通過添加不同粒徑金屬鋁來改善鎂碳磚的部分性能

通過改變MgO-C磚中所添加的金屬鋁粒徑，並根據此時鋁的分布狀態，對磚組織進行了評價，研究了與物理性能的關係。金屬鋁的粒徑越小，乾燥後及燒成後的鋁成分向結構中的分散性就越高。這些分散性的不同可以用分析EDS圖像獲得的分形尺寸表示，鋁的分散性高，磚結構均勻，性能提高，波動也降低。

（金屬鋁粉）

1、前言

MgO-C磚不易受到爐渣浸潤，抗熱震性高，所以一直被作為轉爐、電爐和二次精煉爐等精煉容器的內襯材料使用。為了提高磚組織的緻密度和強度，在MgO-C磚中添加金屬鋁、Si和B4C等金屬及碳化物。其中，添加金屬鋁的MgO-C磚的高溫強度可期待有所提高。而且，眾所周知，如果改變混合工藝，使耐火材料中金屬鋁的分散狀態發生變化，那麼會影響鋁的反應性和強度。本文著重研究了MgO-C磚中所添加的金屬鋁的粒徑發生變化時鋁的分布狀態，對其組織進行了評價，並研究了和物理性能的關係。

2、試驗方法

試驗所採用的試樣，其組成為:MgO87%、鱗狀石墨13%、外加2%平均粒徑為120μm、30μm和3μm的金屬鋁(見表1)。使用酚醛樹脂作為結合劑，混合後用真空油壓機成型為100mm×230mm×115mm的形狀，然後在250℃乾燥5h。乾燥後切割出規定的形狀，在電爐中分別於600℃、800℃、1000℃、1200℃和1400℃下還原燒成10h，測定了常溫抗折強度、高溫彈性模量、體積密度和顯氣孔率，用粉末X射線衍射、光學顯微鏡和SEM對組織結構進行了觀察。另外，對乾燥後和於1400℃燒成後的試樣，以EDS獲得的金屬鋁元素圖像為基礎，將金屬鋁的分布狀態進行了雙值化處理，採用盒式計數法通過分形分析對組織結構進行了評價。

3、試驗結果以及研究

3.1物理性能測定結果

圖1示出了在各溫度下燒成的試樣的體積密度;圖2示出了顯氣孔率。按照所添加的金屬鋁的粒徑來比較，粒徑越小則體積密度越大、顯氣孔率越低。

表1　試樣的組成及金屬鋁粒徑

圖1　各試樣的體積密度

圖2　各試樣的顯氣孔率

圖3和圖4分別示出了常溫抗折強度和高溫彈性率。所添加金屬鋁的粒徑越小，抗折強度和高溫彈性率則越大。

圖3　各試樣的常溫抗折強度

圖4　各試樣的彈性率

3.2礦物相的鑑定

圖5示出了在各溫度下燒成磚的粉末X射線衍射結果。關於1號試樣，當燒成溫度為600~1000℃時可以看到金屬鋁的峰值;溫度為1200℃時可以看到與金屬鋁生成的Al4C3的峰值;溫度為1400℃時檢測到了MgAl2O4的峰值。

圖5　各試樣的礦物相

關於2號試樣，在600~800℃時檢測出了金屬鋁;在1000℃時金屬鋁峰值消失，發現存在Al4C3、MgAl2O4的峰值;在1400℃時出現尖晶石的峰值。

關於3號試樣，在600℃時檢測出了金屬鋁，但在800℃時金屬鋁峰值消失，發現存在Al4C3峰值，當在1200℃時，明顯存在尖晶石峰值。根據該結果可知，所添加金屬鋁的粒徑越小，在低溫下鋁越容易消失，並生成Al4C3、MgAl2O4等鋁化合物。

3.3組織分析

圖6示出了在1400℃燒成後各磚的SEM圖像。不管粒徑大小，凡是添加了金屬鋁，認為有鋁存在的地方，都有孔洞形成。關於這些孔洞的形成機理，正如山口等人的報告那樣，推測如下。

(1)首先，金屬鋁被加熱到熔點以上，其表面形成Al4C3皮膜;

(2)達到熔點的鋁氣化，皮膜的內壓上升;

(3)溫度進一步升高，由於Al(g)、Al2O(g)的壓力，Al4C3皮膜破裂，Al(g)、Al2O(g)擴散到組織中。

推測這次使用的粒徑為3~120μm的金屬鋁都是按照這種擴散機理在組織中進行分布的。

圖6　各試樣在1400℃時的SEM圖像

3.4通過分形分析對分散性的評價

圖7示出了各試樣硬化後以及1400℃燒成後的分析圖像和由此獲得的分形尺寸。一般認為乾燥後的試樣圖像所獲得的分形尺寸表示所添加的金屬鋁的分散狀態，在溫度為1400℃燒成後的試樣圖像所獲得的分形尺寸表示Al4C3、Al2O3、MgAl2O4等所有的鋁化合物的分散性。關於硬化後鋁在組織中的分散性，推測的是金屬鋁的粒徑越小，分形尺寸越大，分布則更均勻。其次，關於燒成前後的分散性，它與硬化後的情況一樣，金屬鋁的粒徑越小，分形尺寸越大，並且不管金屬鋁粒徑是多少，燒成後的分形尺寸都比乾燥後大。一般認為這是由於通過上述的擴散機理，鋁元素擴散到組織中生成了鋁化合物的緣故。

圖7　各試樣的映射圖像和分形尺寸

3.5強度波動

圖8示出了根據1400℃燒成後試樣的常溫抗折強度計算出的韋布爾係數與分形尺寸的關係。

圖8　分形尺寸與韋布爾係數之間的關係

從圖中可知:分形尺寸越大，韋布爾係數則越大，強度波動降低。由此推測，金屬鋁和鋁化合物在組織中的分散性越高，則越能形成均勻的組織，抑制性能的波動。

4、結語

對添加不同粒徑金屬鋁的MgO-C磚的組織和物理性能進行了研究。金屬鋁的粒徑越小，乾燥後及燒成後的鋁成分向組織中的分散性則越好。另外明確得知，分散性的差異可以利用EDS圖像分析所獲得的分形尺寸來表示，鋁的分散性越高，磚組織越均勻，則越能提高性能，減小波動。