付云鶴 夏春玲 牛崢 穆元冬 郝占宏 葉國田

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。可以看出：紅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?？梢钥闯觯S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程中，紅柱石粉轉(zhuǎn)變?yōu)槟獊硎透还璨Ａ?。紅柱石莫來石化產(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。可以看出：隨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)槟獊硎纳赡芴岣咴嚇拥慕Y(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。