鋯英石對鎂質復相耐火材料各項使用性能的影響

2020-12-05 科瑞耐材

不燒鎂質復相耐火材料中適量引入鋯英石有利於提高系統的抗渣性及熱震穩定性，鋯英石中二氧化矽與鎂質材料中氧化鎂形成高熔點礦物相鎂橄欖石，同時鋯英石中二氧化鋯能吸收渣中的氧化鈣形成鋯酸鈣，堵塞材料中氣孔，抑制渣的進一步滲透等。

鋯英石對鎂質復相耐火材料的性能影響

1.鋯英石對鎂質復相耐火材料熱膨脹係數和熱膨脹率的影響：

從鋯英石對鎂質復相耐火材料試樣線膨脹率隨試樣溫度變化趨勢可以看出，當試樣溫度小於1100℃時，鎂質復相耐火材料試樣線膨脹率隨著試樣溫度升高而逐漸穩定增大，鋯英石的加入對鎂質復相耐火材料線膨脹率影響不大。

當試驗溫度大於1300℃時，鋯英石試樣的線膨脹率的增大趨勢減緩，線膨脹係數呈減小趨勢。鋯英石加入量(質量分數)小於4%時，鎂質復相材料在1100～1300℃之間的線膨脹率和線膨脹係數隨鋯英石加入量增大而減小。

分析認為質質中高純鎂砂細粉、氧化鋁微粉和氧化鉻微粉在約1100℃時開始固相反應形成鎂鋁尖晶石、鎂鉻尖晶石以及鎂鋁鉻尖晶石固溶體是導致鎂質復相材料試樣熱膨脹係數增大的主要原因。

試樣的熱膨脹率和熱膨脹係數在1100～1300℃之間時，出現了更強的增大趨勢，其中在1170℃時出現了一個拐點，熱膨脹率和熱膨脹係數增大趨勢減弱。在1100℃出現熱膨脹率和熱膨脹係數顯著增大的原因有兩個方面：

(1)鎂質復相耐火材料質質中原位尖晶石的形成伴隨有8%～10%的體積膨脹導致了鎂質復相材料試樣線膨脹係數的增大，當試驗溫度達到1300℃時，試樣體積效應最強，而溫度的繼續升高和原位反應的逐漸結束使得不燒磚試樣的線膨脹係數逐漸減小。

(2)鎂質復相耐火材料質質中原料——高純鎂砂中的氧化鎂與鋯英石在約1100℃時發生了反應(MgO+ZrSiO4→Mg2iO4+氧化鋯)，導致不燒磚試樣的體積膨脹，原因是反應形成了高溫相鎂橄欖石相和單斜晶型的二氧化鋯。

2.鋯英石對鎂質復相耐火材料燒後線變化率的影響：

鋯英石對鎂質復相耐火材料燒後線變化率的影響分析，1100℃和1500℃燒後試樣的燒後線變化趨勢可以看出，隨著鋯英石加入量增加，燒後試樣的燒後線變化率逐漸增大，經1500℃燒後試樣的膨脹性明顯高於經1100℃燒後試樣的膨脹性。

分析認為，經1100℃燒後試樣中鋯英石與氧化鎂固相反應產生的體積膨脹加劇，加之部分原位尖晶石的形成，因此隨著鋯英石加入量的增加，經1100℃燒後試樣的燒後線變化率逐漸增大。

經1500℃燒後試樣中鋯英石與氧化鎂固相反應和二氧化鋯晶型轉變都已經結束，隨著配方中鋯英石加入量增加，形成的四方晶型二氧化鋯有利於提高尖晶石的原位反應，因此經1500℃燒後試樣的燒後線變化率呈逐漸增大趨勢。

3.鋯英石對鎂質復相耐火材料燒後體積密度和顯氣孔率的影響：

經過110℃乾燥後試樣的體積密度和顯氣孔率隨著鋯英石加入量的增加變化趨勢不明顯，試樣體積密度在3.15～3.18g/cm3範圍之內，顯氣孔率在12%～14%範圍之內。

而隨著鋯英石加入量的增加，經1100℃燒後試樣的體積密度呈現逐漸減小趨勢，顯氣孔率呈現逐漸增大趨勢。當鋯英石加入量(質量分數)小於6%時，經1500℃燒後試樣體積密度隨著鋯英石加入量增加而逐漸減小，顯氣孔率逐漸增大。

分析認為經1500℃燒後試樣隨著鋯英石加入量增加，鎂質復相耐火材料試樣質體燒結性增強，雖然燒後試樣出現體積膨脹，但質體燒結性能增強使得鎂質復相材料燒後試樣的體積密度隨著鋯英石的加入而增大。

4.鋯英石對鎂質復相耐火材料燒後常溫抗折強度的影響：

分析鋯英石加入量對鎂質復相耐火材料，經110℃乾燥後試樣常溫抗折強度的影響趨勢可以看出，乾燥後試樣的常溫抗折強度變化趨勢不明顯。

經110℃乾燥後試樣的常溫強度主要源於試驗選用的磷酸鹽結合劑在鎂質復相材料內部所形成網絡結構，乾燥後不燒磚試樣中多餘的物理水蒸發出去，鎂質復相材料中加入鋯英石沒有改變乾燥後試樣質體中磷酸鹽所形成的網絡結構。

經1100℃和1500℃燒後試樣常溫抗折強度明顯比經110℃乾燥後試樣的常溫抗折強度小，1100℃燒後試樣中幾乎不存在磷酸鹽結合的網絡結構，燒後試樣的常溫強度隨著鋯英石與高純鎂砂中氧化鎂固相反應所造成的體積膨脹而逐漸降低。

經1500℃燒後試樣的常溫抗折強度隨著鋯英石加入量增加而呈現增大趨勢，鋯英石反應形成的二氧化鋯對鎂質復相材料起到促進燒結的作用，試樣質質中形成的原位尖晶石以及反應形成的鎂橄欖石有利於燒後鎂質復相材料的直接結合。

5.鋯英石對鎂質復相耐火材料熱震穩定性的影響：

熱震後試樣常溫耐壓強度保持率評價鎂質復相耐火材料試樣熱震穩定性可以看出，當鋯英石加入量(質量分數)為4%時，即試樣的熱震穩定性最佳，鎂質復相材料熱震後試樣常溫耐壓強度保持率也是最高，達到91.6%。

同時從熱震前後試樣常溫耐壓強度變化趨勢也可以看出，鎂質復相耐火材料中加入4%(質量分數)鋯英石，燒後試樣的常溫耐壓強度在熱震前後均處於最高值。

隨著燒後鎂質復相耐火材料中原位尖晶石數量的增加不同種類和數量尖晶石(鎂鋁尖晶石、鎂鉻尖晶石、鎂鋁鉻尖晶石固溶體)所形成的復相結構使得燒後鎂質復相材料試樣質質結構中形成了由於不同尖晶石熱膨脹係數不同而形成的大量微小裂紋，從而緩解由於試樣在承受溫度變化過程中試樣結構中所形成的熱應力。

隨著鋯英石加入量的增加，鋯英石與氧化鎂形成高熔點礦物相鎂橄欖石數量增大，不燒磚結構中形成了原位尖晶石、鎂橄欖石和四方晶型二氧化鋯的多相結構，結構中多種高溫相所形成的復相結構有利於提高鎂質復相耐火材料試樣的熱震穩定性。

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