由于不定形耐火材料具有省時(shí)、省力和節(jié)能等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛地應(yīng)用于熱工以及冶金等領(lǐng)域，而剛玉-尖晶石澆注料作為新一代高級(jí)耐火材料，已經(jīng)成功地應(yīng)用于鋼包以及高爐熱風(fēng)圍觀內(nèi)襯等，澆注料的線膨脹率是衡量其高溫使用性能的一個(gè)重要指標(biāo)，因此，研究不同因素對(duì)剛玉-尖晶石澆注料線膨脹率的影響，對(duì)于在不同使用條件下選擇合適的澆注料具有十分重要的意義。
本次以電熔剛玉、氧化鎂、硅微粉以及鋁酸鈣水泥為原料，制備了剛玉-尖晶石質(zhì)澆注料試樣，利用GP-3型高溫膨脹儀測(cè)定其在750~1450℃燒成過(guò)程中的線膨脹率，考察了電熔剛玉粒度、氧化鎂及水泥加入量等對(duì)剛玉-尖晶石澆注料線膨脹率的影響。
1 實(shí)驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)原料
實(shí)驗(yàn)原料采用電熔剛玉、氧化鎂、硅微粉和鋁酸鹽水泥，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。
表1 實(shí)驗(yàn)原料的化學(xué)成分
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
將電熔剛玉、氧化鎂、硅微粉和鋁酸鹽水泥按表2所示的配比稱量，加水7%~8%，混勻，并澆注成尺寸為Φ10mm×50mm的試樣，將成形后的試樣置于120℃下烘烤12h后，利用GP-3型高溫膨脹儀測(cè)定其在750~1450℃燒成過(guò)程中的線膨脹率LER。
表2 試樣的配方組成
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論
2.1 氧化鎂加入量對(duì)試樣線膨脹率的影響
由圖1可見(jiàn)，未添加氧化鎂的試樣(SI)，在燒成過(guò)程中其線膨脹率較小；隨著氧化鎂加入量和燒成溫度的提高，試樣的線膨脹率增加；當(dāng)燒成溫度達(dá)到1100℃以上時(shí)，隨著燒成溫度的提高，各試樣線膨脹迅速增加，例如，當(dāng)氧化鎂加入量由5%(S2)增加至9%(S4)時(shí)，試樣的燒后線膨脹率在1150℃時(shí)由0.964%增加至1.168%，在1450℃由1.282%增加至3.968%。
這是由于在高溫下試樣中的Al2O3分別在試樣中的MgO及水泥中的CaO反應(yīng)，生成鎂鋁尖晶石以及CaO·6Al2O3(CA6)，CaO·2Al2O3(CA2)等礦物，使試樣產(chǎn)生了體積膨脹，由MgO-Al2O3二元系平衡相圖可知，MgO與Al2O3在1000℃時(shí)開(kāi)始反應(yīng)生成尖晶石，并且隨著溫度的升高，其反應(yīng)速度加快，尖晶石的生成量增加，同時(shí)伴有約5%的速度加快，尖晶石的生成量增加，同時(shí)伴有約5%的體積膨脹，從熱力學(xué)角度看，該反應(yīng)在較低溫度下即可以進(jìn)行。
圖1 氧化鎂加入量對(duì)試樣線膨脹率的影響
據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，水泥中的CaO與澆注料中的Al2O3在1100℃左右開(kāi)始反應(yīng)，生成CA，CA2和CA6，同時(shí)隨著溫度的升高，CA大部分轉(zhuǎn)變?yōu)镃A6和CA2礦物，因此，隨著加熱溫度的升高，試樣的線膨脹率明顯增加。
2.2 電熔剛玉粒度對(duì)試驗(yàn)線膨脹率的影響
圖2 示出了電熔剛玉粒度對(duì)試樣線膨脹率的影響
圖2 電熔剛玉粒度對(duì)試樣線膨脹率的影響
由圖2可見(jiàn)，隨著電熔剛玉粒度的減少和燒成溫度的升高，試樣的線膨脹率增加，并且當(dāng)燒成溫度高于1200℃時(shí)，其線膨脹率大幅度增加。
隨著配料中剛玉粒度的減少，原料變得越來(lái)越細(xì)，試樣的比表面積增加，表面能提高，粉體表面及其內(nèi)部出現(xiàn)晶格缺陷增多，增加了粉體的活性及燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力，縮短了原子擴(kuò)散的距離，從而提高了MgO與Al2O3組分間的反應(yīng)速度。
2.3 水泥加入量對(duì)試樣線膨脹率的影響
由圖3可見(jiàn)，當(dāng)水泥的加入量低于7%時(shí)，隨著水泥加入量的增加，試驗(yàn)的線膨脹率升高。
圖3 水泥加入量對(duì)試樣線膨脹率的影響
加入水泥時(shí)，由水泥帶入的雜質(zhì)成分和試樣中各組分間反應(yīng)，生成的低熔點(diǎn)產(chǎn)物使試樣產(chǎn)生收縮，當(dāng)水泥加入量較少時(shí)，其產(chǎn)生的收縮不能完全抵消生成尖晶石及CA6，CA2等礦物所產(chǎn)生的膨脹，因此，燒后試樣的線膨脹率隨著燒成溫度的升高而增加，但當(dāng)水泥加入量較多時(shí)，試樣在一定溫度下的線膨脹率開(kāi)始減少，并且在高溫?zé)蓵r(shí)(>1250℃)，其線膨脹率明顯減小。
2.4 硅微粉加入量對(duì)試樣線膨脹率的影響
由圖4可見(jiàn)，硅微粉加入量為1.5%的試樣，其線膨脹率在燒成溫度達(dá)到1350℃后開(kāi)始減小，而對(duì)于不添加硅微粉和硅微粉加入量分別為0.5%，1.0%的試樣(S12~S14)，隨著燒成溫度的提高，其線膨脹率增加。
圖4 硅微粉加入量對(duì)試樣線膨脹率的影響
高溫下試樣的體積膨脹來(lái)源于兩個(gè)方面：一是MgO與Al2O3間反應(yīng)生成尖晶石時(shí)產(chǎn)生的體積膨脹;二是水泥中的CaO與剛玉中的Al2O反應(yīng)生成CA6，CA2等礦物產(chǎn)生的體積膨脹，當(dāng)加入少量的硅微粉后，試樣中的CaO、Al2O3及SiO2間在高溫下形成以CaO-Al2O3-SiO2間在高溫下形成以CaO-Al2O3-SiO2系為主的低熔點(diǎn)化合物，產(chǎn)生的體積收縮不能抵消試樣組分間反應(yīng)生成的體積膨脹，從而使試樣在宏觀上表現(xiàn)為膨脹。
將硅微粉加入量增加至1.5%時(shí)，當(dāng)燒成溫度超過(guò)1350℃后，試樣開(kāi)始呈現(xiàn)收縮。
3 結(jié)論
(1)氧化鎂的加入量對(duì)剛玉-尖晶石質(zhì)澆注料線膨脹率的影響十分明顯，當(dāng)采用水泥為結(jié)合劑且氧化鎂加入量為7%時(shí)，澆注料在1450℃的燒后線膨脹率達(dá)到了1.846%。
(2)降低電熔剛玉粒度可以增加澆注料的線膨脹率。
(3)當(dāng)氧化鎂加入量一定時(shí)，增加水泥的加入量，試樣的線膨脹率先增加后減小。
(4)在氧化鎂及水泥加入量一定的條件下，增加硅微粉的加入量，能有效地抑制澆注料的線膨脹。