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原位钡长石的形成对铝硅酸盐浇注料的影响

2011年07月19日 08:14 尹永光/文

    铝硅酸盐耐火材料由于价格低廉被广泛应用于熔铝炉内衬。该材料中由于SiO2的存在而使其抗侵蚀性和力学性能变差。目前对该材料研究的焦点就是通过添加抗润湿添加剂(如BaSO4、AlF3、CaF2和AlTiO3)来改善其抗铝液侵蚀性。有研究表明,在高铝浇注料中添加3%的钡长石可使其侵蚀面积减少约50%。美国的研究人员通过向铝硅酸盐耐火材料中添加BaCO3使材料中原位生成钡长石,考察了该添加剂对材料抗铝液侵蚀性的影响。
    试验采用一种市售浇注料(SM)作为研究基础配料,其化学组成(w)为:SiO2 45.6%、Al2O3 42.5%、Fe2O3 0.8%、TiO2 1.8%、CaO 2.3%、MgO 0.2%、Na2O+K2O 0.9%。浇注料中的高SiO2含量可使加热过程中生成预期的钡长石相。以SM组成为基础,逐渐增加BaCO3的加入量,各组试样的组成见表1(由于加入添加剂打乱了优化的颗粒级配,因此在A中加入了4%SiO2和4%Al2O3)。
表1 各组试样组成
编号 组成
A SM+4%SiO2+4%Al2O3
B SM+4% BaCO3
C SM+8% BaCO3
D SM+12% BaCO3
    按配方配料,加入5.5%~6%的水搅拌均匀,振动浇注成225 mm×112 mm×63 mm尺寸的试样,常温养护24 h后,在120 ℃干燥24 h,然后经1 200 ℃ 2 h热处理,升温与冷却速率均为5 ℃•min-1。冷却后,将试样沿中心切开,并在每半块试样中切一个直径为38 mm的孔,作为静态抗渣用试样。孔中切去的试样用来测试体积密度、显气孔率以及进行XRD物相分析。采用铝合金AL 5083作为侵蚀剂测试材料的抗侵蚀性,铝合金件的尺寸为φ25 mm×38 mm,重约70 g。
    抗铝液试验:将制备好的试样放入顶端负载、顶盖带孔的箱式电阻炉中,1 200 ℃保温2 h后,以3 ℃•min-1的速率降至1 000 ℃,此时在加热炉顶部的孔中安装钢管联接的滴水盘系统,水流速率控制在约10 mL•min-1,水滴入加热炉中,在1 000 ℃形成H2/H2O气氛,该气氛保持24 h后,打开炉盖并将铝合金放入试样中,迅速关闭炉盖并保持水流继续。保持该种蒸汽气氛和炉温240 h,然后以5 ℃•min-1的速率冷却。将冷却的试样沿中轴线锯开,观察其侵蚀与渗透情况,测量试样的渗透深度,并选取试样进行显微结构分析。试样的显气孔率根据标准ASTM C830以煤油为介质进行测量。
    研究结果:(1)XRD物相分析显示,随BaCO3加入量的增加,钡长石的峰逐渐增强。添加4%BaCO3的试样中钡长石很少,BaCO3含量低导致生成了非晶相的硅酸钡中间体化合物,XRD检测不到。添加8%和12% BaCO3的试样中均生成了钡长石,相应的石英峰强度降低。游离SiO2可与BaO、Al2O3生成硅酸钡中间体化合物、钡长石及莫来石等而被消耗掉,减少了游离SiO2的含量,同时也使莫来石的生成量降低,从而达到改善材料性能的目的。(2)试样A的显气孔率最高为18%,试样D的显气孔率最低为8%,试样B和C的显气孔率分别为11%和10%。显微结构也证实了A和B气孔率的不同。添加BaCO3可以降低耐火材料的显气孔率,这是因为1 300 ℃烧后,形成富含Ba的液相,可以起到阻塞气孔的作用,从而阻止熔融铝的渗透。(3)抗铝液试验结果显示,未添加BaCO3的试样A被铝液渗透侵蚀得最严重,其他试样中随着BaCO3加入量的增加,其抗侵蚀性明显得到改善。添加12% 的BaCO3可使材料的侵蚀面积减小约40%,且该试样的侵蚀界面比较致密。
    总之,在铝硅酸盐耐火材料中添加BaCO3提供BaO源,生成不易被铝液润湿的钡长石及富含Ba的液相,降低了材料的气孔率,同时也减少了易于与铝液反应的游离SiO2和莫来石的含量,从而显著改善了耐火材料的抗侵蚀性。
(编译自《UNITECR2009论文集》)

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