燒結(jié)鋯莫來石磚和電熔莫來石耐火磚

燒結(jié)鋯莫來石磚

是以莫來石、氧化鋯為原料，熔鑄而成的耐火磚。鋯莫來石熔鑄磚具有致密的晶體結(jié)構(gòu)、較高的軟化溫度、良好的熱穩(wěn)定性、在常溫和高溫下的機(jī)械強(qiáng)度、較高的耐磨性、良好的導(dǎo)熱性和耐腐蝕性能。

用工業(yè)氧化鋁和鋯英石精礦為原料，采用反應(yīng)燒結(jié)工藝，將ZrO2引入莫來石基質(zhì)中，制得了一種高級(jí)耐火磚，其反應(yīng)公式為：3A12O3十2ZrSiO4→3A12O3·2SiO2+2ZrO2莫來石陶瓷具有許多優(yōu)異的性能，如耐高溫、耐熱震、耐高溫蠕變、化學(xué)穩(wěn)定性好等。在莫來石陶瓷中引入ZrO2，利用ZrO2的相變?cè)鲰g能顯著提高材料的高溫力學(xué)性能。在莫來石材料中加入ZrO2可促進(jìn)燒結(jié)，ZrO2的加入可使坯體在1530℃下的相對(duì)體積密度提高至98%，而當(dāng)ZrO2的摩爾分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，坯體在1530℃下的燒結(jié)相對(duì)體積密度可提高至98%，強(qiáng)度可達(dá)378MPa，韌性可達(dá)4.3MPa·m1/2。不同組分的ZrO2材料對(duì)強(qiáng)韌化的作用不同。當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為15%-30%時(shí)，ZrO2材料主要表現(xiàn)為應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g；當(dāng)體積分?jǐn)?shù)大于30%時(shí)，ZTM材料主要表現(xiàn)為微裂紋增韌。粉體的粒度對(duì)ZrO2材料的力學(xué)性能有較大的影響。在ZTM材料的基體中，ZrO2的顆粒尺寸較大，大多數(shù)ZTM材料以m—ZrO2的形態(tài)存在，材料主要為微裂紋增韌。結(jié)果表明，t-ZrO3在ZTM材料中的相對(duì)含量較高，其對(duì)材料力學(xué)性能的改善主要來源于t-ZrO3相變?cè)鲰g。制備燒結(jié)鋯莫來石磚有兩種工藝：一是在制備耐火磚的過程中完成反應(yīng)燒結(jié)，獲得完全相變的顯微結(jié)構(gòu)；二是在保持不平衡的情況下，部分相變保持相結(jié)合。兩者生產(chǎn)工藝各具特色，均可生產(chǎn)出性能優(yōu)良的耐火磚。為降低工業(yè)生產(chǎn)中耐火磚的價(jià)格，常采用高鋁礬土代替工業(yè)氧化鋁生產(chǎn)含鋯的莫來石磚。

電熔莫來石制磚

以高鋁礬土或工業(yè)氧化鋁、粘土或硅石為原料，經(jīng)電弧爐熔融、再澆注成型和退火后制成的耐火磚，其主要礦物成分為莫來石。

一、構(gòu)成。

莫來石組成3AI2O3-2SiO2-2A12O3-SiO2組，其熔點(diǎn)在1827-1890℃之間，且硬度較高。在高溫熔液中冷卻析晶時(shí)，由于結(jié)晶粗大不均勻，容易使莫來石電熔磚產(chǎn)生裂紋。在低共熔體系中，熔融后的熔液流動(dòng)性好，能在莫來石析晶過程中產(chǎn)生均勻的細(xì)結(jié)晶，降低了鑄件開裂的可能性。所以電熔莫來石磚的組成應(yīng)以Al2O3/SiO2的質(zhì)量比為79/21時(shí)為宜。但是在生產(chǎn)中也需要考慮到原料中含有大量的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)與AI2O3,SiO2在高溫下發(fā)生反應(yīng)，因此A12O3和SiO2的比例也會(huì)發(fā)生變化。因此，實(shí)際使用的AI2O3/SiO2之比要略低一些。

摻雜對(duì)電熔莫來石磚生產(chǎn)的影響主要有：

鐵的氧化物與TiO2一樣，可以部分地進(jìn)入莫來石固溶體，雖然對(duì)莫來石的熔點(diǎn)影響不大，但會(huì)增加玻璃含量，使鑄件的玻璃相部分染黑，降低制品的耐火磚性能。

堿金屬氧化物對(duì)莫來石的結(jié)晶和熔化過程影響很大，可以降低莫來石的含量，生成更多的玻璃相。

(3)氧化鈣對(duì)鉸鏈有影響，但對(duì)莫來石析晶也有阻礙作用。

(4)氧化鎂對(duì)莫來石析晶的影響低于氧化鈣，在少量存在時(shí)，使鋁尖晶石、堇青石和剛玉等析晶混合物的含量在少量存在時(shí)，相應(yīng)地減少了莫來石的含量。

在熔融還原過程中，加入木炭或焦炭還原劑的Fe2O3可以去除，其余雜質(zhì)無法還原去除，主要是進(jìn)入熔融液中保存在玻璃相中。

二、原材料

高鋁礬土、鐵礬土、工業(yè)氧化鋁和粘土是常用的原料。使用高鋁礬土和鐵礬土?xí)r，AI2O3/SiO2的比值應(yīng)>3.2,Fe2O3<1.5%,TiO2<3.0%,CaO<1.0%。鋁鋁土礦的原料要進(jìn)行預(yù)燒，排除結(jié)構(gòu)水，以避免由于水蒸氣集中分解在電弧爐中排放而引起的爆鳴和飛濺。

三、成分。

合理地選擇材料的成分是制造莫來石含量高、剛玉和玻璃相含量低的電熔莫來石磚的重要工藝條件。鋁硅系數(shù)(AI2O3/SiO2質(zhì)量比)用來表示AI2O3和SiO2在配料中的相對(duì)含量。對(duì)莫來石固溶體臨界組成時(shí)的硅鋁系數(shù)(2.8-2.9)，從理論上進(jìn)行了分析。而高溫熔融時(shí)，SiO2揮發(fā)性與還原性降低，部分SiO2被消耗，使成分中Al2O3含量相對(duì)增加。所以在實(shí)際配料中，鋁硅系數(shù)的控制值要低于理論控制值，一般可取2.50左右。

還原劑的添加量取決于原料中Fe2O3的含量，不能過多，通常還原鐵約需0.225kg活性炭。如果添加量過大，必然導(dǎo)致SiO2被還原的量過多，從而影響莫來石量。為了使熔化過程中產(chǎn)生的氣體容易逸出，原料中也應(yīng)加入適量的木屑。

四是熔化。

電弧爐是電弧爐的主要熔化設(shè)備，有固定式和傾斜式。傾動(dòng)式單相或三相電弧爐在工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用。一般電壓為150~190V，采用低電壓大電流系統(tǒng)，電流強(qiáng)度在1600~2000A之間。融化溫度介于1900-2200℃。電力消耗量約為2500-3000kWh/t。

五、澆注

在一定形狀和尺寸的模型中注入熔液，冷卻后形成具有相同形狀和尺寸的致密、均勻組織的產(chǎn)品。鑄造的尺寸應(yīng)該盡可能準(zhǔn)確，這樣加工量就會(huì)小。澆鑄模型采用高純度石英砂(型砂中SiO2含量>96%)、適員(57%)粘合劑(水玻璃、紙漿廢液、亞麻油和棉籽油等)混合成型。

六、熱處理

用來制造含有大量給定結(jié)晶相和少量玻璃的鑄塊。經(jīng)過熱處理的鑄塊應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，且不會(huì)產(chǎn)生過大的內(nèi)應(yīng)力。通常，熱處理分為結(jié)晶和退火兩個(gè)階段。

a)結(jié)晶；對(duì)電熔莫來石磚來說，希望莫來石制品內(nèi)部結(jié)晶為纖維狀或細(xì)小顆粒，分布均勻。冷卻速度是影響晶粒度的主要因素。通過對(duì)Al2O3系SiO2的平衡圖研究，發(fā)現(xiàn)莫來石是一種一致熔融化合物，直接從熔液中凝固析晶，而不會(huì)預(yù)先析出剛玉。但在熔液中含有一定量的熔劑時(shí)，熔體在冷卻時(shí)先析出剛玉，而莫來石晶在1750~1800℃下才開始穩(wěn)定析出。因此，應(yīng)該在熔體開始析晶到1800℃的溫度范圍內(nèi)快速冷卻，而在莫宋石開始析晶的溫度低于此溫度時(shí)，應(yīng)給予適當(dāng)?shù)谋�溫時(shí)間，或充分緩慢冷卻，以便使剛析出的剛玉晶粒有足夠的時(shí)間與熔體作用形成莫來石，從而使制品中的莫來石含量達(dá)到高。

二、退火(鑄件冷卻)。結(jié)晶后鑄件在冷卻過程中，由于各部分散熱不均，導(dǎo)致鑄件內(nèi)部有溫度梯度，產(chǎn)生較大的應(yīng)力，導(dǎo)致鑄件發(fā)生開裂、脫棱角等現(xiàn)象。冷速越快，產(chǎn)生廢物的可能性越大。所以鑄件需要慢速冷卻。

有兩種退火方式：自退火和外熱退火。自退火依賴于鑄模外部良好的絕緣層，常用蛭石作為保溫隔熱材料層。冷速可以通過隔熱層的厚度調(diào)節(jié)為正數(shù)。慢冷溫度范圍，主要在1800~1100℃，一般控制在每小時(shí)60~70℃。隧道式退火爐常用于室外熱退火，冷卻速度可控制在<100-150℃/h。

第七，機(jī)械加工。

因模具形狀不正確，澆注時(shí)上下收縮不一致，產(chǎn)生縮孔，以及鑄口和鑄面起皺等，都需要切削加工后才能使用。但是鑄造硬度很高，加工困難。常用粗粒金剛石砂輪切削加工工藝及設(shè)備。 

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