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棕刚玉杂质对耐火材料的影响

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棕刚玉杂质对耐火材料的影响

【摘要】:
棕刚玉是一种由天然铝矾土为原料,在电弧炉内经过高温冶炼提纯精炼后,电熔合成的一种高温耐火材料。由于硬度大、纯度高、磨削力强,先是被广泛应用于磨料磨具行业,近年来由于高炉、转炉的大型化,开始被广泛用作中、大型高炉出铁钩浇注料、无水炮泥以及刚玉砖的原料,并取得很好的使用效果, 并为耐火材料的发展做出了巨大的贡献。   可是近年来随着生产棕刚玉厂家的增多,矾土品味的下降,以及电费的提高,棕刚玉生产成本面临很大的压力,加之市场竞争激烈,利润逐渐下降,同时产品品质也逐渐下降,质量不稳定,粉化、爆裂的现象经常发生,成了棕刚玉的一种通病,也成了耐火材料厂家比较头疼的一个问题,因为直接影响使用效果,所以很大程度上也制约了棕刚玉市场的发展,虽然在铝硅系和氧化铝系占有很大的份额,但是和铝矾土相比,还是相差甚远。为此,我们专门针对棕刚玉的各项杂质进行分析,实验、论断,来判定其杂质对耐火材料究竟有哪 些影响?我们应该如何避免这些情况的发生。     棕刚玉呈棕褐色,一般Al2O3≥94.5%,SiO2≤3.5%,Fe2O3≤1%,TiO2≤3%,另外还有少量的CaO、MgO、K2O等杂质。其矿物相以α-Al2O3为主,晶体形状中心部位为菱形、厚板形和带有裂纹的颗粒,周边有较多的氧化硅、氧化钙熔体结晶,呈长板状,最粗大晶粒呈骸状片晶。由于杂质尚未完全去除,因此 次晶相为六铝酸钙、钙斜长石、尖晶石、金红石等,还有少量的玻璃相、铁合金固溶体等。     从棕刚玉的理化性质我们可以看出,SiO2,Fe2O3,TiO2是棕刚玉中主要的杂质成分,直接影响棕 刚玉的高温物理性能,也是影响耐火材料使用情况的直接因素。我们分析SiO2。  棕刚玉中SiO2的含量一般在1-3%左右,一般情况下,棕刚玉Al2O3≥95%时,SiO2的含量在2% 以下,当Al2O3≥96%时,SiO2的含量在1.2%以下。根据耐火材料中各种化学成分的含量和其作用,通常将其分为主成分、杂志和外加成分三大类:(一)主成分 耐火材料中的主成分是指占绝大多数的、对耐火高温性质起决定性作用的化学成分。耐火材料之所以具有优良的抵抗高温作用的性能,以及许多耐火材料又具特性,完全或基本上取决于主成分。所以,对耐火材料的主成分,必须予以充分重视。通常,对耐火材料依化学组成分类,以及对许多同材质耐火材料划分为若干等级,都是或多半是根据其主成分的种类以及含量多寡而定的。可作为耐火材料主成分的都是具有很高晶格能的高熔点或分解温度很高的单质或化合物。要求它在耐火材料生产或者服役过程中能形成稳定的具有优良性能的矿物,在自然界储量较高而且较易提取与利用。在地壳中分布较多,可作为耐火材料主成分的主要是氧化物。另外,有一些碳化物、氮化物、硅化物和硼化物,也可作为耐火材料的主成分。现在,生产与使用较广泛的耐火材料中的主成分主要是Al2O3、BeO、Cr2O3、MgO、CaO、SiO2、ThO2、TiO2、UO2、ZrO2等氧化物和SiC、WC、B4C等碳化物以及AIN、Si3N4等氮化物。(二)杂志 杂志是指耐火材料中不同于主成分的,含量微少而对耐火材料的抵抗高温性质往往带来危害的化学成分。这种化学成分多是由于含主成分的原料中夹带而来的。耐火材料中的杂志中有的是易熔物,有的本身具有很高熔点,但同主成分共存时,却可产生易熔物。故杂志的存在往往对主成分起强的助熔作用。助熔作用虽有时有助于材料的液相烧结,但对耐火材料抵抗高温作用有严重危害。助熔作用愈强,即由于杂志的存在,系统中开始形成液相的温度愈低,或形成液相量愈多,或随着温度升高液相量增长速度愈快,以及所形成的液相粘度愈低和润湿性愈好,危害愈严重。可见,若Na2O与SiO2共存,由于开始形成也想的温度很低,故以SiO2为主成分的耐火材料中分别含有Al2O3和TiO2,虽然SiO2-Al2O3与SiO2-TiO2两系统的共融温度相近,分别为1595℃和1550℃,但在共融温度下系统内每1%杂质氧化物生成的液相量却差别较大,前者约为后者1.9倍。而且,随温度的升高,此差别更大。如在1600℃下,约为2.3倍。因此,杂志Al2O3较TiO2对SiO2的熔剂作用强。氧化铝对硅质耐火材料的高温性能危害极大,另外,当杂志与主成分共存时,若生成的液相粘度较低,且随着温度升高粘度降低愈快以及润湿性愈好,则对耐火材料的危害愈严重。因此,愈提高耐火材料抵抗高温的性能,必须严格控制杂志的含量。外加成分 常称外加剂,是在耐火材料制品生产中为特定目的的另外加入的少量成分。如为促进材料中某些物相的形成和转化,而加入的矿化剂;为抑制材料中某些物相形成,而加入的抑制剂或稳定剂;为促进材料的烧结,而加入的助熔剂等等。总之,在耐火材料生产中,采取加入少量外加剂可在一定程度上改变材料的组成与结构,从而便于生产和使制品获得某种预期特性。

    棕刚玉是一种由天然铝矾土为原料,在电弧炉内经过高温冶炼提纯精炼后,电熔合成的一种高温耐火材料。由于硬度大、纯度高、磨削力强,先是被广泛应用于磨料磨具行业,近年来由于高炉、转炉的大型化,开始被广泛用作中、大型高炉出铁钩浇注料、无水炮泥以及刚玉砖的原料,并取得很好的使用效果, 并为耐火材料的发展做出了巨大的贡献。

   可是近年来随着生产棕刚玉厂家的增多,矾土品味的下降,以及电费的提高,棕刚玉生产成本面临很大的压力,加之市场竞争激烈,利润逐渐下降,同时产品品质也逐渐下降,质量不稳定,粉化、爆裂的现象经常发生,成了棕刚玉的一种通病,也成了耐火材料厂家比较头疼的一个问题,因为直接影响使用效果,所以很大程度上也制约了棕刚玉市场的发展,虽然在铝硅系和氧化铝系占有很大的份额,但是和铝矾土相比,还是相差甚远。为此,我们专门针对棕刚玉的各项杂质进行分析,实验、论断,来判定其杂质对耐火材料究竟有哪 些影响?我们应该如何避免这些情况的发生。

     棕刚玉呈棕褐色,一般Al2O3≥94.5%SiO2≤3.5%Fe2O3≤1%TiO2≤3%,另外还有少量的CaOMgOK2O等杂质。其矿物相以α-Al2O3为主,晶体形状中心部位为菱形、厚板形和带有裂纹的颗粒,周边有较多的氧化硅、氧化钙熔体结晶,呈长板状,最粗大晶粒呈骸状片晶。由于杂质尚未完全去除,因此 次晶相为六铝酸钙、钙斜长石、尖晶石、金红石等,还有少量的玻璃相、铁合金固溶体等。

     从棕刚玉的理化性质我们可以看出,SiO2,Fe2O3,TiO2是棕刚玉中主要的杂质成分,直接影响棕 刚玉的高温物理性能,也是影响耐火材料使用情况的直接因素。我们分析SiO2。  棕刚玉中SiO2的含量一般在1-3%左右,一般情况下,棕刚玉Al2O3≥95%时,SiO2的含量在2% 以下,当Al2O3≥96%时,SiO2的含量在1.2%以下。

根据耐火材料中各种化学成分的含量和其作用,通常将其分为主成分、杂志和外加成分三大类:

(一)主成分 耐火材料中的主成分是指占绝大多数的、对耐火高温性质起决定性作用的化学成分。耐火材料之所以具有优良的抵抗高温作用的性能,以及许多耐火材料又具特性,完全或基本上取决于主成分。所以,对耐火材料的主成分,必须予以充分重视。通常,对耐火材料依化学组成分类,以及对许多同材质耐火材料划分为若干等级,都是或多半是根据其主成分的种类以及含量多寡而定的。可作为耐火材料主成分的都是具有很高晶格能的高熔点或分解温度很高的单质或化合物。要求它在耐火材料生产或者服役过程中能形成稳定的具有优良性能的矿物,在自然界储量较高而且较易提取与利用。在地壳中分布较多,可作为耐火材料主成分的主要是氧化物。另外,有一些碳化物、氮化物、硅化物和硼化物,也可作为耐火材料的主成分。现在,生产与使用较广泛的耐火材料中的主成分主要是Al2O3BeOCr2O3MgOCaOSiO2ThO2TiO2UO2ZrO2等氧化物和SiCWCB4C等碳化物以及AINSi3N4等氮化物。

(二)杂志 杂志是指耐火材料中不同于主成分的,含量微少而对耐火材料的抵抗高温性质往往带来危害的化学成分。这种化学成分多是由于含主成分的原料中夹带而来的。耐火材料中的杂志中有的是易熔物,有的本身具有很高熔点,但同主成分共存时,却可产生易熔物。故杂志的存在往往对主成分起强的助熔作用。助熔作用虽有时有助于材料的液相烧结,但对耐火材料抵抗高温作用有严重危害。助熔作用愈强,即由于杂志的存在,系统中开始形成液相的温度愈低,或形成液相量愈多,或随着温度升高液相量增长速度愈快,以及所形成的液相粘度愈低和润湿性愈好,危害愈严重。可见,若Na2O与SiO2共存,由于开始形成也想的温度很低,故以SiO2为主成分的耐火材料中分别含有Al2O3TiO2,虽然SiO2-Al2O3SiO2-TiO2两系统的共融温度相近,分别为1595℃和1550℃,但在共融温度下系统内每1%杂质氧化物生成的液相量却差别较大,前者约为后者1.9倍。而且,随温度的升高,此差别更大。如在1600℃下,约为2.3倍。因此,杂志Al2O3TiO2SiO2的熔剂作用强。氧化铝对硅质耐火材料的高温性能危害极大,另外,当杂志与主成分共存时,若生成的液相粘度较低,且随着温度升高粘度降低愈快以及润湿性愈好,则对耐火材料的危害愈严重。因此,愈提高耐火材料抵抗高温的性能,必须严格控制杂志的含量。

外加成分 常称外加剂,是在耐火材料制品生产中为特定目的的另外加入的少量成分。如为促进材料中某些物相的形成和转化,而加入的矿化剂;为抑制材料中某些物相形成,而加入的抑制剂或稳定剂;为促进材料的烧结,而加入的助熔剂等等。总之,在耐火材料生产中,采取加入少量外加剂可在一定程度上改变材料的组成与结构,从而便于生产和使制品获得某种预期特性。