唐威 張佩雄 李柳生 王青峰 石干 葉國(guó)田

　　熱震損毀是影響耐火材料壽命的重要原因。大量研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)材料中不同物相熱膨脹系數(shù)的不匹配來(lái)產(chǎn)生微裂紋，是提高耐火材料抗熱震性的有效途徑。但這些研究大多是針對(duì)熱膨脹系數(shù)各向同性的兩相之間的相互作用，而針對(duì)熱膨脹系數(shù)各向異性晶體對(duì)耐火材料抗熱震性能影響的研究鮮有報(bào)道。

　　紅柱石是一種優(yōu)質(zhì)耐火原料，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、抗渣性、抗高溫蠕變性、抗熱震性，因而得到了深入研究和廣泛應(yīng)用。有研究指出，紅柱石礦物顆粒是單晶或單晶的碎片，具有熱膨脹系數(shù)各向異性的特點(diǎn)，其各向的熱膨脹系數(shù)( 25℃～ 300℃) 為: a軸13.4 × 10 -6 ℃ -1，b 軸9.6 × 10 -6 ℃ -1，c 軸3.5 ×10 -6 ℃-1。紅柱石晶體( 顆粒) 熱膨脹系數(shù)各向異性行為必定直接作用于周邊環(huán)境，會(huì)造成周邊區(qū)域應(yīng)力集中而誘發(fā)微裂紋。添加紅柱石骨料對(duì)耐火澆注料性能的影響已有不少研究，但紅柱石骨料對(duì)燒成耐火制品抗熱震性影響的研究較少。在本工作中，分別用不同粒度的紅柱石骨料等量替代燒成莫來(lái)石－剛玉制品中相同粒度的莫來(lái)石骨料，著重研究紅柱石骨料粒度對(duì)莫來(lái)石－剛玉材料抗熱震性能的影響。

　　試驗(yàn)

　　原料

　　原料為: w(Al2O3) ＞ 57%的紅柱石骨料，粒度分別為5 mm～3 mm、3 mm～1 mm、≤1mm； 燒結(jié)莫來(lái)石骨料，粒度分別為5 mm～3 mm、3 mm～ 1 mm、≤1 mm； w( Al2O3) ＞ 98%的板狀剛玉，d50 = 44 μm； w( Al2O3) ＞ 99.81% 的活性Al2O3微粉，d50 = 44μm； w ( SiO2) ＞ 95%的SiO2微粉，d50 = 44μm。結(jié)合劑為紙漿廢液。

　　試樣制備

　　按表1 的配比稱(chēng)取原料，將稱(chēng)好的細(xì)粉( 板狀剛玉、活性氧化鋁和硅微粉) 混合到一起放入球磨機(jī)中研磨2h。把骨料加入混碾機(jī)中與紙漿廢液攪拌3 min，然后加入預(yù)混合的粉料攪15 min?；旌暇鶆蚝螅娩撃Ｔ谝簤簷C(jī)上壓制成25mm ×25 mm×125mm 試樣，成型壓力為200 MPa。試樣經(jīng)110℃干燥24h 后，在1450 ℃保溫3 h 燒成。

　　試樣檢測(cè)

　　依據(jù)GB /T 2997—2000 測(cè)量燒成試樣的體積密度和顯氣孔率，按GB /T 3001—2007 檢測(cè)常溫抗折強(qiáng)度，依據(jù)YB /T 376.2—1995 測(cè)抗熱震性能( 950℃，風(fēng)冷) ，根據(jù)GB /T 30758—2014，使用常溫彈性模量測(cè)試儀( DEMA－01) 測(cè)量試樣的彈性模量；采用X射線衍射儀( 德國(guó)布魯克D8 Focus)分析燒成試樣的物相組成；燒成試樣經(jīng)樹(shù)脂固化、HF 腐蝕后，采用SEM( 德國(guó)蔡司ΣIGMA HD) 觀察其顯微結(jié)構(gòu)。

　　結(jié)果與討論

　　物理性能

　　經(jīng)1450℃保溫3h燒成試樣的體積密度和顯氣孔率如圖1所示。由圖1可知，各試樣的體積密度基本相同；添加20%( w) 的≤1 mm 紅柱石的試樣MA1顯氣孔率最低，但隨著添加紅柱石骨料粒度的增加，試樣的顯氣孔率有逐漸提高趨勢(shì)。

　　圖2為試樣經(jīng)1450℃保溫3h 燒后的彈性模量?？梢钥闯?，未添加紅柱石骨料的試樣M 的彈性模量最大，隨著試樣中添加紅柱石骨料粒度的增大，彈性模量逐漸降低。

　　圖3 為燒成試樣經(jīng)950℃風(fēng)冷熱震前后的常溫抗折強(qiáng)度和熱震5次后的抗折強(qiáng)度保持率。從圖3可以看出，隨著試樣中添加紅柱石骨料粒度的增加，熱震試驗(yàn)前后試樣的抗折強(qiáng)度均逐漸降低，且熱震后抗折強(qiáng)度小于熱震前的；熱震后抗折強(qiáng)度保持率逐漸提高，抗熱震性逐漸提高。

　　物相分析

　　1450℃保溫3h燒成試樣的XRD 圖譜見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，不含紅柱石的試樣M主要物相是莫來(lái)石和剛玉；而含紅柱石的試樣MA1、MA3 和MA5，除了含有莫來(lái)石和剛玉外，還含有紅柱石。經(jīng)半定量分析計(jì)算，試樣MA1、MA3、MA5 的殘存紅柱石含量(w) 為11.6%、12.0%、14.9%。可見(jiàn)，隨著試樣中添加紅柱石骨料粒度的增大，試樣中殘存紅柱石的含量逐漸提高。試樣中的紅柱石在燒結(jié)過(guò)程中發(fā)生莫來(lái)石化反應(yīng)，隨著紅柱石骨料粒度的增大，莫來(lái)石化程度逐漸降低，因此殘存紅柱石的含量增加。

　　顯微結(jié)構(gòu)分析

　　圖5示出了經(jīng)1450℃保溫3h燒成的試樣MA1( 加≤1 mm紅柱石) 和試樣MA5(加5mm～3 mm 紅柱石) 的顯微結(jié)構(gòu)。由圖5可知，兩試樣中的紅柱石骨料( 已部分莫來(lái)石化) 與基質(zhì)部分均發(fā)生分離而產(chǎn)生了微裂紋。這可能是由于紅柱石骨料(已部分莫來(lái)石化) 的熱膨脹系數(shù)各向異性，紅柱石骨料與基質(zhì)必然存在熱膨脹系數(shù)失配。在燒結(jié)降溫過(guò)程中由熱膨脹系數(shù)失配產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致了微裂紋的產(chǎn)生。通過(guò)對(duì)比圖5(a) 和圖5(b) 可知: 添加的紅柱石骨料粒度越大，燒成試樣中形成微裂紋的尺寸也越大。而微裂紋尺寸的增大，會(huì)導(dǎo)致試樣的抗折強(qiáng)度和彈性模量不斷降低( 見(jiàn)圖2和圖3) 。

　　結(jié)論

　　不加紅柱石骨料的燒成試樣抗折強(qiáng)度最大，但抗熱震性最差； 添加紅柱石骨料的燒成試樣，隨著紅柱石骨料粒度的增大，試樣的抗折強(qiáng)度和彈性模量逐漸減小，但抗熱震性逐漸增強(qiáng)。

　　在試樣燒結(jié)降溫過(guò)程中，添加的紅柱石骨料粒度越大，紅柱石骨料與基質(zhì)間的熱膨脹系數(shù)失配產(chǎn)生的應(yīng)力越大，產(chǎn)生微裂紋的尺寸也就越大； 而較大尺寸的微裂紋在熱震過(guò)程中可以有效阻止新裂紋的產(chǎn)生和裂紋擴(kuò)展，提高莫來(lái)石—?jiǎng)傆癫牧系目篃嵴鹦裕虼颂砑?0%(w) 的5 mm～ 3 mm 紅柱石骨料的試樣具有較好的抗熱震性。