剛玉磚，是以剛玉為主晶相的耐火材料制品，化學穩定性好，對酸性或堿性渣、金屬以及玻璃液等均有較強的抵抗能力。主要用于煉鐵高爐、高爐熱風爐、煉鋼爐外精煉爐、玻璃熔窯以及石油化工工業爐等。現在市場上的高純剛玉磚主要采用電熔剛玉原料生產，生產電熔剛玉具有能耗高、損耗大和不環保等缺點，釆用電熔剛玉原料生產高純剛玉磚存在難以燒結和抗渣性有待提高的問題。近年來，作為一種高檔耐火材料，燒結剛玉的技術及產量得到了突飛猛進的提高。本文嘗試研究采用燒結原料制備高純剛玉磚的可行性。
1、試驗
1.1原料
燒結剛玉，本試驗使用的的燒結剛玉，顯氣孔率為5.7%，吸水率為1.6%，體積密度為3.48g·cm-3。電熔剛玉又稱熔融氧化鋁，試驗所用電熔剛玉顯氣孔率為8.8%，吸水率為2.4%，體積密度為3.61g·cm3。按表1所示準備原料。
表1原料配方
1.2試樣制備
使用15Kg碾輪式混料機，加入顆粒料預混3min，再加3%結合劑混練1min，最后加入細粉混練15min，在100t液壓機上成型，成型壓力280MPa，成型試樣尺寸為(φ50mm×50mm圓柱，150mm×25mm×25mm的長條試樣，外尺寸φ50mm×50mm、內孔尺寸為φ25mm×25mm的i甘禍，試樣110℃保溫24h烘干后在超高溫電爐里經1750℃保溫3h燒成，用于檢測。
1.3性能檢測
按照GB/5988—2004進行加熱永久線變化的測定，按GB/T2997—2000(2004)檢測試樣的體積密度和顯氣孔率，按GB/T5072.1—1998檢測試樣的常溫耐壓強度，按照GB/T3001—2000檢測試樣的常溫抗折強度，按GB/T3002—2004檢測試樣的高溫抗折強度(1400℃保溫0.5h)。采用靜態坩堝法進行制品的抗渣性試驗。采用SEM掃描電鏡觀測試樣的顯微結構。
2、結果與討論
2.1原料顯微結構
圖1給出了原料顆粒的顯微結構。發現燒結剛玉其由粒徑為40~120μm的oi-Al2O3晶體所組成，存在一定量的閉口球狀氣孔，電熔剛玉結構較致密，存在一定量的開口氣孔，孔徑較大。
(a)燒結剛玉顆粒(b)電熔剛玉顆粒
圖1原料顆粒的顯微結構
2.2重燒線變化
圖2給出了不同原料配比制備試樣的重燒線變化曲線。實驗結果顯示，所有試樣都呈現出燒成收縮的趨勢，但隨著燒結剛玉含量的增加，燒成收縮量增大。對比原料指標，我們發現：燒結剛玉顆粒內含有較多量的氣孔，如果以α-Al2O3真密度3.99g·cm-3計算，其體積密度為3.48g·cm-3，則其所含氣孔總量約為13%，并且燒結剛玉的晶粒尺寸較小，在燒結過程中，有利于擴散傳質燒結，部分氣孔隨著物質的遷移沿著晶界從晶體中排除，造成體積收縮。而電熔剛玉顆粒的體積密度為3.61g·cm-3，所含氣孔總量約為9%，因其在高溫電弧爐內熔融冷凝制得，原料的晶粒尺寸大，晶界通道少，因此燒結收縮相對燒結剛玉顆粒要小。
圖2不同試樣的重燒線變化
2.3顯氣孔率和體積密度
根據圖3所示，總體上，燒結剛玉含量較高的試樣顯氣孔率較低，體積密度較高，這是因為燒結剛玉原料的顯氣孔率為5.7%，而電熔剛玉原料的顯氣孔率為8.8%，燒結剛玉原料的顯氣孔率較小。此外，相對電熔剛玉原料，燒結剛玉原料中的氣孔更容易從晶體中排除，減少了氣孔率，造成較大的體積收縮的同時，進一步提高了試樣的體積密度。因此，燒后試樣的顯氣孔率隨燒結剛玉含量的提高而降低。
圖3 不同試樣的顯氣孔率與體積密度
從圖4中可以看出，純燒結剛玉原料C1磚比純電熔剛玉原料C5磚的常溫耐壓強度要大很多。分析原因主要有兩點，首先從原料強度分析，燒結剛玉原料的晶粒較小，材料的斷裂強度(σ)與晶粒尺寸(G)之間有以下函數關系：
σ=f(G-1/2)
所以燒結剛玉材料的強度較高，而電熔剛玉原料較脆，容易產生剝落，(如圖5(a))，并且還存在少量的β-Al2O3相，降低了原料強度。再從材料的結合狀態分析，燒結剛玉顆粒與基質間的結合良好，幾乎燒結成一個整體，而電熔剛玉顆粒則與基質間的結合不好，易在顆粒周圍形成環狀裂紋(如圖5(b))。由于以上兩個原因，純燒結剛玉原料C1磚的機械強度優于純電熔剛玉原料C5磚。
圖4 不同試樣的強度
圖5 使用電熔剛玉制備試樣的顯微結構
2.4抗渣性
向坩堝內加入20g氣化爐渣(爐渣成分見表2)，以100℃·h-1的升溫速率在試驗電爐內將坩堝加熱到1550℃，保溫3h，冷卻至室溫后將坩堝沿軸向切開，觀察縱向切面的顯微結構變化。
表2爐渣化學成分
圖6靜態坩堝抗渣剖面圖
將抗水煤漿氣化爐渣侵蝕試驗后磚制樣，采用電鏡對其顯微結構觀察。電鏡觀察水煤漿氣化爐渣呈魚骨狀，主要為鈣長石相(如圖7(a));爐渣與試驗磚中的剛玉相反應生成鎂鋁鐵復合尖晶石相，能譜分析該復合尖晶石相的成分為(x/%)：MgO40.43%，Al2O347.61%，Fe2O311.96%。反應生成的鎂鋁鐵復合尖晶石相在剛玉顆粒周圍形成環帶(如圖7(b))，燒結剛玉顆粒周圍環帶厚度為60~90μm，電熔剛玉顆粒周圍環帶厚度為50~70μm，可見爐渣更易與燒結剛玉反應，主要因為燒結剛玉燒結活性大，晶粒較小，閉氣孔較多，存在較多的晶界，渣易于沿晶界滲入，與燒結剛玉發生化學反應。
(a)爐渣(b)C2工作面
圖7爐渣及抗侵蝕試驗后的剛玉磚試樣顯微結構圖
C1、C2、C3、C4和C5的侵蝕深度沒有明顯差別，都約為1mm，圖8分別為C1磚和C5磚侵蝕后的顯微結構照片，爐渣首先與磚基質反應，使剛玉顆粒呈孤島狀，然后與顆粒反應，將顆粒蠶食掉。
圖8抗渣試驗后剛玉磚試樣的顯微結構圖
不同配方制備的試驗磚滲透機理相似，爐渣沿氣孔向磚中滲透，以玻璃相和鈣長石相存在于晶間和氣孔中，如圖9所示。
圖9抗渣試驗后剛玉磚試樣C5滲透層的顯微結構圖
但不同試樣卻表現出不同的抗滲透性能：表3給出了不同試樣中SiO2的滲透深度，隨著磚中燒結剛玉含量的降低，渣的滲透深度呈遞增趨勢。
表3距工作面不同距離基質SiO2含量
造成這種結果的原因有兩個：一是燒結剛玉含量高的試樣顯氣孔率較低，二是燒結剛玉原料顆粒與基質的結合較好，阻礙了渣向試樣中的滲透。
3、結論
由于燒結剛玉晶粒尺寸較小，顆粒內存在較多量的氣孔，有利于擴散傳質燒結，部分氣孔隨著物質的遷移沿著晶界從晶體中排除，造成體積收縮，導致試樣燒成線收縮率隨燒結剛玉含量的增加而增加，試樣的顯氣孔率隨燒結剛玉含量的提高而降低。
純燒結剛玉原料呈細晶結構，強度高，并且燒結活性大，磚中燒結剛玉顆粒與基質間的結合良好，所以機械強度性能隨著燒結剛玉的含量上升而上升。
靜態坩堝抗渣試驗結果顯示，燒結剛玉能夠減緩渣向磚中的滲透，造成這種結果的原因有兩個：一是燒結剛玉含量高的試樣顯氣孔率較低，二是燒結剛玉原料顆粒與基質的結合較好，阻礙了渣向磚的滲透。 |
