不同粒度的板状刚玉对刚玉尖晶石质浇注料性能的影响

板状刚玉是在略低于α-Al ₂O₃ 熔点的1900～1950℃高温下煅烧，且晶粒达到烧结完全的再结晶α-Al ₂O₃ 。其具有板片状晶体结构，气孔小且闭气孔较多的特点。板状刚玉具有优异的体积稳定性、抗热震性和机械强度，具有较高的耐火度，广泛应用于钢铁、铸造、陶瓷等行业，其中，在钢铁行业的应用几乎涵盖了炼铁炼钢的全过程。

板状刚玉作为大宗耐火骨料应用于耐火材料行业。近年来，板状刚玉的规模化生产十分迅速，板状刚玉的生产企业也越来越多。随着板状刚玉供应种类的增加，其产品的质量也有很大差异，增加了更多实际应用的不确定性。为此，本工作中，分别以两种不同的板状刚玉为骨料制备浇注料，对比研究了两种骨料的物理化学、显微结构差异以及对制品性能的影响，为板状刚玉的应用提供参考依据。

1试验

1.1 原料

试验所用两种不同的板状刚玉，其粒度范围为≤6 mm、w(Al ₂O₃ )≈99.3%；粒度≤75μm、w(Al ₂O₃ )≈99.2%的氧化铝粉和d 50 ≈3.5μm、w(Al ₂O₃ )≈99.2%的氧化铝微粉；粒度≤45μm的AR78尖晶石细粉、Scear-71纯铝酸钙水泥。其中，两种板状刚玉骨料的化学成分如表1所示，本文中用“S”和“A”分别表示两种板状刚玉。

表1 两种板状刚玉化学成分

从化学全分析了来看：两种原料中的主要成分Al ₂O₃ 含量相差不大，山铝的板状刚玉原料中SiO 2 含量稍高，安迈的板状刚玉原料中MgO含量较高，两种原料中的其他物质含量基本一致。总之，两者化学成分相近，差距不大。

检测两种骨料的体积密度、显气孔率等主要物理指标如表2所示。

表2 两种板状刚玉的物理性能

结果表明，相比A型骨料，S型骨料具有较低的体积密度，略高的吸水率。这可能是两者烧成制度的不同，导致骨料的物理化学性能的差异性。图1所示为两种骨料的光片和断口显微结构照片。

图1 两种骨料的光片和断口显微结构照片

由显微结构照片可以看到，两种骨料整体比较致密，气孔分布均匀。相比于A骨料，S骨料的气孔多而大，并且明显存在烧结不彻底现象，仍然存在氧化铝微粉聚集现象。二者想比，S骨料的晶体尺寸较分散，较大晶体可达到300μm，较小晶体尺寸为10μm左右，另外,部分晶体尺寸集中在10～40μm。A骨料更为均匀，晶体尺寸主要集中在10～50μm。骨料的断裂均是以穿晶断裂为主。骨料物理性能的差异，很大可能会影响浇注料的使用性能。

1.2 试样制备

试样配料组成如表3所示。称量物料后置于搅拌机中干混搅拌2～3 min，加入占物料总质量4.5%的水后继续搅拌3～5 min，浇注成160 mm×40 mm×40 mm的条形试样，自然养护24 h后脱模，再置于烘箱中在110℃干燥24 h。将试样在1600℃×3 h热处理，随炉自然冷却到室温。

表3 试验方案

其中，每个方案都分别用S和A两种板状刚玉制备，用1，2#、3、尖晶石和铬绿进行对比分析试样。

1.3 性能检测

采用GB/T2009—2015、GB/T3001—2017、GB/T5072—2008检测热处理后试样的显气孔率、体积密度、常温抗折强度和常温耐压强度；采用GB/T5988—2007测试试样经1600℃热处理后的线变化以及重烧线变化率；采用GB/T3002—2004检测于1400℃保温30 min试样的高温抗折强度。将1600℃热处理的条形试样放入1100℃的电炉中保温30 min，空气急冷至室温后，测试试样的常温抗折强度，以热震后试样的残余抗折强度来评价试样的抗热震性。

采用SEM观察经1600℃烧后试样的显微结构，分析试样的内在微结构。

2结果与讨论

2.1 常温物理性能

表4示出了两种板状刚玉试样在1600℃下的线变化率以及重烧线变化。从表中数据可以看出，忽略试验固有测量误差，无论哪类试样经过1600℃热处理后，线变化率可忽略不计，二者并无太大差别。对于试样经过1600℃重烧后，均发生了线收缩，3，主要原因是氧化铝固溶尖晶石的反应是体积膨胀的反应。综合三类方案对比，S和A两种骨料浇注料的线变化基本相同。

表4 试样的线变化率

图2给出了3种试样热处理后的显气孔率和体积密度。可以看出：1#、2#、3，2，可能是配料细粉用量的增加使试样的填充更加紧密，从而显气孔率略有下降。

图2 不同类型试样的显气孔率和体积密度

图3给出了3种试样热处理后的常温抗折强度和耐压强度。可以看出：相比1，2#、3。S骨料试样无论哪种方案强度都较A骨料试样的高，分析其原因可能是，S板状刚玉有较高的活性，在同样的条件下，试样的烧结更好，因此拥有较高的强度。

图3 不同类型试样的常温抗折强度和耐压强度

2.2 热态抗折强度

图4给出了3种试样在1400℃下的高温抗折强度。可以看出：1，2#、3。分析原因为随着尖晶石以及铬绿的加入，基质中形成铝铬固溶体增强了材料内部的结合。对比两种骨料对试样热态抗折强度的影响，结果相差不大，S试样略高一些。

图4 不同类型试样在1400℃的高温抗折强度

2.3 抗热震性

图5给出了经1600℃保温3 h试样经1100℃风冷1次残余抗折强度和抗折强度保持率。

图5 不同类型试样的抗热震性能

可以看出，总体上A试样的残余抗折强度保持率要大于S试样的，说明同等条件下，A骨料所制备试样的抗热震性能要略优。这和A骨料拥有较均匀的微观空隙、晶粒结构有关。1#、2，可知随着试样强度的提高，其抗热震性能有较为明显的下降，而追求过高强度，必然导致试样热震稳定性的下降，应综合考虑材料的性能 。

2.4 显微结构

经1600℃保温3 h热处理的1#、2。

图6 经1600℃保温3 h热处理后试样的SEM照片

1，S样品的部分大颗粒内部存在气孔较多，并且颗粒与颗粒之间有一定的差异，小颗粒较致密，大颗粒相对疏松；A样品内部颗粒结构较均匀。基质内CA 6 的发育较完整，大多晶体尺寸小于10µm,A样品内部有CA 6 富集现象，S样品基质内CA 6 分布相对均匀，这可能是S样品强度较高的原因之一。2，这可能是强度提高的主要原因。A样品基质和颗粒结合良好但没有出现相互结合反应，S样品在颗粒边界可以明显看出有反应边界。3，相组成也基本一致，Cr ₂O₃ 大部分固溶到尖晶石中，增加了使用的强度。总体，两者并无太大差别。

3 结论

(1）两种板状刚玉骨料的化学成分相当，相比A型板状刚玉，S型板刚体密略低，内部晶体发育不均匀，晶体生长有一定的差异性，较大晶体可达到300μm，较小晶体尺寸为10μm左右。A型板状刚玉晶体尺寸大都集中在10～50μm，发育较为均匀。

(2）对比两种骨料制备的浇注料，骨料的差异对浇注料的性能有一定的影响，综合比较S型板状刚玉制备试样的强度略高。但1400℃热态抗折强度，二者并无太大差异，强度相当。

(3）比较试样的1100℃抗热震性能，A型板状刚玉试样的抗热震性要更好。然而追求过高的强度，必然会导致热震稳定性的下降。

(4）根据试验结果，实际生产应用可综合考虑产品侧重的指标来选择使用合适的板状刚玉。

内容来源： 2021年全国耐火原料学术交流会

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