燒結板狀剛玉在定形耐火磚的優勢

燒結板狀剛玉具有較高的燒結活性，可促進基材與顆粒的結合。透過將燒結板狀剛玉用於高純度氧化鋁磚的生產，然後觀察不同燒結剛玉對氧化鋁磚性能的影響，工程師發現燒結板狀剛玉顆粒細小且充滿孔隙。在燒結過程中，此特性有利於基體燒結的擴散，使基體與顆粒結合得更緊密，從而提高了氧化鋁磚的燒結強度和抗滲透性能。

氧化鋁磚是以剛玉為主要晶相的耐火製品。化學穩定性好，對酸鹼渣、金屬、熔融玻璃有較強的抵抗能力。主要用於煉鐵高爐、高爐熱風爐、煉鋼爐外精煉爐、玻璃熔爐及石油化工工業爐。目前，市面上的高純度氧化鋁磚主要採用電熔剛玉原料生產。電熔剛玉生產能耗高、損耗大，不環保。採用電熔剛玉原料生產高純度氧化鋁磚，燒結困難，抗渣能力低。近年來，燒結板狀剛玉作為一種高檔耐火材料，其技術和產量都得到了突飛猛進的提高。讓我們來看看用燒結板狀剛玉製作氧化鋁磚的優點。

1 測試

1.1 材質

我們以燒結板狀剛玉為材料進行了試製。我們使用的板狀剛玉外觀氣孔率5.7%，吸水率1.6%，容重3.48g/cm3。競爭對手材質為電熔剛玉，外觀氣孔率8.8%，吸水率2.4%，堆積密度3.61g/cm3。指標如下：

1.2 試製

採用15Kg滾筒混合機，加入粗砂預混3分鐘，再加入3%黏結劑捏合1分鐘，最後加入細粉捏合15分鐘，在100t液壓機上成型，成型壓力280兆帕。成型樣品為φ50mm×50mm的圓柱體磚，150mm×25mm×25mm的長方體磚和外形尺寸為φ50mm×50mm、內孔尺寸為φ25mm×25mm的坩堝。磚樣是在110℃保溫3小時並乾燥後，在超高溫電爐中1750℃加熱3小時製成。

1.3 性能測試

依國家標準測試樣品的加熱永久線變化、體積密度和顯氣孔率、常溫壓縮強度和彎曲強度、高溫（1400℃、0.5h）彎曲強度。以靜態坩堝法測試抗渣能力，並以SEM掃描電子顯微鏡觀察樣品的顯微組織。

2 結果與結論

2.1 材料微觀結構

下圖 1 顯示了原料顆粒的微觀結構。結果發現，燒結板狀剛玉由粒徑為40~120μm的oi-Al2O3晶體組成，並存在一定數量的封閉球形孔。電熔剛玉的結構較緻密，有一些尺寸較大的開孔。

(a) 燒結板狀剛玉顆粒 (b) 電熔板狀剛玉顆粒

圖 1。

 2.2 加熱線性變化

圖2 為不同原料製成的樣品的再加熱線性變化曲線。實驗結果表明，所有樣品均存在燒成收縮的趨勢。但隨著燒結板狀剛玉含量的增加，燒成收縮率也隨之增加。對比原料指標，我們發現燒結板狀剛玉顆粒含有較多的孔隙。若α-Al2O3的真密度為3.99g/cm3，堆積密度為3.48g/cm3，則總氣孔量約為13%。此外，燒結板狀剛玉的晶體尺寸非常小，因此在燒結過程中易於鋪展和質傳燒結。由於一些孔隙隨著物質的運動而從晶界上移走，產生體積收縮。電熔氧化鋁顆粒的堆積密度為3.61g/cm3，全部氣孔的百分比約為9%。由於電熔剛玉是在高溫電弧爐中熔化、冷凝而成，原料晶體尺寸大，晶界通道少。因此，燒結收縮率小於燒結板狀氧化鋁顆粒的燒結收縮率。

圖 2 不同樣品的再加熱線性變化。

2.3 顯氣孔率和堆積密度

圖3顯示，燒結板狀剛玉含量較高的樣本通常具有較低的表觀孔隙率和較高的堆積密度。這是因為燒結板狀剛玉的表觀氣孔率非常小，約5.7%，而電熔剛玉的表觀氣孔率為8.8%。另外，與電熔剛玉相比，燒結板狀剛玉中的孔隙更容易從晶體中去除，從而降低了孔隙率並獲得較大的體積收縮率，進一步提高了樣品的堆積密度。因此，燒成樣本的表觀氣孔率隨著燒結板狀剛玉百分比的增加而降低。

圖 3 不同樣本的表觀孔隙率與堆積密度

圖4 顯示，純燒結板狀剛玉材料C1磚的常溫抗壓強度（CCS）遠大於純電熔剛玉材料C5磚。其主要原因有兩個。首先，從原料強度方面來看，燒結板狀剛玉材料的晶體尺寸較小，材料的斷裂強度（σ）與晶體尺寸（G）有以下函數關係：

σ=f(G-1/2)

因此，燒結板狀剛玉材料的強度較高，而電熔剛玉材料脆性大，易剝落（ 如圖5(a)所示），且其中還含有少量的β-Al2O3相。強度。

其次，從材料的結合狀態來看，燒結板狀氧化鋁顆粒與基體的結合良好，幾乎燒結成一個整體。熔融氧化鋁顆粒與基材的結合不好，顆粒周圍容易形成環形裂紋 （圖5）（b））。由於以上兩個原因，純燒結板狀材料C1磚的機械強度優於純電熔剛玉材料C5磚。

圖4 不同樣品的常溫抗壓強度與抗彎強度

圖5 電熔氧化鋁樣品的微觀結構

坩堝內加入氣化渣20g（渣成分見表2），在試驗電爐中以100℃/h的升溫速率將坩堝加熱至1550℃並保持3h，然後沿軸向冷卻至室溫後，觀察縱斷面組織變化。

爐渣化學成分如下：

圖6 靜態坩堝防渣剖面

 水煤漿氣化爐渣進行腐蝕試驗後，用電鏡觀察其微觀結構。水煤漿氣化爐渣呈魚骨狀，主要為鈣長石相（如圖 7(a)）；爐渣與試驗磚中的氧化鋁反應，得到鎂-鋁-鐵複合尖晶石相。能譜分析顯示複合尖晶石相的組成為（x/%）：MgO 40.43%、Al2O 347.61%、Fe2O3 11.96%。反應形成的鎂-鋁-鐵複合尖晶石相在氧化鋁顆粒周圍形成環狀（如圖 7（b）所示）。燒結板狀剛玉顆粒周圍的環的厚度為60~90μm，電熔剛玉顆粒周圍的環的厚度為50~70μm，可以看出，由於燒結板狀剛玉顆粒周圍的熔渣更容易與燒結板狀剛玉發生反應。爐渣很容易沿著晶界滲透並與燒結板狀剛玉發生化學反應。

(a)爐渣 (b)C2 工作面

圖7 氧化鋁磚樣品脫渣及耐蝕試驗後的顯微組織

C1、C2、C3、C4和C5的侵蝕深度沒有明顯差別，都約為1mm，圖8分別為C1磚和C5磚侵蝕後的顯微結構照片，爐渣首先與磚基質反應，使剛玉顆粒呈孤島狀，然後與顆粒反應，將顆粒蠶食掉。

C1、C2、C3、C4、C5的侵蝕深度皆在1mm左右，無明顯差異。 圖8 分別為C1磚和C5磚侵蝕後的顯微組織照片。爐渣先與磚基反應，使氧化鋁顆粒成為島狀，然後與顆粒反應，將顆粒侵蝕掉。

圖8 氧化鋁磚樣品抗渣試驗後的顯微組織

 圖9顯示不同配方的試驗磚的滲透方式相似。爐渣沿著孔隙滲入磚體內，以玻璃相和鈣長石相存在於粒間和孔隙中。

圖9 氧化鋁磚樣本C5透水層抗渣試驗後的顯微組織

但不同的樣品表現出不同的抗滲透性能：下表顯示了不同樣品中SiO2的滲透深度。隨著磚塊中燒結板狀剛玉含量的降低，爐渣的滲透深度呈現增加的趨勢。

造成這個結果的原因有二：

1. 燒結板狀剛玉含量高的樣品，顯氣孔率較低；
2. 燒結後的板狀材料顆粒與基材更好地結合，從而防止爐渣滲透到磚塊中。

3 結論

由於板狀剛玉晶體尺寸小，顆粒內存在大量孔隙，有利於進行質傳燒結。隨著物質的運動，有些孔隙沿著晶界從晶體中移除，得到體積收縮。透過增加燒結板狀剛玉含量，導致燒結過程中收縮率增加和表觀孔隙率降低。

純燒結板狀剛玉具有細晶粒結構、高強度及高燒結活性。磚中燒結板狀剛玉顆粒與基材有良好的結合力，因此機械強度性能隨著燒結剛玉含量的增加而提高。

由於板狀剛玉有兩個顯著的優點：低顯氣孔率和與基材優異的結合能力，這表明燒結板狀剛玉可以減緩爐渣對磚的滲透。