渣层、反应层、过渡层及原砖­层之间界限清晰;熔渣的侵蚀以渗透为主，渣渗入部位由原来的土黄色变为黑色，变质层结构致密，离开­渣蚀面颜色变浅逐渐恢复至原砖颜色，孔内已基本无­炉渣剩余，仅在渣蚀面附着薄薄一层炉渣。从1600­℃和1680℃侵蚀后1#—3#试样的侵蚀面积(见图4)­可看出，随着试样中Al2O3含量的增加，镁铝钛材料­的抗渣侵蚀性提高。­

对1680℃抗渣试验后的1#和3#试样进行了显­微结构分析，并从工作面向砖的内部依次进行了能谱­分析，其结果见图5。由图5可看出，在附渣层(距工­作面0~2mm处)和反应层(距工作面2～5 mm处)­内，Al2O3含量随着距工作面距离的增加而减少;而­l#试样在距工作面10mm、3#试样在距工作面5 mm­以后的Al2O3含量变化不大。这是因为，随着试样中­Al2O3含量的增加，晶间二次尖晶石增多，气孔率降­低，结构致密，阻止了炉渣的渗透、侵蚀;而高温下炉­渣渗透到砖中的Al2O3也与试样中的MgO结合形成­尖晶石，进一步阻止了炉渣的渗透。­

从1#和3#试样在1680­℃抗渣试验后的显微结­构(见图6)可以看出，渣蚀后镁铝钛试样的附渣层中­主要有钙钛矿(白色)、复合尖晶石固溶体(浅灰色)­和方镁石(深灰色，浑圆状)。Al2O3含量较高的3#试­样中复合尖晶石数量较多，其抗侵蚀性也明显提高。­因此，随Al2O3含量的增加，试样中析出的晶间尖晶­石增多，有助于提高试样中的固-固结合率，从而增­强其抗侵蚀能力。

­3 结论

­(1)镁铝钛材料中Al2O3含量提高，改善了镁铝­钛材料的烧结，使试样的气孔率降低，体积密度提高。

­(2)随着Al2O3含量的增加，镁铝钛材料中形成­的晶间尖晶石增多，由于尖晶石和方镁石膨胀系数相­差较大，促使试样内产生微裂纹，提高了试样的抗热­震性，但使其耐压强度降低。­

(3)随着Al2O3含量的增加，试样中的析出的晶­间尖晶石增多，有助于提高试样中的固-固结合率，­使试样的结构致密，从而增强其抗侵蚀能力。

 

【中国镁质材料网 采编：ZY】

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