CN109231972B - 轻质电熔刚玉砖 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轻质电熔刚玉砖，属于耐火材料的技术领域。本发明的轻质电熔刚玉砖，化学组成含有93～97wt％的Al2O3，2.0～5.0wt％的Na2O和/或K2O，0.15～1.5wt％的SiO2，0.15～1.0wt％的SrO、0.05～0.20wt％的BeO；电熔刚玉砖包含а‑Al2O3、β‑Al2O3和基质玻璃相，并且分散有气孔结构，气孔率为25～40％。气孔结构通过在高温熔炼时通入含氧气体形成，并且含氧气体为O2与CO2的混合气体，所述混合气体中O2含量为20～80v％。本发明的轻质电熔刚玉砖具有适中的压缩强度，并且质量轻保温性能好，耐热冲击性优异。

Description

轻质电熔刚玉砖
技术领域
本发明涉及耐火材料的技术领域，更具体地说，本发明涉及一种轻质电熔刚玉砖。
背景技术
电熔刚玉砖是在电弧炉中将氧化铝熔融后浇铸到指定的特定形状的模型中，通过退火保温，再通过冷加工得到的氧化铝的含量大于90％且以刚玉为主晶相的耐火材料。电熔刚玉砖根据其中氧化铝结晶形态的不同和数量的多少一般分为三种类型，其一是由90％以上的а-Al2O3构成的电熔耐火材料，其高温稳定性能优异，主要用于玻璃熔窑以及石墨焙烧炉的内衬材料；其二是以а-Al2O3与β-Al2O3晶相为主构成的电熔耐火材料，其耐强碱侵蚀性能优异，但其耐高温性能较差，可用于玻璃熔窑的上部结构或玻璃熔窑的玻璃流出口等部位；其三是β-Al2O3晶相为主构成的电熔耐火材料，其对强碱蒸气具有极高的耐蚀性，因而通常用于玻璃熔窑的上部结构。近年来，随着许多新工艺和新技术的发展，对玻璃熔窑、高炉的炉料的要求也越来越高，然而致密的电熔刚玉砖由于气孔率低，热震稳定性较差，因此，有必要开发一种强度适中兼有耐化学稳定性好、质轻且保温效果好的电熔刚玉砖产品。
发明内容
为了解决现有技术中的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种轻质电熔刚玉砖。
为了实现上述目的，本发明的第一方面采用了以下技术方案：
一种轻质电熔刚玉砖，其化学组成含有93～97wt％的Al2O3，2.0～5.0wt％的Na2O和/或K2O，0.15～1.5wt％的SiO2，0.15～1.0wt％的SrO、0.05～0.20wt％的BeO；所述电熔刚玉砖包含а-Al2O3、β-Al2O3和基质玻璃相，并且分散有气孔结构，气孔率为25～40％。
其中，化学组成含有93.5～95.5wt％的Al2O3，2.2～4.5wt％的Na2O和/或K2O，0.30～1.0wt％的SiO2，0.25～0.72wt％的SrO、0.05～0.15wt％的BeO。
其中，所述气孔率优选为30～40％，优选为31～40％，更优选为32～40％。
其中，所述化学组成还含有0～0.5wt％的不可避免的杂质，所述杂质中，BaO<0.05wt％，TiO2+Fe2O3<0.05wt％。
其中，所述电熔刚玉砖中а-Al2O3相的比例为35～63wt％，β-Al2O3相的比例为35～63wt％，基质玻璃相的比例为1.0～3.0wt％。
其中，所述气孔结构通过在高温熔炼时通入含氧气体形成，并且含氧气体为O2与CO2的混合气体，所述混合气体中O2含量为20～80v％。
本发明的第二方面还涉及上述轻质电熔刚玉砖的制备方法。
一种轻质电熔刚玉砖的制备方法，其由以下步骤制备得到：
配料：按照配比准备Al2O3、SiO2、BeO、SrCO3，以及Na2CO3和/或K2CO3得到原料粉末；
熔炼：将粉末原料加入电弧炉中加热熔融，并通入含氧气体进行高温熔炼；
铸造：将高温熔炼后的熔液浇注到石墨铸型中，进行保温退火；
冷加工：将保温退火后的制品取出利用金刚石工具进行加工即可。
其中，高温熔炼的温度为2200～2500℃。
其中，所述含氧气体为O2与CO2的混合气体，并且所述混合气体中O2含量为20～80v％。
与最接近的现有技术相比，本发明的轻质电熔刚玉砖具有以下有益效果：
本发明的电熔刚玉砖具有适中的压缩强度，并且质量轻保温性能好，耐热冲击性优异。
附图说明
图1为本发明的轻质电熔刚玉砖的典型的XRD图谱。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明所述的轻质电熔刚玉砖做进一步的阐述，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
本发明涉及一种轻质电熔刚玉砖，其化学组成含有93～97wt％的Al2O3，2.0～5.0wt％的Na2O和/或K2O，0.15～1.5wt％的SiO2，0.15～1.0wt％的SrO、0.05～0.20wt％的BeO。所述化学组成还含有0～0.5wt％的不可避免的杂质，所述杂质中:BaO<0.05wt％，TiO2+Fe2O3<0.05wt％。在本发明中，电熔刚玉砖包含а-Al2O3、β-Al2O3和基质玻璃相。а-Al2O3为高温稳定相结构，组织结构最为致密，但其在高温碱性蒸气条件下容易转化为β-Al2O3并发生膨胀现象，从而使得耐蚀性显著降低。β-Al2O3实际结构为R2O·11Al2O3，R2O为Na2O、K2O等碱金属氧化物，当然在更高温度下(通常为1500℃以上)β-Al2O3会逸出碱金属氧化物而转化为а-Al2O3从而导致体积收缩而产生裂纹。在а-Al2O3结晶相和β-Al2O3结晶相的间隙之间还形成有少量的基质玻璃相。在本发明中，所述电熔刚玉砖中а-Al2O3相的比例优选为35～63wt％，β-Al2O3相的比例为35～63wt％，基质玻璃相的比例为1.0～3.0wt％。在本发明中，基质玻璃相的含量如果少于1.0wt％，保温退火时容易产生裂纹并且容易形成大尺寸的孔隙，不仅导致成品率降低，而且导致压缩强度降低；但如果基质玻璃相的含量大于3.0wt％时，由于基质玻璃相的耐侵蚀性相对变差。在本发明中，当а-Al2O3相和β-Al2O3相保持在上述比例范围时，能够保持优异的抗碱性蒸气的侵蚀性；而如果а-Al2O3的含量大于63wt％，β-Al2O3相的比例小于35wt％时，与碱性蒸气接触时容易使得电熔刚玉砖发生体积膨胀从而使得耐蚀性显著降低；而如果а-Al2O3的含量小于35wt％，β-Al2O3相的比例大于63wt％时，当在加热的气氛中强碱含量少时，电熔刚玉砖容易发生体积收缩，有发生裂纹甚至崩裂的风险。本发明的轻质电熔刚玉砖典型的X射线衍射图谱如图1所示。在本发明中，通过添加2.0～5.0wt％的Na2O和/或K2O可以控制а-Al2O3相和β-Al2O3相在上述范围内，而且通过调节Na2O和/或K2O的含量，可以控制а-Al2O3相和β-Al2O3的含量。显微观察发现，通过添加少量的SrO和BeO所述а-Al2O3结晶相、β-Al2O3结晶相和基质玻璃相的间隙内均匀分布的气孔结构。在本发明中，所述轻质电熔刚玉砖通过配料、熔炼、铸造和冷加工制备得到，并且在熔炼时通入含氧气体，可以形成上述气孔结构，所述含氧气体优选为O2和CO2的混合气体，并且所述混合气体中，O2的含量为20v％以上。具体来说，本发明的轻质电熔刚玉砖通过包括以下工艺步骤的方法制备得到：
配料：按照配比准备Al2O3、SiO2、BeO、SrCO3，以及Na2CO3和/或K2CO3并混合得到原料粉末；所述Al2O3为纯度大于99％的电熔刚玉粉，SiO2为纯度大于99％的石英粉，而采用的BeO和SrCO3的纯度大于98％，Na2CO3以及K2CO3的纯度大于99％。熔炼：将配料混合后的粉末原料加入三相电弧炉中加热熔融，并通过陶瓷管伸入加热熔融液中通入含氧气体进行高温熔炼，高温熔炼的温度为2200℃以上，可以通过通入含氧气体的量来控制气孔的含量，通入的含氧气体的量可控制在1.5～3.0L/kg熔融液的水平，并且通过添加适量的CO2(20v％以上)有利于控制气孔的大小，使得10cm×10cm的截面上观察到的直径为2mm以上的气孔个数小于10个(在制品内随机切割3个正方形截面，并以观察到的直径为2mm以上的最多的气孔个数计)。铸造：将高温熔炼后的熔液浇注到石墨铸型中，铸造后去除石墨铸型放入缓冷槽中并用刚玉粉包埋，进行保温退火并缓慢冷却至室温；冷加工：将保温退火冷却至室温的制品取出利用金刚石工具进行加工切除浇口部位，并根据需求加工成所需形状的轻质电熔刚玉砖制品。
表1和表2分别示出了本发明实施例1-5以及比较例1-4制备的轻质电熔刚玉砖的化学组成，结晶相组成，气孔率以及直径为2mm以上的气孔个数。
表1
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(wt％) 93.68 95.72 94.86 95.72 93.68
SiO<sub>2</sub>(wt％) 1.25 0.81 1.06 0.81 1.25
BeO(wt％) 0.13 0.18 0.12 0.18 0.13
SrO(wt％) 0.78 0.92 0.63 0.92 0.78
Na<sub>2</sub>O(wt％) 4.03 2.21 3.18 2.21 4.03
BaO(wt％) 0.02 0.03 0.03 0.03 0.02
TiO<sub>2</sub>+Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(wt％) 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03
其它杂质 余量 余量 余量 余量 余量
气孔率(％) 25 31 33 35 26
а-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>相(％)/β-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>相(％) 36/62 63/36 48/50 62/36 35/63
直径为2mm以上的气孔个数 12 13 7 8 5
O<sub>2</sub>吹入量(L/kg熔融液) 1.6 2.3 2.0 2.1 1.0
CO<sub>2</sub>吹入量(L/kg熔融液) 0 0 0.5 0.7 0.6
表2
比较例1 比较例2 比较例3 比较例4
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(wt％) 93.62 95.71 94.83 94.83
SiO<sub>2</sub>(wt％) 1.25 0.81 1.06 1.06
BeO(wt％) 0.15 - - -
SrO(wt％) - 0.92 0.63 -
Na<sub>2</sub>O(wt％) 4.01 2.23 3.18 3.18
BaO(wt％) 0.80 0.21 0.03 0.03
CaO(wt％) 0.05 0.05 0.12 0.76
TiO<sub>2</sub>+Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(wt％) 0.02 0.03 0.03 0.03
其它杂质 余量 余量 余量 余量
气孔率(％) 23 33 33 32
а-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>相(％)/β-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>相(％) 36/62 62/36 48/50 46/52
O<sub>2</sub>吹入量(L/kg熔融液) 1.6 2.1 2.0 2.0
CO<sub>2</sub>吹入量(L/kg熔融液) 0 0.7 0.5 0.5
直径为2mm以上的气孔个数 21 15 18 26
表2中“-”表示未添加该组分。
实施例1～5以及比较例1～4制备得到的电熔刚玉砖的性能分别如表3和表4所示。
表3
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
压缩强度(MPa) 105 82 136 128 151
600℃热传导率(Wm<sup>-1</sup>K<sup>-1</sup>) 3.0 2.9 2.5 2.4 3.0
1000℃热传导率(Wm<sup>-1</sup>K<sup>-1</sup>) 4.3 3.8 3.3 3.2 4.2
抗热冲击性(次) 25 28 35 39 47
表4
比较例1 比较例2 比较例3 比较例4
压缩强度(MPa) 72 65 63 51
600℃热传导率(Wm<sup>-1</sup>K<sup>-1</sup>) 3.2 2.7 2.6 2.8
1000℃热传导率(Wm<sup>-1</sup>K<sup>-1</sup>) 4.5 3.5 3.6 3.6
抗热冲击性(次) 8 12 12 5
其中，所述抗热冲击性是指将加工出的5cm×5cm×10cm的刚玉砖，放入炉内温度为1350℃的加热炉内，保持15min，然后取出在空气中冷却15min的工作循环，直至肉眼观察到出现裂纹时的循环次数标记为抗热冲击性的次数。
对于本领域的普通技术人员而言，具体实施例只是对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种轻质电熔刚玉砖，其特征在于：化学组成含有93～97wt％的Al2O3，2.0～5.0wt％的Na2O和/或K2O，0.15～1.5wt％的SiO2，0.15～1.0wt％的SrO、0.05～0.20wt％的BeO；所述电熔刚玉砖中ɑ-Al2O3相的比例为35～63wt％，β-Al2O3相的比例为35～63wt％，基质玻璃相的比例为1.0～3.0wt％，并且分散有气孔结构，气孔率为25～40％。
2.根据权利要求1所述的轻质电熔刚玉砖，其特征在于：化学组成含有93.5～95.5wt％的Al2O3，2.2～4.5wt％的Na2O和/或K2O，0.30～1.0wt％的SiO2，0.25～0.72wt％的SrO、0.05～0.15wt％的BeO。
3.根据权利要求1所述的轻质电熔刚玉砖，其特征在于：所述气孔率为30～40％。
4.根据权利要求1所述的轻质电熔刚玉砖，其特征在于：所述化学组成还含有0～0.5wt％的不可避免的杂质，所述杂质中，BaO<0.05wt％，TiO2+Fe2O3<0.05wt％。
5.根据权利要求1所述的轻质电熔刚玉砖，其特征在于：所述气孔结构通过在高温熔炼时通入含氧气体形成，并且含氧气体为O2与CO2的混合气体，所述混合气体中O2含量为20～80v％。
6.权利要求1～4任一项所述的轻质电熔刚玉砖的制备方法，其特征在于由以下步骤制备得到：
配料：按照配比准备Al2O3、SiO2、BeO、SrCO3，以及Na2CO3和/或K2CO3得到原料粉末；
熔炼：将粉末原料加入电弧炉中加热熔融，并通入含氧气体进行高温熔炼；
铸造：将高温熔炼后的熔液浇注到石墨铸型中，进行保温退火；
冷加工：将保温退火后的制品取出利用金刚石工具进行加工即可。
7.权利要求6所述的轻质电熔刚玉砖的制备方法，其特征在于：所述高温熔炼的温度为2200～2500℃。
8.权利要求6所述的轻质电熔刚玉砖的制备方法，其特征在于：所述含氧气体为O2与CO2的混合气体。
9.权利要求8所述的轻质电熔刚玉砖的制备方法，其特征在于：所述混合气体中O2含量为20～80v％。
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