高電阻熔鑄鋯剛玉磚的開發及應用

李篤斌，李志軍，商宜農，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，隨著玻璃工業的發展和環保要求的日趨嚴格，電熔窯爐因為具有熱效率高，節省能源，改善勞動條件，不需要脫硫脫硝設備和蓄熱室投資等技術特性，在國內外得到迅速的推廣，已廣泛應用于光學玻璃、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,工藝已趨成熟。熔鑄鋯剛玉磚以其優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，導致電極磚部位的熔鑄鋯剛玉四周（尤其上部）侵蝕格外嚴重，成為影響電熔玻璃窯爐壽命的短板。玻璃電熔窯爐的設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。國內外廠家發布的電熔鋯剛玉磚產品的電阻率如下表1。

表1 電熔鋯剛玉磚產品的電阻率

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，經高溫氧化熔融、澆鑄到鑄型中保溫退火，冷卻后加工成產品。通常磚中含有31～45wt.%的ZrO2，9～14wt.%的 SiO2，0.6～1.9wt.%的 Na2O，Al2O3用來補足余量。熔融液體的凝固過程，根據Al2O3-ZrO2-SiO2三元相圖，熔融液體先析出ZrO2初晶，料液中達到ZrO2和Al2O3斜鋯石-剛玉共晶體比例時，形成斜鋯石-剛玉共晶體骨架結構，最后SiO2、Na2O 與 Al2O3形成玻璃相，少量的 K2O、CaO、Fe2O3、TiO2等雜質也進入玻璃相中，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，窯爐內玻璃滲入并與電熔磚接觸層中殘余的玻璃相發生置換，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。根據電熔磚侵蝕及導電機理分析，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

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成分進行了合理設計，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、調整生產制造工藝并改善了鑄造合格率，開發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構有一定影響［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。根據多個配料組合進行批量試驗澆鑄，綜合考慮生產工藝、產品外觀品質及其理化指標后，優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

4 高電阻熔鑄鋯剛玉磚的理化指標

按照玻璃熔窯用熔鑄鋯剛玉耐火制品中規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對比如表2。按照日本高溫電阻率測試標準［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，冷卻加工后裂紋規格按照玻璃熔窯用熔鑄鋯剛玉耐火制品中規定執行，裂紋率低于6%，產品良品率與普通熔鑄鋯剛玉磚相當。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%。經過在電熔玻璃窯爐的實際應用，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用前景