再生鋁熔煉用爐子內(nèi)襯耐火材料在使用過程中除了遭受鋁水的滲透和化學(xué)腐蝕作用之外還經(jīng)受煉鋁熔池區(qū)的高溫作用和在清洗爐子時因機械撞擊而產(chǎn)生的機械磨損,以及熱沖擊作用。耐火材料受到這些作用后,其使用壽命可明顯降低。眾所周知,化學(xué)腐蝕性可降低耐火材料的機械強度,而熱沖擊和機械沖擊會加速耐火材料的磨損,進而出現(xiàn)裂紋和微裂紋。

通常采用標(biāo)準(zhǔn)的試驗方法檢測煉鋁爐的使用壽命。目前對煉鋁爐用耐火材料的各種蝕損機理研究得還很甚少。本文研究者利用同一種試樣進行了抗腐蝕性和抗機械磨損性的試驗研究,其綜合試驗研究的結(jié)果在某些著作中進行了闡述。

實驗部分

抗腐蝕性和抗侵蝕性綜合試驗

本文研究者創(chuàng)立了耐火材料抗腐蝕性和抗侵蝕性的新的試驗方法在進行試驗時選取了一些試樣。在尺寸為114mmx114mmx100mm的試樣，上鉆出直徑為60mm、深度為50mm的孔洞,然后將這些試樣加熱至850℃,在該溫度下往孔洞里倒入300g熔融AlMg5合金,同時用同類材質(zhì)的耐火板蓋住。保持72h后將孔洞里的物質(zhì)排空,并在爐內(nèi)慢速冷卻，以避免熱沖擊的發(fā)生。然后再繼續(xù)進行鉆孔,一直鉆到試樣的底部，使底部能與鋁水接觸上?？篃釠_蝕性試驗是在850℃下于鉆出的孔洞的底部采用顆粒沖擊的方法完成的。在高溫下采用顆粒沖擊的方法進行抗熱沖蝕性試驗,此種試驗方法與耐火材料科學(xué)研究院早些制定的DINENISO16282標(biāo)準(zhǔn)方法類似。

抗腐蝕性和抗熱沖擊性綜合試驗

本文研究者還制定了耐火材料在腐蝕和熱沖擊共同作用下的試驗方法。將圓柱形試樣浸入到鋁水中在感應(yīng)爐內(nèi)于850℃試樣在上述條件下熱沖擊的作用，將試樣定時地從鋁水中取出，并冷卻至300℃以下。將試樣反復(fù)浸入到鋁水中，由于熱態(tài)鋁水將大量的熱量傳遞給試樣,試樣便受到強烈的熱沖擊。上述過程反復(fù)進行10次，并對其結(jié)果進行比較。表1列出了試樣的化學(xué)成分和性能,這些性能包括:試樣的耐壓強度、體積密度和開口氣孔率。

表1  試樣的化學(xué)成分(%)和性能

試驗用耐火材料

在試驗時采用2種定型鋁礬土耐火材料(試樣A和B)和4種不定形耐火材料(試樣C、D、E、F)。定型試樣制成團塊狀,而不定形試樣(澆注料)在850℃下歷時5h燒制而成。

結(jié)果與討論

抗腐蝕性和抗侵蝕性綜合試驗討論結(jié)果

圖1 在850℃下進行抗腐蝕性和抗侵蝕性綜合試驗后試塊A和試塊B的狀況

圖1示出了在850℃下進行抗腐蝕性和抗侵蝕性綜合試驗后試樣的照片,每個試樣拍攝3張。在試塊A和試塊B最左邊的照片上顯示出了遭受腐蝕的孔洞的截面,在截面上可以看出試樣受到滲透和氧化的狀況;在中間的照片上顯示出了在850℃下試樣預(yù)先遭受腐蝕和侵蝕的孔洞底部的狀況;在右邊的照片上顯示出了在850℃下試樣遭受侵蝕，但沒有受到腐蝕的狀況。

試塊A和B顯示出了受到腐蝕后又遭受鋁水滲透的狀況，并且試塊B滲透得較少，其原因是試塊B的開口氣孔率低及Al?O?/SiO?含量比較高所致。在850℃下發(fā)生滲透的試樣受到侵蝕的程度較小,本文研究者認為這是因為滲透到試樣內(nèi)的鋁水阻礙了高溫侵蝕,并且試樣內(nèi)的沖擊性顆粒的能量散射。但是,因滲透作用而使試塊A和B的抗侵蝕性提高,這并不代表材料的質(zhì)量較高。

在C~D澆注料試樣中沒有觀察到因腐蝕而使鋁水滲透的現(xiàn)象。在通常情況下,在850℃受到侵蝕的澆注料試樣的耐用性比未受到侵蝕的澆注料試樣(C、D、E)低,但澆注料試樣D受到腐蝕后,其耐用性卻提高。

抗腐蝕性和抗熱沖擊性綜合試驗討論結(jié)果

圖上1、5、10分別表示熱循環(huán)沖擊次數(shù)

圖2~圖7示出了遭受腐蝕和反復(fù)熱沖擊共同作用后試樣的照片。在這些照片，上顯示了用每種材料制成的試樣在分別受到1次、5次和10次熱沖擊后的外觀。在大多數(shù)情況下隨著熱沖擊循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的顏色變得更暗些。在所有試樣中鋁水.滲透得不多。

電子顯微鏡研究的結(jié)果表明,變黑的試樣和原始的試樣之間沒有差異。試樣變黑的可能原因之一是由于SiO2還原成SiO,隨后在循環(huán)冷卻階段發(fā)生如下反應(yīng):2SiO=2Si+O2。根據(jù)這個理由，可以解釋含有少量SiO2的澆注料試樣D經(jīng)過10次熱沖擊后幾乎不變黑的原因。而橙色和黃色組分發(fā)生褪色的可能原因是由于鐵發(fā)生還原反應(yīng)，即,Fe3+還原成Fe2+。經(jīng)過10次熱沖擊后在試樣的端部與鋁水接觸的區(qū)域發(fā)現(xiàn)損毀(圖8和圖9)。

圖8　澆注料試樣C損毀狀況

由圖8可以看出，在與鋁水接觸的區(qū)域耐火材料的基質(zhì)變黑了。通過電子顯微鏡研究表明,這種情況是由于MgO沉積在耐火材料基質(zhì)內(nèi)并在與鋁水接觸的表面形成尖晶石所致;還發(fā)現(xiàn)在耐火材料的基質(zhì)中有少量的鋁水滲透。另外,由圖9中看出,在澆注料試樣D的端部有微裂紋擴展,但是鋁水的滲透量不大。

圖9　經(jīng)過10次熱沖擊后在與鋁水接觸的區(qū)域澆注料試樣D端部的損毀狀況

由于反復(fù)熱沖擊的作用，在試樣上出現(xiàn)了零星的裂紋,甚至網(wǎng)狀裂紋，這些裂紋垂直于試樣的長度方向。圖10示出了裂紋的狀態(tài)。大多數(shù)裂紋分布在試樣的中心地帶,而不在邊緣。在與鋁水接觸的區(qū)域試樣的熱膨脹能弓|起在較冷的試樣內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力。但是，經(jīng)過大一些的裂紋并沒有發(fā)生鋁水滲透,這可能是由于形成氧化物薄膜所致。

圖10　經(jīng)過10次熱沖擊后澆注料試樣D產(chǎn)生裂紋的狀態(tài)

結(jié) 論

為了獲取煉鋁爐用耐火材料耐用性方面有用的信息資料,在實驗室條件下成功地進行了抗腐蝕性和抗侵蝕性及抗腐蝕性和抗熱沖擊性綜合試驗,并與標(biāo)準(zhǔn)的試驗方法進行比較。通過試驗成功地收集到了關(guān)于因受腐蝕和侵蝕的共同作用而使損壞材料體積變化的信息資料;同時還觀察到了由于受腐蝕和與鋁水接觸時受到熱沖擊的作用而使試樣變黑和形成裂紋的過程。為了更準(zhǔn)確地模擬生產(chǎn)條件，這種綜合試驗每個階段的參數(shù)都可以進行修正。