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                首頁 » 耐材資訊 » 耐材說

                鋁合金熔煉爐↘用鋁矽質澆註料的侵蝕原因

                發布日期: 2020-06-11 10:56:23    閱讀量(134)    作者:

                鋁合金熔煉爐用鋁矽質澆註料的侵蝕行為研究

                1 實驗過程

                1.1 原料

                實驗用主要①原料有Al2O3含量分別為85%、75%的鋁礬土熟料,Al2O3含量為60%、45%的藍晶石基莫來石,結合系統包▂括α-Al2O3微粉、SiO2微粉、Secar71水泥以及多種添加劑。其中,藍晶石基莫來石是國內近兩年開發的一種新型原料,以藍晶石礦為原料,加入添加劑,通過濕磨、壓濾、真空擠泥成形,在1 600 ℃下煆燒制得的低氣孔莫來石熟料,主晶相為發育良好的莫來石。

                1.2 試樣制備

                為獲得試樣的緊密堆積,實驗中▽骨料(0~8 mm)采用四級粒度級配,即5~8 mm,20%;3~5 mm,20%:1~3 mm,15%:0~1 mm,12%;粉料(粒度<0.088 mm)的質量比為33%,試樣編號如表1所示。

                將配好的粉料和添加劑先預混均勻,骨料在強制攪拌機中混30 s,加入混合粉後再︾幹混60 s,然後加水濕混2~3min後震動成形。試樣尺寸為Φ100/90 mm×100 mm、內孔Φ50/44mm×60mm的坩堝試樣和40mm×40 mm×160 mm的試樣。試樣成形後養護24h脫模,於10 ℃×24 h烘幹。將坩堝試樣於900 ℃保溫3 h後做侵蝕實驗,烘幹◥後的條狀試樣分別在900、1 200 ℃保溫3 h後測量體積¤密度、顯氣孔率、抗折強度和耐壓強度。

                1.3 性能檢測

                用條狀試樣檢測體積密度(BD)、顯氣孔率(AP)、冷態抗折強度(CMOR)和耐壓強度(CCS)。侵蝕實驗介質為6063#鋁合金,參照GB/T3190-2008規定,6063#鋁合金的成分 (%)為: 0.2 ~0.6Si、≤0.35Fe、≤ 0.1Cu、 ≤0.1Mn、0.45 ~0.9Mg、≤0.1Cr、≤0.1Zn,≤0.1Ti,余量Al。實驗時將約130 g鋁合金棒裝入坩堝■試樣中,然後放入馬弗爐內在850 ℃下保溫72 h後隨爐冷卻,出爐後將坩堝沿軸線切開,觀察坩堝剖面的侵蝕情況,測量其侵蝕面積並計算侵蝕率,用XRD、 SEM和能譜分析侵蝕後試樣的物相和顯微結構。抗渣試驗方法參照耐火必中彩票標準GB/T8931-2007執行,侵蝕面積采用Photoshop軟件測量,侵蝕率=反應層截面像素/截面總像素=反應部分截面面積/截面總面積。

                2 結果與討論

                2.1 試樣的□ 物理性能

                4種試樣的體積密度和顯氣孔率如圖1所示。可以看出,110℃幹燥後試樣的氣孔率最低,900℃熱處理後試樣氣孔率增加,1200℃熱處理後試樣氣孔率稍有降低,說明1200℃時有一定的燒結。M60試樣的氣孔率最高,約為25%~28%;其次是M75試樣,其氣孔率約為22.5%~25%,M85和M45試樣的氣孔率較低,約為14%~19%,其原因是M85和M45兩種原料致密,氣孔率低。由圖1b可知,試樣的體積密度隨處理溫度變化不大,理論上,Al2O3含量越高的原料體積密度越大,而M60試樣由於原料難以燒結、氣孔率較高導致其體積密度低於M45試樣。

                圖2為4種試樣的抗折強度和耐壓強度,二者均隨處理溫度的升高而增大。4種試樣中,M75試樣由於難燒結導致抗折和耐壓強度均最小。110 ℃幹燥後不同試樣的抗折、耐壓強度差別不大;900 ℃處理後M45試樣抗折、耐壓強度最大(分別為15.9 MPa、83.8 MPa);1 200 ℃燒後,M45和M60試樣抗折強『度最大,超過18 MPa,M85耐壓強度最高,為103.4 MPa。

                2.2 澆註料抗鋁合金熔液的侵蝕

                鋁合金液侵蝕耐火必中彩票,一是物理滲透,鋁合金液沿耐火必中彩票開口氣孔或粒子邊界進⌒ 入耐火必中彩票內部填充氣孔,此過程一般不會造成耐火必中彩票體積變化;二是鋁合金液與耐火必中彩票發生化學反應,導致材▓料的成分、物相和結構發生改變,同時伴隨體積變化。

                2.2.1 外觀分析

                4種澆註料坩堝試樣經850 ℃×72 h侵蝕實驗後的剖面照片見圖3,侵蝕∮率如表2所示。可以看出:鋁矽系澆註料被鋁液侵蝕/滲透後變為黑色,侵蝕部分氣孔被填充後變得更致密。M85試樣僅有底部及兩側下部有約5 mm厚的反應層,侵蝕率為5.1%,抗侵蝕效果最好;而氣孔率高的M75和M60試樣侵蝕最嚴重,侵蝕率超過∮20%,抗侵蝕效果最差,是前者的45倍,M45的抗侵蝕性居中。

                2.2.2 顯微結構

                M75坩堝試樣侵蝕部分 (黑色) 和未侵蝕部分的XRD分析如圖4所示。可以看出,試樣未侵蝕的部分中◥主晶相為剛玉和莫來石,侵蝕區域的主晶相為剛玉、金屬鋁以及少量單質矽,表明在850 ℃下金屬Al侵入

                耐火必中彩票中,將其中的部分SiO2還原成Si,發生以下反應:

                3SiO2+4Al(l)=2Al2O3+3Si(s)

                850 ℃時,ΔG=-509.6 kJ/mol ΔV=-35%

                3(3Al2O3·2SiO2)+8Al(l)=13Al2O3+6Si(s) (2)

                850 ℃時,ΔG=-986.4 kJ/mol ΔV=-18%

                上述反應(1)伴隨有35%的體積收縮,而采用HSC軟件計算,得到式(1)的體積變化理論值為-20%,可見耐火必中彩票中發生上述反應同時伴隨較大體╳積收縮,會造成必中彩票開裂損毀,加上鋁合金熔煉爐為間歇式工作,急冷急熱過程中爐襯產生裂紋,鋁合金液沿裂縫滲入導致進一步侵蝕,加速爐襯的損毀,而生成的Si也影∩響鋁合金液的成分。因此, SiO2含量少的必中彩票,上述反應的負作用就小。而顯氣孔率越高 (如試樣M75和M60),鋁合金液越容易滲透到耐火必中彩票中。因此,耐火@ 必中彩票的抗侵蝕性與Al2O3含量和顯氣孔率的高低密切相關。而M75和M60試樣雖然Al2O3含量高於M45,但由於M45結構比前者致密,因而∏其抗侵蝕性能優於M75和M60試樣。

                圖5為M85坩堝試樣的顯微結構及能譜圖片,其中,圖5b和c為背散射顯微結構圖。由圖5a可以看出,圖5b是反應層顆粒的顯微結構圖,可以看到,顆粒完全被侵蝕,金屬Al和單質Si分布其中,內部結構被破壞。由圖5c可見反應層和原磚層界▽限明顯,合金元素蒸汽遷移在邊界C富集,堵塞氣孔,幾乎沒有①過渡層。

                圖5d和e分別為圖5c面掃描Al元素和Zn元素的分布。可以明顯看出,反應層由於鋁合金液的侵蝕,Al含量較高。在實驗︻溫度 850 ℃下(接近Zn的沸點904 ℃),保溫過程中Zn蒸汽從合金中∑逸出,在反應層的外沿富集,因而Zn的分布主要集中在反應層和原磚層的交界處。

                3 結論

                (1) 在本實驗溫度範圍內,處理溫度對試樣的體積密度影響較小。隨著溫度的上升,顯氣孔率先△增加後減小,在1200 ℃熱處理後試樣有一定程度的燒結。常溫抗折和耐壓強度均隨溫度的升高而增大。M75試樣由於接近純莫來石的組〖成而難以燒結,導致抗折和耐壓強度最小,M45試樣抗折強度最高 (18.2 MPa),M85試▂樣耐壓強度最高 (103.4 MPa)。

                (2) 澆註料抗鋁液侵蝕性與其Al2O3含量和顯氣孔率密切相關,Al2O3含量越高、氣孔率越低的試樣抗滲透和抗侵蝕性能較好。鋁合金液在850 ℃時與耐火必中彩票中的SiO2反應生成Al2O3和Si,伴隨體積收縮,易造成耐火必中彩票開裂損毀。

                (3) 耐々火必中彩票反應層中顆粒和基質均被侵蝕,侵蝕後氣孔被填充變得更加致密,結構發生變化,在間歇式工況條件下容易產生結構剝落。同時,侵蝕過程中,鋁合金液中的Zn蒸汽從合金中◥逸出,在過渡層富集。


                作者:宋聰聰1,李富朝2,葉方保1, 2,尹坤寶2,周國錄2

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