板状刚玉在耐火材料中的性能和应用

板状刚玉在耐火材料中的性能和应用

G.W.Kriechbaum1), urich1), G.MacZura2), Ken Moody2), T. Yamamoto3), U.Mattos4)

1) Alcoa Chemie Bad Homburg, Germany

2) Alcoa Industrial Chemicals Pittsburgh, U.S.A.

3) Alcoa Kasei Ltd. Tokyo, Japan

4) Alcoa do Brazil Sao Paulo, Brazil

1简介

40年以来，板状刚玉已广泛应用于钢铁、铸造、石化和陶瓷用高性能耐火材料。板状刚玉因其高的耐火度、优异的抗热震性、抗蠕变性和耐磨性，而成为主导的合成高纯氧化铝骨料。尽管耐火材料的整体消耗量急剧下降，尤其是在钢铁制造上的应用，但是板状刚玉的使用不仅相对增长了，而且是绝对增长了。连铸的引入，不定形耐火材料比例的稳定增加，以及优质钢的猛烈趋势都是板状刚玉基耐火材料发展的动力。本文的目的是描述板状刚玉的典型性能，与其他合成高铝骨料相比结果怎样，以及它的典型应用。也会介绍板状刚玉与尖晶石和无钙结合剂共同使用的最新进展。

2 性能

板状刚玉是致密的、完全收缩的、烧结的α-Al2O3，由50-400μm的晶粒构成骨料结构。板状刚玉因其晶粒形状像板子而得名。在稍低于熔融温度下快速煅烧超细α-Al2O3料球制备板状刚玉。热处理后，破碎或碾磨18-20mm的料球得到各种尺寸的板状刚玉，见表1a。

表1a 常见的板状刚玉尺寸

开尺寸闭尺寸

-1/4",-6目，,-8目，,-14目，,-28目，,-48目，,-60目，,-100目，-325目Li，-325目Std，-20μm 1/2-1/4",3/8-1/4",，3-6目，1/4"-8目，6-10目，8-14目，14-28目，28-48目，48-200目

表1b总结了板状刚玉的性能。看它的化学组分，高纯是很重要的，典型的氧化铝含量大于99.4%。氧化铝有粗颗粒，也有小至-325目（等于公制的-44μm）的细粉。板状刚玉的主要杂质是氧化钠，典型值是0.2-0.4%。

表1b 板状刚玉的典型性能

化学组成 -6目 -325目

Al2O3，% ＞99.4 ＞99.4

SiO，% 0.01-0.02 0.030-0.05

溶铁，% 0.002 0.01-0.04

Fe2O3总含量，% 0.05 0.06

Na2O，% 0.2-0.4 0.3-0.42

CaO，% 0.03-0.07 0.05-0.09

TiO2，% 0.003 0.003

物理性能

BSG，g/cm3 3.56

ASG，g/cm3 3.65

开气孔率，% 2-4

闭气孔率，% 6-8

总气孔率，% 8-10

对于优异的高温性能来说，刚玉中氧化硅、氧化铁和氧化钛的低含量是非常重要的。溶酸铁的超低含量（典型值是小于0.002%）对于磷酸盐结合耐火材料是非常重要的。对比烧结板状刚玉和其他合成高铝骨料，例如电熔白刚玉，发现最大的差别在于具有较细尺寸的杂质含量。这会引起巨大的性能差异，尤其是高温性能。较高的杂质含量以较细的尺寸引入，会大大降低高温体积稳定性和抗蠕变性。

对比电熔白刚玉和板状刚玉的气孔率，能看到巨大的差异。尽管两种骨料的总气孔率一样，但晶粒气孔有显著差别。

电熔晶粒的开口气孔率是烧结晶粒的2-3倍。电熔氧化铝的大部分气孔由大的开口气孔构成，而板状刚玉有超过一半的气孔是闭口气孔。高比例的闭口气孔对于高的抗热震性是很必要的，这是板状刚玉的典型特征。图1和图2是热震试验结果，挑选尺寸为5mm，接近等轴的300个晶粒来进行试验。300个晶粒等分为三份，分别在20℃和1300℃之间进行热循环10次、20次和30次，记录未破坏的颗粒数。从未破坏颗粒中选择30个，测量耐压强度。从这个试验观察到了烧结刚玉和电熔刚玉之间的很有意思的差别。板状刚玉表现出高的抗热震性和高的强度。扫描电镜照片显示板状刚玉晶粒表面不像电熔刚玉晶粒的表面那样光滑，比较粗糙，有浅的半球形气孔。这种表面结构促进了它与基质的反应和机械互锁，从而提高了耐火材料的强度。

表2 在CAL TAB 315A中电熔白刚玉和T-64板状刚玉的性能

组分板状刚玉电熔白刚玉

骨料

-3+6目

-6+14目

-14+28目

-28+48目

-48+200目

-100目

-325目

总质量百分数，% 75 75

煅烧活性氧化铝

A17NE 5 5

CT3000SG 5 5

CA水泥

CA-25CG 15

SECAR80 15

加水量，% 7.0 7.8

浇注建议VSBIH SBIH

可施工时间，min 30 41

体积密度，110℃干燥，g/cm3 2.84 2.78

抗折强度，N/mm2

815℃煅烧11.4 9.5

1232℃煅烧12.1 4.8

热态抗折强度，N/mm2，保

温16小时

1400℃15.1 14.1

1500℃16.9 11.8

表2列出了两种浇注料的性能，一种是板状刚玉基，另一种是电熔白刚玉基的。在这个试验中，两种浇注料使用的水泥不同。在1232℃煅烧后，板状刚玉基浇注料的抗折强度是12.1 N/mm2，电熔白刚玉基浇注料的抗折强度是4.8 N/mm2，这之间的显著差别或许证明了前面提到的骨料和基质之间结合系统得不同。

图3是Davidson和Willshee[1]在1550℃和0.67 N/mm2条件下对莫来石砖蠕变的研究。莫来石基板状刚玉砖的优异蠕变性能使这些配方达到了烧箱和窑具的工业标准。

板状工业的主要性能如下：

高纯（Al2O3＞99.4%）；

晶体极高的硬度；

低的开口气孔率和2-3倍高的闭气孔率；

高的颗粒堆积密度，3.55-3.6g/cm3；

高熔点＞2000℃；

化学惰性；

好的抗热震性；

优异的体积稳定性；