高電阻熔鑄鋯剛玉磚的開發(fā)及應(yīng)用

李篤斌，李志軍，商宜農(nóng)，鄭闖，魏坤

（淄博艾杰旭剛玉材料有限公司，山東 淄博 255200）

1 概述

近年來，隨著玻璃工業(yè)的發(fā)展和環(huán)保要求的日趨嚴(yán)格，電熔窯爐因為具有熱效率高，節(jié)省能源，改善勞動條件，不需要脫硫脫硝設(shè)備和蓄熱室投資等技術(shù)特性，在國內(nèi)外得到迅速的推廣，已廣泛應(yīng)用于光學(xué)玻璃、硼硅酸鹽玻璃、鉛玻璃、氟化物玻璃、瓶罐玻璃以及纖維玻璃的生產(chǎn),工藝已趨成熟。熔鑄鋯剛玉磚以其優(yōu)越的抗玻璃液侵蝕和低污染性，成為電熔窯爐中直接與玻璃液相接觸的最關(guān)鍵的筑爐材料。但電熔鋯剛玉磚的溫度越高，其電阻率越低，導(dǎo)致電極磚部位的熔鑄鋯剛玉四周（尤其上部）侵蝕格外嚴(yán)重，成為影響電熔玻璃窯爐壽命的短板。玻璃電熔窯爐的設(shè)計者通常在耐火材料選用時，主要考慮耐火材料的侵蝕性和電阻特性，但目前并未見到特別提及改善熔鑄鋯剛玉磚高溫電阻率的問題。國內(nèi)外廠家發(fā)布的電熔鋯剛玉磚產(chǎn)品的電阻率如下表1。

表1 電熔鋯剛玉磚產(chǎn)品的電阻率

2 熔鑄鋯剛玉磚的使用性能

熔鑄鋯剛玉磚是將氧化鋁、堿粉、鋯英砂等原料，經(jīng)高溫氧化熔融、澆鑄到鑄型中保溫退火，冷卻后加工成產(chǎn)品。通常磚中含有31～45wt.%的ZrO2，9～14wt.%的 SiO2，0.6～1.9wt.%的 Na2O，Al2O3用來補(bǔ)足余量。熔融液體的凝固過程，根據(jù)Al2O3-ZrO2-SiO2三元相圖，熔融液體先析出ZrO2初晶，料液中達(dá)到ZrO2和Al2O3斜鋯石-剛玉共晶體比例時，形成斜鋯石-剛玉共晶體骨架結(jié)構(gòu)，最后SiO2、Na2O 與 Al2O3形成玻璃相，少量的 K2O、CaO、Fe2O3、TiO2等雜質(zhì)也進(jìn)入玻璃相中，填充于斜鋯石-剛玉共晶體的骨架間起到緩解斜鋯石相變應(yīng)力的作用。在熔鑄鋯剛玉磚的使用過程中，磚中的玻璃相在高溫下部分滲出，形成孔隙，窯爐內(nèi)玻璃滲入并與電熔磚接觸層中殘余的玻璃相發(fā)生置換，同時通常情況下斜鋯石-剛玉共晶體會以同等速度熔到玻璃液中。高溫下ZrO2結(jié)晶及玻璃相的電阻率較低，而斜鋯石-剛玉共晶體電性能接近于剛玉，電阻率較高。根據(jù)電熔磚侵蝕及導(dǎo)電機(jī)理分析，在電熔磚的玻璃相引入少量特種氧化物，提高玻璃相的電阻率及高溫粘度，提高斜鋯石-剛玉共晶體數(shù)量，具有提高電阻率和耐侵蝕性可能性。

3 高電阻熔鑄鋯剛玉磚的開發(fā)

基于提高玻璃相的電阻率及高溫粘度的考慮，我們對高電阻電熔鋯剛玉磚的化學(xué)成分進(jìn)行了合理設(shè)計，控制其成分符合玻璃熔窯用熔鑄鋯剛玉耐火制品［1］的要求，試驗、調(diào)整生產(chǎn)制造工藝并改善了鑄造合格率，開發(fā)出了高電阻和耐侵蝕的熔鑄鋯剛玉磚。

熔鑄鋯剛玉磚中SiO2、Al2O3、Na2O是玻璃相的主要成份，決定著熔鑄鋯剛玉磚中玻璃相的含量及性能，減少Na2O含量則可以減少玻璃相中氧化鋁的含量、提高玻璃相SiO2的含量，從而提高玻璃相的電阻率；同時要控制Fe2O3、TiO2盡量低的含量。添加少量特種氧化物,對熔鑄鋯剛玉材料晶體結(jié)構(gòu)有一定影響［2］。特種氧化物可做為斜鋯石、剛玉晶體的晶核或形成固溶體,增加共晶相的比例，從而提高磚材高溫下的電阻率。根據(jù)多個配料組合進(jìn)行批量試驗澆鑄，綜合考慮生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品外觀品質(zhì)及其理化指標(biāo)后，優(yōu)選出了高電阻熔鑄鋯剛玉磚的配方和制造工藝。

表2 高電阻熔鑄鋯剛玉磚與普通熔鑄鋯剛玉磚的理化指標(biāo)

4 高電阻熔鑄鋯剛玉磚的理化指標(biāo)

按照玻璃熔窯用熔鑄鋯剛玉耐火制品中規(guī)定的樣品制備方法和檢測項目，41號高電阻熔鑄鋯剛玉磚與普通41號熔鑄鋯剛玉磚的理化指標(biāo)對比如表2。按照日本高溫電阻率測試標(biāo)準(zhǔn)［3］，檢測的41號高電阻熔鑄鋯剛玉磚與普通41號熔鑄鋯剛玉磚的高溫電阻率如圖1。

圖1 高電阻熔鑄鋯剛玉磚與普通熔鑄鋯剛玉磚的高溫電阻率

5 成本控制

澆鑄1500mm×450mm×300mm的AZS磚50塊，冷卻加工后裂紋規(guī)格按照玻璃熔窯用熔鑄鋯剛玉耐火制品中規(guī)定執(zhí)行，裂紋率低于6%，產(chǎn)品良品率與普通熔鑄鋯剛玉磚相當(dāng)。高電阻熔鑄鋯剛玉磚僅添加少量特種氧化物，其制造成本比普通熔鑄鋯剛玉磚略高。高電阻熔鑄鋯剛玉磚冒口熟料，可用于普通41號熔鑄鋯剛玉磚原料，因此，制造成本差別并不明顯。

6 結(jié)語

41號高電阻熔鑄鋯剛玉磚在1000℃～1600℃高溫電阻率約為普通41號熔鑄鋯剛玉磚的3～8倍，侵蝕速率比普通41號高電阻熔鑄鋯剛玉磚低約30%。經(jīng)過在電熔玻璃窯爐的實際應(yīng)用，檢測到靠近電極部位的磚材表面溫度比普通41號熔鑄鋯剛玉磚低20～50℃，窯爐的實際侵蝕情況得到大幅改善，因此具有廣闊的推廣應(yīng)用前景