金属铝粒径对MgO-C砖的物理性能和组织的影响

2020-12-23 09:32:21 495

  摘要:通过改变MgO-C砖中所添加的金属铝粒径,并根据此时铝的分布状态,对砖组织进行了评价,研究了与物理性能的关系。金属铝的粒径越小,干燥后及烧成后的铝成分向结构中的分散性就越高。这些分散性的不同可以用分析EDS图像获得的分形尺寸表示,铝的分散性高,砖结构均匀,性能提高,波动也降低。

  前言

  MgO-C砖不易受到炉渣浸润,抗热震性高,所以一直被作为转炉、电炉和二次精炼炉等精炼容器的内衬材料使用。为了提高砖组织的致密度和强度,在MgO-C砖中添加金属铝、Si和B4C等金属及碳化物。其中,添加金属铝的MgO-C砖的高温强度可期待有所提高。而且,众所周知,如果改变混合工艺,使耐火材料中金属铝的分散状态发生变化,那么会影响铝的反应性和强度。本文着重研究了MgO-C砖中所添加的金属铝的粒径发生变化时铝的分布状态,对其组织进行了评价,并研究了和物理性能的关系。

  试验方法

  试验所采用的试样,其组成为:MgO87%、鳞状石墨13%、外加2%平均粒径为120μm、30μm和3μm的金属铝(见表1)。使用酚醛树脂作为结合剂,混合后用真空油压机成型为100mm×230mm×115mm的形状,然后在250℃干燥5h。干燥后切割出规定的形状,在电炉中分别于600℃、800℃、1000℃、1200℃和1400℃下还原烧成10h,测定了常温抗折强度、音速弹性模量、体积密度和显气孔率,用粉末X射线衍射、光学显微镜和SEM对组织结构进行了观察。另外,对干燥后和于1400℃烧成后的试样,以EDS获得的金属铝元素图像为基础,将金属铝的分布状态进行了双值化处理,采用盒式计数法通过分形分析对组织结构进行了评价。

  试验结果以及研究

  3.1物理性能测定结果

  图1示出了在各温度下烧成的试样的体积密度;图2示出了显气孔率。按照所添加的金属铝的粒径来比较,粒径越小则体积密度越大、显气孔率越低。

表1试样的组成及金属铝粒径

  图1各试样的体积密度

  图2各试样的显气孔率

  图3和图4分别示出了常温抗折强度和音速弹性率。所添加金属铝的粒径越小,抗折强度和音速弹性率则越大。

  图3各试样的常温抗折强度

  图4各试样的弹性率

  3.2矿物相的鉴定

  图5示出了在各温度下烧成砖的粉末X射线衍射结果。关于1号试样,当烧成温度为600~1000℃时可以看到金属铝的峰值;温度为1200℃时可以看到与金属铝生成的Al4C3的峰值;温度为1400℃时检测到了MgAl2O4的峰值。

  图5各试样的矿物相

  关于2号试样,在600~800℃时检测出了金属铝;在1000℃时金属铝峰值消失,发现存在Al4C3、MgAl2O4的峰值;在1400℃时出现尖晶石的峰值。

  关于3号试样,在600℃时检测出了金属铝,但在800℃时金属铝峰值消失,发现存在Al4C3峰值,当在1200℃时,明显存在尖晶石峰值。根据该结果可知,所添加金属铝的粒径越小,在低温下铝越容易消失,并生成Al4C3、MgAl2O4等铝化合物。

  3.3组织分析

  图6示出了在1400℃烧成后各砖的SEM图像。不管粒径大小,凡是添加了金属铝,认为有铝存在的地方,都有孔洞形成。关于这些孔洞的形成机理,正如山口等人的报告那样,推测如下。

  (1)首先,金属铝被加热到熔点以上,其表面形成Al4C3皮膜;

  (2)达到熔点的铝气化,皮膜的内压上升;

  (3)温度进一步升高,由于Al(g)、Al2O(g)的压力,Al4C3皮膜破裂,Al(g)、Al2O(g)扩散到组织中。

  推测这次使用的粒径为3~120μm的金属铝都是按照这种扩散机理在组织中进行分布的。

  图6各试样在1400℃时的SEM图像

  3.4通过分形分析对分散性的评价

  图7示出了各试样硬化后以及1400℃烧成后的分析图像和由此获得的分形尺寸。一般认为干燥后的试样图像所获得的分形尺寸表示所添加的金属铝的分散状态,在温度为1400℃烧成后的试样图像所获得的分形尺寸表示Al4C3、Al2O3、MgAl2O4等所有的铝化合物的分散性。关于硬化后铝在组织中的分散性,推测的是金属铝的粒径越小,分形尺寸越大,分布则更均匀。其次,关于烧成前后的分散性,它与硬化后的情况一样,金属铝的粒径越小,分形尺寸越大,并且不管金属铝粒径是多少,烧成后的分形尺寸都比干燥后大。一般认为这是由于通过上述的扩散机理,铝元素扩散到组织中生成了铝化合物的缘故。

  图7各试样的映射图像和分形尺寸

  3.5强度波动

  图8示出了根据1400℃烧成后试样的常温抗折强度计算出的韦布尔系数与分形尺寸的关系。

  图8分形尺寸与韦布尔系数之间的关系

  从图中可知:分形尺寸越大,韦布尔系数则越大,强度波动降低。由此推测,金属铝和铝化合物在组织中的分散性越高,则越能形成均匀的组织,抑制性能的波动。

  4结语

  对添加不同粒径金属铝的MgO-C砖的组织和物理性能进行了研究。金属铝的粒径越小,干燥后及烧成后的铝成分向组织中的分散性则越好。另外明确得知,分散性的差异可以利用EDS图像分析所获得的分形尺寸来表示,铝的分散性越高,砖组织越均匀,则越能提高性能,减小波动。

  

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