金屬鉻添加量對剛玉質(zhì)耐火材料性能影響研究

周知瑜

（江蘇國豪耐火科技有限公司，宜興 214221）

1 前言

剛玉質(zhì)耐火材料的強度較為明顯，并且還具有良好的高溫性能，所以被廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)中，例如：冶金、建材、石油化工等方面。同時，為了提升剛玉質(zhì)耐火材料的使用性能以及使用年限，需要在剛玉質(zhì)耐火材料中添加不同種類的元素，尤其是金屬鉻元素，可以有效提升剛玉質(zhì)耐火材料抗熱性能，滿足不同行業(yè)對于剛玉質(zhì)耐火材料的使用需求。另外，鉻具有延展性、耐腐蝕性、抗氧化等優(yōu)點，將其添加到剛玉質(zhì)耐火材料中，有利于實現(xiàn)材料致密化燒結(jié)，進(jìn)一步優(yōu)化材料的強度。總的來說，將金屬鉻添加到剛玉質(zhì)耐火材料中，可以有效改善材料的綜合性能，實現(xiàn)預(yù)期的使用壽命的。

2 鉻元素概述

鉻（Cr）屬于金屬元素的一種，單質(zhì)為鋼灰色金屬，并且鉻屬于強度和硬度最大的金屬元素，在地殼中的含量大約為0.01%[1]。同時，鉻是銀白色光澤的金屬，具有良好延展性，密度也相對較高。鉻元素可以溶于強堿溶液。另外，由于鉻具有較強的耐腐蝕性，即使暴露在空氣中，受到空氣環(huán)境溫度的影響，氧化速度也相對較慢。

3 剛玉質(zhì)耐火材料分析

通過對剛玉質(zhì)耐火材料的了解，可以分析不同添加量金屬鉻在剛玉質(zhì)耐火材料中所產(chǎn)生的反應(yīng)，從而清楚的了解和掌握剛玉質(zhì)耐火材料性能。

（1）剛玉質(zhì)耐火材料具有一定的特殊性，并且被廣泛應(yīng)用于冶金生產(chǎn)中，并且剛玉質(zhì)耐火材料也叫氧化鋁制品，含有大量的氧化鋁，以剛玉為主的晶體相的耐火材料。同時，剛玉質(zhì)耐火材料主要包括：燒結(jié)氧化鋁制品、再結(jié)合燒結(jié)剛玉制品、再結(jié)合電熔剛玉制品，并且在剛玉質(zhì)耐火材料使用期間，加入少量的外加物，通過工藝進(jìn)行成型處理，例如：澆注、熱壓、擠壓或搗。在1600~1800℃之間進(jìn)行加工，并且進(jìn)行切割，從而完成剛玉質(zhì)耐火材料加工。

（2）剛玉質(zhì)耐火材料在加工期間，經(jīng)過搗打或振動、半干壓制等靜壓等加工工藝，可以從1650～1850℃進(jìn)行加工處理[2]。同時，剛玉質(zhì)耐火材料的強度和硬度等較高，抗腐蝕性也較好。另外，由于剛玉質(zhì)耐火材料具有較高的高溫力學(xué)，可以有效滿足不同行業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)對于剛玉質(zhì)耐火材料的需求。

（3）剛玉質(zhì)耐火材料最初應(yīng)用于冶金領(lǐng)域，主要是因為其所含有的成分與有色冶煉爐襯所用的材料基本相似，并且在使剛玉質(zhì)耐火材料使用期間，將各種元素加入其中，從而提升剛玉質(zhì)耐火材料的使用性能。另外，剛玉質(zhì)耐火材料的使用不僅可以降低制備成本，其產(chǎn)品性能會有所提升。

4 剛玉質(zhì)耐火材料性能影響實驗分析

從實驗研究的手段，分析金屬鉻適當(dāng)添加對剛玉質(zhì)耐火材料的影響，主要表現(xiàn)為以下幾點內(nèi)容。

4.1 試驗材料

實驗以剛玉材料為主，并且選取0.074mm 的金屬鉻作為添加，并且結(jié)合劑為硫酸鎂。同時，剛玉材料的化學(xué)性能主要包括：Al2O3、SiO2、Fe2O3、CaO、Na2O 等成分，具體如表1 所示。

表1 剛玉材料的主要化學(xué)元素（%）

需要根據(jù)表2 中所顯示的稱量進(jìn)行混合，其混合時間通常為8～10min 之間，并且在250MPa 下，壓制成預(yù)設(shè)的圓柱試樣[3]。同時，在試樣壓制完成以后，需要在試樣中選取合適的內(nèi)容，以便試樣的展開。另外，需要將成型的坯體放置在120℃中干燥處理12h 左右。干燥完成以后，將其置于電阻爐中，經(jīng)過高溫2h 保溫處理其高溫為1540℃、1500℃、1550℃、1600℃。

表2 ：試樣配比（w/%）

4.2 性能監(jiān)測

通過以上的分析，對性能進(jìn)行了檢測，具體的內(nèi)容如下。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將試樣的加熱永久線變化率進(jìn)行測量，并且檢測試樣的顯氣孔率和體積密度，以及測定常溫耐壓強度。同時，將試樣在1500℃燒結(jié)，并將處理以后的試樣，放置于1200℃保溫1h。另外，在室溫冷卻30min 以后，放入爐內(nèi)進(jìn)行加熱處理，如此反復(fù)進(jìn)行5 次以后，測量試樣的耐壓強度，通過利用耐壓強度，以此保證剛玉質(zhì)耐火材料的抗熱性能[4]。

利用X 射線衍射儀對1500℃的熱處理試樣物相組成進(jìn)行分析，并且利用附有能譜儀的掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，分析金屬鉻添加以后剛玉質(zhì)耐火材料的組成。

5 結(jié)論

通過分析，得出了以下幾點結(jié)論：

（1）金屬鉻添加量的不同，并且試樣經(jīng)過不同溫度的處理，體積密度和顯氣孔率都有著明顯的變化。同時，在相同溫度下，如果金屬鉻添加量增加，剛玉質(zhì)耐火材料的體積密度會呈現(xiàn)先升高后降低的情況，并且顯氣孔率也呈現(xiàn)先降低后升高的情況。如果金屬鉻添加量為3%，試樣C2的體積密度最大，但是進(jìn)一步增加金屬鉻的添加量，試樣C3的體積密度就會呈現(xiàn)降低的趨勢，顯氣孔率就會增加。另外，如果燃燒溫度有所增加，試樣的體積密度會逐漸增大，然后顯氣孔率就會逐漸減小。

（2）將金屬鉻元素不同量地加入剛玉質(zhì)耐火材料試驗中，并且經(jīng)過不同溫度的影響，線變化率也是不同的，可以看出，如果溫度相同，隨著金屬鉻添加量的增加，試樣線的膨脹率就會逐漸增大。同時，如果溫度處于相同的狀態(tài)，可以有效提升試樣的反應(yīng)度。另外，將不同量的金屬鉻添加到剛玉質(zhì)耐火材料中，可以在空氣中進(jìn)行氧化，生成Cr2O3、Al2O3與Cr2O3相同的晶體結(jié)構(gòu)，并且可以形成無限固溶體[5]。但是，如果固溶體的密度比反應(yīng)物相對較小的話，會導(dǎo)致剛玉質(zhì)耐火材料體積就會膨脹，并且體積密度降低。

（3）由于金屬鉻添加量的不同，并且經(jīng)過溫度處理以后，常溫耐壓的強度會產(chǎn)生變化。同時，如果溫度處于相同狀態(tài)的話，剛玉質(zhì)耐火材料的常溫耐壓強度就會呈現(xiàn)前變大后降低的趨勢，并且在金屬鉻添加達(dá)到3%的話，剛玉質(zhì)耐火材料的常溫耐壓強度可以達(dá)到最為理想的狀態(tài)。如果溫度有所升高的話，剛玉質(zhì)耐火材料的常溫耐壓強度的總體趨勢就會上升，并且溫度與金屬鉻添加量的增加，固溶反應(yīng)程度就會變大，這樣就會增加顆粒與是基質(zhì)逐漸的結(jié)合強度，進(jìn)而提升了剛玉質(zhì)耐火材料的耐壓強度。另外，如果金屬鉻的添加，可以使剛玉質(zhì)耐火材料在較低的環(huán)境下，獲取較高的強度，例如：加熱溫度在1450℃，金屬鉻未添加，剛玉質(zhì)耐火材料的耐壓強度可以達(dá)到19.8MPa；添加3%的金屬鉻，剛玉質(zhì)耐火材料的強度有明顯的提升，可以達(dá)到42.7MPa。

（4）金屬鉻的添加量，對于1500℃處理剛玉質(zhì)耐火材料的抗熱性能有直接的影響，在金屬鉻未添加的時候，剛玉質(zhì)耐火材料的強度一般都會保持在83%左右[6]。同時，隨著金屬鉻添加量的增加，剛玉質(zhì)耐火材料的強度保持率也會增加，并且金屬鉻添加量達(dá)到3%時，剛玉質(zhì)耐火材料的保持率即可達(dá)到最大。另外，隨著金屬鉻的添加，剛玉質(zhì)耐火材料內(nèi)侵蝕深度就會有著明顯的變化，會呈現(xiàn)明顯減少的情況，這樣也證明剛玉質(zhì)耐火材料的抗侵蝕能力也得到提升[7]。對于未添加金屬鉻的剛玉質(zhì)耐火材料，滲透深度最少應(yīng)當(dāng)在6.4mm，而添加3%的金屬鉻以后，滲透深度就會減輕，可以到達(dá)4.2mm。

（5）金屬鉻的添加量，可以明顯影響剛玉質(zhì)耐火材料的各項性能，例如：力學(xué)性能、抗熱性和抗侵蝕性等，并且這些性能可以有效改變剛玉質(zhì)耐火材料各個成分的化學(xué)反應(yīng)以及微觀組織結(jié)構(gòu)變化。同時，金屬鉻的熔點如果為1905℃的話，剛玉質(zhì)耐火材料在制備或使用期間，均成為固相的狀態(tài)。由于金屬鉻的塑性相對較高，將其添加到剛玉質(zhì)耐火材料中，可以在剛玉質(zhì)耐火材料成型期間將剛玉顆粒間的空隙進(jìn)行填充，有效提升剛玉質(zhì)耐火材料的密度[8]。另外，在空氣環(huán)境下，金屬鉻高于600℃，會產(chǎn)生氧化反應(yīng)，生成Cr2O3。剛玉質(zhì)耐火材料內(nèi)部金屬鉻氧化所產(chǎn)生的適量體積膨脹可以有效提升致密化。但是，如果溫度為1600℃，金屬鉻添加量達(dá)到5%時，剛玉質(zhì)耐火材料的膨脹率就會上升，體積密度呈現(xiàn)下降趨勢，氣孔也會增多。

（6）金屬鉻在剛玉質(zhì)耐火材料中，所生成的Cr2O3與Al2O3相互擴散，并且生成反應(yīng)形成固溶體，可以適當(dāng)增加基質(zhì)與基質(zhì)、基質(zhì)與顆粒之間的連接，適當(dāng)減少顆粒之間的縫隙，增強成剛玉質(zhì)耐火材料的強度和硬度以及其他性能，并且也在一定程度上抑制熔渣向剛玉質(zhì)耐火材料結(jié)構(gòu)內(nèi)滲透，帶來負(fù)面影響[9]。另外，通過對金屬鉻添加量的不同，可以很好地判斷剛玉質(zhì)耐火材料的各項性能，有針對性進(jìn)行使用，并且在剛玉質(zhì)耐火材料使用期間，可以適當(dāng)優(yōu)化剛玉質(zhì)耐火材料自身的性能。

6 結(jié)語

綜上所述，為了確保剛玉質(zhì)耐火材料的各項性能，逐漸將金屬鉻添加到其中，可以有效提升剛玉質(zhì)耐火材料的各種性能。同時，在剛玉質(zhì)耐火材料試驗中，隨著金屬鉻添加量的增加，體積密度、常溫耐壓強度、抗熱性能、抗侵蝕性能等方面，都會得到明顯的提升，并且金屬鉻添加量達(dá)到3%的時候效果最佳。另外，由于金屬鉻的塑性相對較高，所以將金屬鉻添加到其中，很容易引起體積膨脹，以及鉻氧化物與Al2O3進(jìn)行反應(yīng)，這樣可以形成固溶體，從而有效提升剛玉質(zhì)耐火材料的綜合性能，滿足各個行業(yè)對于剛玉質(zhì)耐火材料的需求。