优化配比 “浇”出好耐材

　刚玉质浇注料具有优良的抗侵蚀性能和化学稳定性，在钢铁领域得到了广泛应用。但刚玉的热膨胀系数大，使得刚玉质浇注料的抗热震性较差，提高刚玉质浇注料的抗热震性也成为近年来相关研究人员的研究热点之一。锆英石属四方晶系，高温下分解为ZrO2（斜锆石）和SiO2（石英）。ZrO2的马氏体相变增韧使含锆耐火材料通常具有良好的抗热震性。因此，有研究人员针对锆英石加入量对刚玉质浇注料性能的影响展开了研究。

　　科学试验提供分析依据

　　原料的选取。试验用主要原料有电熔白刚玉（5mm～3mm、3mm～1mm、≤1mm）、板状刚玉细粉（≤0.044mm，325目）、活性α-Al2O3微粉、锆英石（≤0.074mm）和Secar71纯铝酸钙水泥。

　　试样配比及性能检测。按照事先定好的配料比例，加适量的水搅拌均匀后，振动浇注成160mm×40mm×40mm的试样，自然养护24小时后脱模，在空气气氛中于110℃环境下烘干24小时，并取部分烘干后的试样在电炉中于1600℃环境下保温3小时烧成。研究人员对烘干及烧后的试样分别测试体积密度、显气孔率和常温抗折强度，并检测经1600℃环境下3小时烧后试样的的高温抗折强度（1500℃、0.5小时）及抗热震性（1100℃、0.5小时，水冷一次），以其抗折强度保持率反应其抗热震性。使用X射线衍射分析仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对经1600℃环境下3小时烧后试样进行物相和显微结构分析。

　　对比分析确定最佳配比

　　锆英石加入量对试样体积密度和显气孔率的影响。从锆英石加入量对试样体积密度和显气孔率的影响来看，随着锆英石加入量的增多，经110℃环境下24小时烘干后试样的体积密度先增大后减小，显气孔率先减小后增大。这可能与试样的致密度和制样时的加水量有关。当锆英石加入量较少时，制样时加水量变化不明显，由于锆英石的体积密度（4.65gcm3）较板刚玉（3.62gcm3）的大，因此试样烘干后体积密度较大；由于Z9试样制样时加水量较高，因此烘干后气孔率较高，体积密度也有所降低。随着锆英石加入量的增多，1600℃热处理后试样的体积密度变化趋势与110 ℃烘干后相同，而气孔率逐渐减小。这可能是由于在1600℃烧成温度下，由锆英石带入的杂质量增加，高温下玻璃相的增多促进烧结致密化。因此，随着锆英石加入量的增加，试样1600℃烧后显气孔率逐渐减小。

　　锆英石加入量对试样高温抗折强度的影响。从1600℃环境下3小时烧后试样的高温抗折强度（1500℃、0.5小时）的变化情况来看，随着锆英石加入量的增加，试样的高温抗折强度急剧下降。这可能与高温下试样中生成的低熔点物相有关。通过对试样经1600℃环境下3小时烧后的SEM照片分析，可以看出，由于试样中锆英石的分解（分解产物为ZrO2和SiO2），高温下已形成低熔点的钙铝黄长石（C2AS），导致试样的高温抗折强度下降。随着锆英石加入量的增加，钙铝黄长石的生成量也随之增加，因此试样的高温抗折强度逐渐降低。

　　锆英石加入量对试样常温抗折强度的影响。从锆英石加入量对试样110℃环境下24小时烘干和经1600℃环境下3小时热处理后常温抗折强度的影响可以看出，随着锆英石加入量的增加，试样烘干后的常温抗折强度变化不大，经1600℃环境下3小时烧后试样的常温抗折强度均较高，且呈现先增加后降低的趋势。这可能是由于随着试样中锆英石含量的增加，高温下试样形成的低熔相C2AS增加，促进了烧结，其常温抗折强度增加。当锆英石加入量过多时，高温下锆英石的分解造成制品结构疏松，同时试样内部由于Al2O3与ZrO2热膨胀系数的差异产生裂纹空隙，且随着锆英石加入量的增多而增多，因此造成试样的常温抗折强度较低。

　　锆英石加入量对试样抗热震性的影响。从锆英石加入量对1600℃环境下3小时烧后试样抗热震性的影响可以看出，随着锆英石加入量的增加，试样经1100℃水冷一次的抗折强度保持率呈先上升后下降的趋势。当锆英石加入量为6％时，刚玉质浇注料具有最好的抗热震性。

　　通过对两个不同试样经1600℃环境下3小时烧后的XRD图谱分析，可以看出，某试样经1600℃环境下3小时烧后主要有刚玉和CA6等物相，由于刚玉具有较大的热膨胀系数，因此抗热震性较差。而另一试样经1600℃环境下3小时烧后，锆英石分解形成ZrO2 。ZrO2在高温下产生单斜和四方型间的相变，从而产生微裂纹，改善了试样的热震性能。另外，还有研究人员的成果表明，锆英石分解出来的SiO2从ZrO2聚集体向外发生迁移，从而在SiO2原来的位置上留下孔洞形成封闭气孔。气孔一方面能容纳一定的膨胀变形，缓解热应力；另一方面能在主裂纹尖端区域形成局部的微裂纹网，使弹性应变能局部减小，保证了裂纹的稳定扩展，从而使材料能经受苛刻的热震。随着锆英石添加量的进一步增加，由于低熔相C2AS的大量形成，试样的抗热震性又有所下降。

　　综上所述，随着锆英石加入量的增加，经110℃环境下24小时烘干后刚玉质浇注料试样体积密度呈先增大后减小的趋势，显气孔率呈先减小后增大的趋势，常温抗折强度变化不大。经1600℃环境下3小时处理后，刚玉质浇注料试样体积密度和常温抗折强度呈先增大后减小的趋势。

　　随着锆英石加入量的增加，经1600℃环境下3小时烧后，刚玉质浇注料试样的高温抗折强度（1500℃、0.5小时）由于C2AS生成量的增加明显下降。

　　经1600℃环境下3小时处理后刚玉质浇注料中的锆英石发生分解生成ZrO2和SiO2。ZrO2的相变增韧增强了刚玉质浇注料的抗热震性，而C2AS的形成降低了刚玉质浇注料的抗热震性。试验结果表明，锆英石加入量为6%时刚玉质浇注料具有最好的抗热震性。