唐威 張佩雄 李柳生 王青峰 石干 葉國田
熱震損毀是影響耐火材料壽命的重要原因。大量研究發現，通過材料中不同物相熱膨脹系數的不匹配來產生微裂紋，是提高耐火材料抗熱震性的有效途徑。但這些研究大多是針對熱膨脹系數各向同性的兩相之間的相互作用，而針對熱膨脹系數各向異性晶體對耐火材料抗熱震性能影響的研究鮮有報道。
紅柱石是一種優質耐火原料，具有優良的化學穩定性、抗渣性、抗高溫蠕變性、抗熱震性，因而得到了深入研究和廣泛應用。有研究指出，紅柱石礦物顆粒是單晶或單晶的碎片，具有熱膨脹系數各向異性的特點，其各向的熱膨脹系數( 25℃～ 300℃) 為: a軸13.4 × 10 -6 ℃ -1，b 軸9.6 × 10 -6 ℃ -1，c 軸3.5 ×10 -6 ℃-1。紅柱石晶體( 顆粒) 熱膨脹系數各向異性行為必定直接作用于周邊環境，會造成周邊區域應力集中而誘發微裂紋。添加紅柱石骨料對耐火澆注料性能的影響已有不少研究，但紅柱石骨料對燒成耐火制品抗熱震性影響的研究較少。在本工作中，分別用不同粒度的紅柱石骨料等量替代燒成莫來石－剛玉制品中相同粒度的莫來石骨料，著重研究紅柱石骨料粒度對莫來石－剛玉材料抗熱震性能的影響。
試驗
原料
原料為: w(Al2O3) ＞ 57%的紅柱石骨料，粒度分別為5 mm～3 mm、3 mm～1 mm、≤1mm； 燒結莫來石骨料，粒度分別為5 mm～3 mm、3 mm～ 1 mm、≤1 mm； w( Al2O3) ＞ 98%的板狀剛玉，d50 = 44 μm； w( Al2O3) ＞ 99.81% 的活性Al2O3微粉，d50 = 44μm； w ( SiO2) ＞ 95%的SiO2微粉，d50 = 44μm。結合劑為紙漿廢液。
試樣制備
按表1 的配比稱取原料，將稱好的細粉( 板狀剛玉、活性氧化鋁和硅微粉) 混合到一起放入球磨機中研磨2h。把骨料加入混碾機中與紙漿廢液攪拌3 min，然后加入預混合的粉料攪15 min。混合均勻后，用鋼模在液壓機上壓制成25mm ×25 mm×125mm 試樣，成型壓力為200 MPa。試樣經110℃干燥24h 后，在1450 ℃保溫3 h 燒成。
試樣檢測
依據GB /T 2997—2000 測量燒成試樣的體積密度和顯氣孔率，按GB /T 3001—2007 檢測常溫抗折強度，依據YB /T 376.2—1995 測抗熱震性能( 950℃，風冷) ，根據GB /T 30758—2014，使用常溫彈性模量測試儀( DEMA－01) 測量試樣的彈性模量；采用X射線衍射儀( 德國布魯克D8 Focus)分析燒成試樣的物相組成；燒成試樣經樹脂固化、HF 腐蝕后，采用SEM( 德國蔡司ΣIGMA HD) 觀察其顯微結構。
結果與討論
物理性能
經1450℃保溫3h燒成試樣的體積密度和顯氣孔率如圖1所示。由圖1可知，各試樣的體積密度基本相同；添加20%( w) 的≤1 mm 紅柱石的試樣MA1顯氣孔率最低，但隨著添加紅柱石骨料粒度的增加，試樣的顯氣孔率有逐漸提高趨勢。
圖2為試樣經1450℃保溫3h 燒后的彈性模量?？梢钥闯觯刺砑蛹t柱石骨料的試樣M 的彈性模量最大，隨著試樣中添加紅柱石骨料粒度的增大，彈性模量逐漸降低。
圖3 為燒成試樣經950℃風冷熱震前后的常溫抗折強度和熱震5次后的抗折強度保持率。從圖3可以看出，隨著試樣中添加紅柱石骨料粒度的增加，熱震試驗前后試樣的抗折強度均逐漸降低，且熱震后抗折強度小于熱震前的；熱震后抗折強度保持率逐漸提高，抗熱震性逐漸提高。
物相分析
1450℃保溫3h燒成試樣的XRD 圖譜見圖4。從圖4可以看出，不含紅柱石的試樣M主要物相是莫來石和剛玉；而含紅柱石的試樣MA1、MA3 和MA5，除了含有莫來石和剛玉外，還含有紅柱石。經半定量分析計算，試樣MA1、MA3、MA5 的殘存紅柱石含量(w) 為11.6%、12.0%、14.9%?？梢?，隨著試樣中添加紅柱石骨料粒度的增大，試樣中殘存紅柱石的含量逐漸提高。試樣中的紅柱石在燒結過程中發生莫來石化反應，隨著紅柱石骨料粒度的增大，莫來石化程度逐漸降低，因此殘存紅柱石的含量增加。
顯微結構分析
圖5示出了經1450℃保溫3h燒成的試樣MA1( 加≤1 mm紅柱石) 和試樣MA5(加5mm～3 mm 紅柱石) 的顯微結構。由圖5可知，兩試樣中的紅柱石骨料( 已部分莫來石化) 與基質部分均發生分離而產生了微裂紋。這可能是由于紅柱石骨料(已部分莫來石化) 的熱膨脹系數各向異性，紅柱石骨料與基質必然存在熱膨脹系數失配。在燒結降溫過程中由熱膨脹系數失配產生的應力導致了微裂紋的產生。通過對比圖5(a) 和圖5(b) 可知: 添加的紅柱石骨料粒度越大，燒成試樣中形成微裂紋的尺寸也越大。而微裂紋尺寸的增大，會導致試樣的抗折強度和彈性模量不斷降低( 見圖2和圖3) 。
結論
不加紅柱石骨料的燒成試樣抗折強度最大，但抗熱震性最差； 添加紅柱石骨料的燒成試樣，隨著紅柱石骨料粒度的增大，試樣的抗折強度和彈性模量逐漸減小，但抗熱震性逐漸增強。
在試樣燒結降溫過程中，添加的紅柱石骨料粒度越大，紅柱石骨料與基質間的熱膨脹系數失配產生的應力越大，產生微裂紋的尺寸也就越大； 而較大尺寸的微裂紋在熱震過程中可以有效阻止新裂紋的產生和裂紋擴展，提高莫來石—剛玉材料的抗熱震性，因此添加20%(w) 的5 mm～ 3 mm 紅柱石骨料的試樣具有較好的抗熱震性。
