金屬鉻添加量對剛玉質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，所以被廣泛應用于各種行業中，例如：冶金、建材、石油化工等方面。同時，為了提升剛玉質耐火材料的使用性能以及使用年限，需要在剛玉質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耐火材料抗熱性能，滿足不同行業對于剛玉質耐火材料的使用需求。另外，鉻具有延展性、耐腐蝕性、抗氧化等優點，將其添加到剛玉質耐火材料中，有利于實現材料致密化燒結，進一步優化材料的強度。總的來說，將金屬鉻添加到剛玉質耐火材料中，可以有效改善材料的綜合性能，實現預期的使用壽命的。

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，受到空氣環境溫度的影響，氧化速度也相對較慢。

3 剛玉質耐火材料分析

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

（1）剛玉質耐火材料具有一定的特殊性，并且被廣泛應用于冶金生產中，并且剛玉質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，剛玉質耐火材料主要包括：燒結氧化鋁制品、再結合燒結剛玉制品、再結合電熔剛玉制品，并且在剛玉質耐火材料使用期間，加入少量的外加物，通過工藝進行成型處理，例如：澆注、熱壓、擠壓或搗。在1600~1800℃之間進行加工，并且進行切割，從而完成剛玉質耐火材料加工。

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

（3）剛玉質耐火材料最初應用于冶金領域，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，并且在使剛玉質耐火材料使用期間，將各種元素加入其中，從而提升剛玉質耐火材料的使用性能。另外，剛玉質耐火材料的使用不僅可以降低制備成本，其產品性能會有所提升。

4 剛玉質耐火材料性能影響實驗分析

從實驗研究的手段，分析金屬鉻適當添加對剛玉質耐火材料的影響，主要表現為以下幾點內容。

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，并且結合劑為硫酸鎂。同時，剛玉材料的化學性能主要包括：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元素（%）

需要根據表2 中所顯示的稱量進行混合，其混合時間通常為8～10min 之間，并且在250MPa 下，壓制成預設的圓柱試樣[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 性能監測

通過以上的分析，對性能進行了檢測，具體的內容如下。根據相關標準，將試樣的加熱永久線變化率進行測量，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，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，放入爐內進行加熱處理，如此反復進行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行分析，并且利用附有能譜儀的掃描電子顯微鏡進行觀察，分析金屬鉻添加以后剛玉質耐火材料的組成。

5 結論

通過分析，得出了以下幾點結論：

（1）金屬鉻添加量的不同，并且試樣經過不同溫度的處理，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，剛玉質耐火材料的體積密度會呈現先升高后降低的情況，并且顯氣孔率也呈現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，但是進一步增加金屬鉻的添加量，試樣C3的體積密度就會呈現降低的趨勢，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耐火材料試驗中，并且經過不同溫度的影響，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，可以有效提升試樣的反應度。另外，將不同量的金屬鉻添加到剛玉質耐火材料中，可以在空氣中進行氧化，生成Cr2O3、Al2O3與Cr2O3相同的晶體結構，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物相對較小的話，會導致剛玉質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，并且經過溫度處理以后，常溫耐壓的強度會產生變化。同時，如果溫度處于相同狀態的話，剛玉質耐火材料的常溫耐壓強度就會呈現前變大后降低的趨勢，并且在金屬鉻添加達到3%的話，剛玉質耐火材料的常溫耐壓強度可以達到最為理想的狀態。如果溫度有所升高的話，剛玉質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，固溶反應程度就會變大，這樣就會增加顆粒與是基質逐漸的結合強度，進而提升了剛玉質耐火材料的耐壓強度。另外，如果金屬鉻的添加，可以使剛玉質耐火材料在較低的環境下，獲取較高的強度，例如：加熱溫度在1450℃，金屬鉻未添加，剛玉質耐火材料的耐壓強度可以達到19.8MPa；添加3%的金屬鉻，剛玉質耐火材料的強度有明顯的提升，可以達到42.7MPa。

（4）金屬鉻的添加量，對于1500℃處理剛玉質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，剛玉質耐火材料的強度保持率也會增加，并且金屬鉻添加量達到3%時，剛玉質耐火材料的保持率即可達到最大。另外，隨著金屬鉻的添加，剛玉質耐火材料內侵蝕深度就會有著明顯的變化，會呈現明顯減少的情況，這樣也證明剛玉質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耐火材料，滲透深度最少應當在6.4mm，而添加3%的金屬鉻以后，滲透深度就會減輕，可以到達4.2mm。

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

（6）金屬鉻在剛玉質耐火材料中，所生成的Cr2O3與Al2O3相互擴散，并且生成反應形成固溶體，可以適當增加基質與基質、基質與顆粒之間的連接，適當減少顆粒之間的縫隙，增強成剛玉質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耐火材料結構內滲透，帶來負面影響[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耐火材料的各項性能，有針對性進行使用，并且在剛玉質耐火材料使用期間，可以適當優化剛玉質耐火材料自身的性能。

6 結語

綜上所述，為了確保剛玉質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耐火材料的各種性能。同時，在剛玉質耐火材料試驗中，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進行反應，這樣可以形成固溶體，從而有效提升剛玉質耐火材料的綜合性能，滿足各個行業對于剛玉質耐火材料的需求。