Al2O3-ZrO2-SiO2系电熔锆刚玉砖是什么？对耐火材料有什么作用？|sio|刚玉|氧化铝|玉砖|玻璃|电熔锆|耐火材料|莫来石

在阅读文章前，辛苦您点下“关注”，既方便您进行讨论与分享，又能给您带来不一样的参与感，感谢您的支持!作者一定不负众望，带来更多优质作品！Al2O3-ZrO2-SiO2系电熔锆刚玉砖

Al2O3-ZrO2-SiO2系电熔锆刚玉砖(简称电熔AZS砖)以及相应ZrO2含量的全致密烧结锆铝材料(简称烧结AZS材料)是使用在玻璃池窑中的一类非常重要的耐火材料。

对于这类耐火材料的相组成进行切合实际的计算,将有助于正确估价材料的质量和性能,对这类耐火材料的生产和使用都有一定的指导意义。

电熔AZS材料相组成计算

ZrO2、Al2O3和SiO2是这类材料的三个主要氧化物组分,其它氧化物都可以看作是杂质或熔剂。

对于电熔AZS砖来说,杂质中含有相当数量的(主要是人为引入)Na2O。

杂质或熔剂,特别是Na2O与SiO2等作用形成的玻璃相有助于缓冲熔注砖成型和退火时砖体内的应力,减少砖体的开裂,保证熔注砖有较高的成品率。

烧结AZS砖无需人为引入Na2O杂质,所以杂质的含量尤其是Na2O的含量一般都较低。

就Al2O3-ZrO2-SiO2三元系考虑,AZS耐火材料的组成一般都处于ZrO2-3Al2O3·2SiO2-Al2O3组成区内,理论平衡矿物组成应为斜锆石、刚玉和莫来石。

但是,在Na2O含量较多的电熔AZS砖中,由于Na2O对AZS熔体中莫来石的析晶具有强烈的抑制作用,或者说Na2O对莫来石具有强烈的促其分解的作用,使熔注AZS砖只由斜锆石、刚玉和玻璃相组成。

姜玲章等对熔注AZS试样的岩相研究发现有莫来石晶相存在;国外对电熔AZS砖的相组成报导中也间或提到莫来石晶相的存在,但是莫来石的含量甚微,一般在3%以下。

表1列举了几种国产电熔AZS砖的化学分析数据,其X射线衍射谱如图1所示。

表1几种电熔AZS砖的化学组成(%)

*还含有0.16%B2O3。

图1几种国产电熔AZS砖的X射线衍射谱(Cu靶)

1—AZS-Ⅲ;2—AZS-Ⅱ;3—AZS-ⅠC—刚玉,M—莫来石,B—斜锆石

从表1及图1结果可以看出,ZrO2含量在33%左右的电熔AZS砖(电熔AZS-Ⅱ及AZS-Ⅲ)的X射线衍射谱中观察不到明显的莫来石的特征谱线,这表明砖体中没有可以觉察的莫来石晶相存在;对于SiO2含量较高、ZrO2含量只有约25%的电熔AZS-Ⅰ来说,莫来石的特征谱线的强度也非常微弱,这表明大部分莫来石已经分解,只残存少量莫来石晶相;或者说,由于一定数量的Na2O的存在,熔体析晶时莫来石的析晶受到了强烈的抑制作用,以致砖体中实际存在的莫来石晶相很少。

我们对国产电熔AZS砖进行高温显微镜研究时发现,在温度达1100℃以上时开始析出玻璃相,在大约1225～1340℃时开始有气泡析出。

在Mields等的文章中列举了电熔AZS砖的玻璃相大致的化学组成,如表2所示:

表2电熔AZS砖中玻璃相的化学组成

应该注意到,Mields等的文章列举的并不是某个具体砖样的玻璃相的化学分析数据,而是ZrO2含量在30～33%以及ZrO2含量在40～42%的两类电熔AZS砖玻璃相的大致组成,而且仅仅提供了玻璃相中三个主要氧化物SiO2、Al2O3、ZrO2及作为玻璃相重要熔剂氧化物Na2O等四个组分的化学组成数据。

我们知道,在熔注AZS砖中熔剂氧化物Na2O的含量通常波动在1～1.5%左右,起着抑制莫来石析晶、与SiO2等形成玻璃相的作用。

可以设想,当采用锆英石和工业氧化铝等原料配料生产ZrO2含量大致一定的AZS砖时,在熔注工艺比较稳定的条件下,玻璃相中SiO2/Na2O的比值也将比较稳定。

如果设想Mields等文章中提供的电熔AZS砖玻璃相的组成反映了较稳定的熔注工艺条件生产的AZS砖的实际玻璃相组成的大致情况,则他们提供的玻璃相组成的SiO2/Na2O比值就可以作为考察一般电熔AZS砖玻璃相组成和含量的一个基本数据。

从ZrO2含量大致一定,玻璃相的SiO2/Na2O比值也大致一定出发,以Mields等列举的玻璃相组成为基础,可以认为:对于ZrO2含量为30～33%的电熔砖每1%Na2O结合到玻璃相中的SiO2的量为71/5.6=12.68%,对于ZrO2含量为40～42%的电熔砖则为70/4.8=14.58%。

这样,AZS熔注砖玻璃相中的SiO2含量LS可以由下式计算:

由于大量SiO2与Na2O结合成玻璃相,将导致部分Al2O3和ZrO2在玻璃相中的溶解。

设想Al2O3及ZrO2溶解在玻璃相中的数量LA及LZ亦可按Mields等提供的玻璃相组成的比例Al2O3/SiO2及ZrO2/SiO2决定,则

对于ZrO2含量为30～33%的AZS材料:

对于ZrO2含量为40～42%的AZS材料:

如果设想:(1)全部熔剂氧化物都处于玻璃相;(2)处于玻璃相中的SiO2、ZrO2和Al2O3的数量LS、LZ及LA可以由上列公式计算,则电熔AZS材料的相组成就可以按表3列举的公式和程序进行定量计算。

表3AZS材料相组成的计算公式和程序

注:斜锆石=Z-LL莫来石=3.55(S-LS)刚玉=总量-其它相=A-LS(无A3S2时)式中A及Z分别为AZS材料中Al2O3及ZrO2的wt%,3.55为莫来石中Al2O3对SiO2的分子比。

对于ZrO2含量为36～37%左右的AZS材料可取30#及40#AZS材料计算式中各数字的算术平均值:

在某些AZS材料中,除了以斜锆石形态存在的ZrO2外,有时也有部分ZrO2以四方的形态存在。

但是,为简便计,四方ZrO2的含量可不单独计算,而归属在斜锆石总量中。

电熔AZS材料相组成的计算举例

[例1]:如果表1中列举的各种电熔AZS砖的相组成均可按ZrO2含量在30～33%的材料进行计算,表1所列各电熔砖的相组成可计算如下:

先计算电熔AZS-Ⅰ的相组成:

再计算电熔AZS-Ⅱ的相组成:

同理可求出电熔AZS-Ⅲ的相组成:

这三种电熔AZS砖的相组成计算结果以表4列出。

表4表1中三种电熔AZS砖的相组成计算值(%)

从相组成的计算结果看,电熔AZS-I含有大约9%的莫来石,而33#AZS砖(电熔AZS-Ⅱ及AZS-Ⅲ)中则不含莫来石晶相,或莫来石的含量很少。

这与X射线衍射谱所显示的结果(见图1)基本上是一致的。

[例2]:文献中列举了几种国外生产的电熔AZS砖的化学组成,如表5所示,求各种AZS砖相组成的计算值,并与各生产公司给出的相组成数值进行对比。

先计算1711的相组成:

表5中列举的其它几种电熔AZS砖的相组成可按表3左侧列举的公式和程序计算。

计算结果列于表6。

表中同时列举了各生产公司给出的相组成数值。

表5国外生产的几种电熔AZS砖的化学组成(%)

从表6的数据可以看出,除了1681的莫来石和刚玉的含量的计算值与各生产公司的给出值稍有出入外,其它各种相组成的计算值与有关公司的实际给出值吻合得相当好。

考虑到电熔AZS砖各部位化学组成及相组成的不均匀性,表6中相组成计算值与实际给出值间的差异可以说是微不足道的。

这也表明了我们提供的AZS材料相组成的计算方法是比较切合实际的。

表6表5中列举的各种AZS砖的相组成(%)

烧结AZS材料相组成的估算

对于烧结AZS材料来说,由于Na2O的含量低,莫来石晶相是经常存在的。

表7列举了我们所研制的两种全粉料烧结AZS材料的化学分析数据;图2是经高温充分烧结的两种AZS试样的X射线衍射图谱。

由于AZS材料的一个主要配料组分工业氧化铝,一般都采用碱式法生产,都含有少量Na2O。

所以烧结AZS材料中也含有少量Na2O杂质,但与相应电熔AZS材料比较,Na2O的含量要少得多。

Na2O对莫来石的分解作用是相当强烈的,温度愈高其促进莫来石分解的作用也愈强。

对于高温烧结的AZS材料来说,Na2O对莫来石的分解作用亦应表现得相当强烈。

这时如果设想:(1)高温烧结AZS材料的全部熔剂都已处于玻璃相;(2)玻璃相中溶解的SiO2、Al2O3和ZrO2的数量LS、LA和LZ亦可按Mields等列举的玻璃相的化学组成所决定的SiO2/Na2O、Al2O3/SiO2和ZrO2/SiO2比值进行估算,对于可能出现的四方ZrO2也不作计算而归属于斜锆石总量中。

这样也可以利用表3列举的计算公式和程序对烧结AZS材料的相组成进行估算。

对表7中列举的烧结AZS材料计算所得的相组成数值列于表8中。

结果表明,计算所得的晶相与图2谱线所示对应得很好;相应晶相的相对数量关系表8与图2也相当吻合。

表7烧结材料AZS0及AZS1的化学组成(%)

表8表7中列举的烧结AZS材料的相组成(%)

对于烧成温度较低的AZS材料来说,砖体内形成的玻璃相估计会相应降低,应用表3列举的公式进行这种材料的相组成的估算时偏差可能会大一些,计算所得的玻璃相含量将偏高。

图2全粉料AZS烧结材料的X射线衍射谱(Cu靶)

结语

总括而论,对于稳定生产的各种熔注AZS材料来说,可以利用表3提供的公式和程序计算其相组成,并可据此对熔注AZS材料的质量和性能进行估价:在ZrO2含量和表征材料结构的容重大体相同的情况下,玻璃相的含量愈低,材料的质量和耐侵蚀性能等将愈好;对于高温烧结的AZS材料来说也可利用表3提供的公式和程序估算其相组成,并据此对材料的质量和性能作相应的估计。

应该注意到,熔注砖中少量炭素、炭化物、氮化物等物相的存在对AZS材料的性能和质量往往会显示严重的影响,如果能具体确定上述物相的含量,对正确估价熔注AZS砖的质量和性能来说是很有意义的。

我们的计算还未能涉及到这几种微量物相。

最后还应该再重复说明一下,计算公式的推导是以Mields等文章中列举的熔注AZS砖玻璃相的组成为基础的,而Mields等提供的并不是某个具体砖样的玻璃相的化学分析数据,而是ZrO2含量在30～33%及40～42%的两类电熔AZS砖玻璃相的四个基本氧化物SiO2、Al2O3、ZrO2和Na2O的大致含量。