郭麗華 郭利波 沈潔 劉學(xué)理

（浮法玻璃新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國洛陽浮法玻璃集團(tuán)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(dòng)態(tài)侵蝕過程，重點(diǎn)討論侵蝕溫度、侵蝕時(shí)間與侵蝕速率的相互關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣制備

1.1.1 鋯剛玉棒試樣制備

本次進(jìn)行鋯剛玉磚的動(dòng)態(tài)侵蝕試驗(yàn)選用的是33#鋯剛玉磚，原磚的尺寸是400 mm×400 mm×75 mm，首先進(jìn)行鋯剛玉磚的切割，切割成35 mm×35 mm×230 mm的條狀。然后進(jìn)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(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)方案如圖2所示。

圖2 玻璃液對鋯剛玉磚侵蝕實(shí)驗(yàn)方案

1.3 實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(dòng)態(tài)侵蝕實(shí)驗(yàn)分別做了同一旋轉(zhuǎn)速度（沖刷速度12 rpm）同一侵蝕時(shí)間（48 h）, 不同玻璃液溫度（1550 ℃, 1500 ℃, 1450 ℃），共計(jì)3次實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)

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(dòng)態(tài)侵蝕試驗(yàn)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(yàn)爐升溫曲線（1450 ℃，1500 ℃，1550 ℃），通電開啟試驗(yàn)爐，同時(shí)啟動(dòng)鋯剛玉棒的旋轉(zhuǎn)按鈕，使其轉(zhuǎn)速在12 rpm。按試驗(yàn)爐的升溫曲線升至相應(yīng)溫度時(shí)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(dòng)態(tài)侵蝕試驗(yàn)，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(shí)，取出鋯剛玉棒試樣進(jìn)行檢測分析。

圖3是鋯剛玉磚分別在1450 ℃、1500 ℃和1550 ℃玻璃液動(dòng)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(jìn)行EDAS能譜分析。

首先對動(dòng)態(tài)侵蝕后的鋯剛玉磚樣品進(jìn)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(jìn)行封邊處理，最后把封邊后的樣品進(jìn)行磨削和拋光，以便于電鏡和能譜的檢測分析。

運(yùn)用掃描電鏡和能譜對侵蝕前的鋯剛玉磚進(jìn)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(diǎn)和灰色區(qū)域的Spot 2點(diǎn)，各對應(yīng)點(diǎn)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(yùn)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(dòng)態(tài)侵蝕的鋯剛玉磚進(jìn)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(yán)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(yùn)用掃描電鏡和能譜儀對侵蝕后的鋯剛玉磚進(jìn)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(yuǎn)的過渡帶，各位置點(diǎn)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(shí)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(yuǎn)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(yán)重加速了鋯剛玉磚的侵蝕速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，玻璃液溫度在1450 ℃和1500 ℃時(shí)侵蝕速度較慢，但溫度在1550 ℃時(shí)，侵蝕速度急劇增加，即溫度每增高50 ℃，侵蝕速度成倍增加。