付云鶴 夏春玲 牛崢 穆元冬 郝占宏 葉國(guó)田

1）鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 河南鄭州450001

2）山東耐火材料集團(tuán)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(qiáng)度低于棕剛玉的強(qiáng)度，這可能導(dǎo)致澆注料的強(qiáng)度降低。隨著紅柱石粒徑的減小，其轉(zhuǎn)化效率將會(huì)提高，應(yīng)該更有利于試樣的燒結(jié)致密化，提高澆注料的抗氧化性和強(qiáng)度［6-7］。

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

1 試驗(yàn)

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(xì)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(cè)試

設(shè)計(jì)了用不同量紅柱石粉等量取代棕剛玉細(xì)粉的試驗(yàn)配方，見表1。

表1 試驗(yàn)配方Table 1 Formulations of castable specimens

按表1配料，在水泥膠砂攪拌機(jī)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(dòng)成型。室溫養(yǎng)護(hù)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)燒后試樣的顯氣孔率和體積密度（GB／T 2997—2000）、常溫抗折強(qiáng)度（GB／T 3001—2017）、高溫抗折強(qiáng)度（GB／T 3002—2017）。采用空氣淬火法（ΔT＝950℃）對(duì)試樣進(jìn)行10次熱震循環(huán)［8］，以熱震后試樣的常溫抗折強(qiáng)度保持率評(píng)價(jià)其抗熱震性；將熱震后試樣切開，通過(guò)Adobe photoshop 2020的像素計(jì)數(shù)方法測(cè)量氧化層厚度，并計(jì)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(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 燒后紅柱石粉的物相組成和顯微結(jié)構(gòu)

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(lái)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(shì)。

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(guò)程中，紅柱石粉轉(zhuǎn)變?yōu)槟獊?lái)石和富硅玻璃相。紅柱石莫來(lái)石化產(chǎn)生的體積膨脹會(huì)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(jìn)試樣燒結(jié)，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(zhì)中的Al2O3反應(yīng)生成二次莫來(lái)石，進(jìn)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(shì)。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?yàn)榧t柱石及其轉(zhuǎn)化后生成的莫來(lái)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(xué)性能

燒后澆注料試樣的常溫抗折強(qiáng)度和高溫抗折強(qiáng)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(qiáng)度和高溫抗折強(qiáng)度均逐漸增大。這是因?yàn)椋涸嚇拥膹?qiáng)度與其致密度呈正相關(guān)；莫來(lái)石的生成提高了試樣的結(jié)合程度，從而提高試樣的強(qiáng)度。

圖4 燒后澆注料試樣的常溫抗折強(qiáng)度和高溫抗折強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度保持率逐漸增大，即抗熱震性逐漸提高。這是因?yàn)槟獊?lái)石的生成能提高試樣的結(jié)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(qiáng)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?？梢钥闯觯S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?yàn)樵嚇拥闹旅芏忍岣?，阻礙了O2向試樣內(nèi)部的擴(kuò)散及CO向試樣外部的擴(kuò)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(jié)構(gòu)

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。可以看出：1）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(zhì)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(zhì)結(jié)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(jié)論

（1）在1 450℃煅燒3 h后，大部分紅柱石粉（≤0.055 mm）轉(zhuǎn)化為莫來(lái)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(qiáng)度、高溫抗折強(qiáng)度、抗熱震性和抗氧化性均增大。