高电阻熔铸锆刚玉砖的开发及应用

李笃斌，李志军，商宜农，郑闯，魏坤

（淄博艾杰旭刚玉材料有限公司，山东 淄博 255200）

1 概述

近年来，随着玻璃工业的发展和环保要求的日趋严格，电熔窑炉因为具有热效率高，节省能源，改善劳动条件，不需要脱硫脱硝设备和蓄热室投资等技术特性，在国内外得到迅速的推广，已广泛应用于光学玻璃、硼硅酸盐玻璃、铅玻璃、氟化物玻璃、瓶罐玻璃以及纤维玻璃的生产,工艺已趋成熟。熔铸锆刚玉砖以其优越的抗玻璃液侵蚀和低污染性，成为电熔窑炉中直接与玻璃液相接触的最关键的筑炉材料。但电熔锆刚玉砖的温度越高，其电阻率越低，导致电极砖部位的熔铸锆刚玉四周（尤其上部）侵蚀格外严重，成为影响电熔玻璃窑炉寿命的短板。玻璃电熔窑炉的设计者通常在耐火材料选用时，主要考虑耐火材料的侵蚀性和电阻特性，但目前并未见到特别提及改善熔铸锆刚玉砖高温电阻率的问题。国内外厂家发布的电熔锆刚玉砖产品的电阻率如下表1。

表1 电熔锆刚玉砖产品的电阻率

2 熔铸锆刚玉砖的使用性能

熔铸锆刚玉砖是将氧化铝、碱粉、锆英砂等原料，经高温氧化熔融、浇铸到铸型中保温退火，冷却后加工成产品。通常砖中含有31～45wt.%的ZrO2，9～14wt.%的 SiO2，0.6～1.9wt.%的 Na2O，Al2O3用来补足余量。熔融液体的凝固过程，根据Al2O3-ZrO2-SiO2三元相图，熔融液体先析出ZrO2初晶，料液中达到ZrO2和Al2O3斜锆石-刚玉共晶体比例时，形成斜锆石-刚玉共晶体骨架结构，最后SiO2、Na2O 与 Al2O3形成玻璃相，少量的 K2O、CaO、Fe2O3、TiO2等杂质也进入玻璃相中，填充于斜锆石-刚玉共晶体的骨架间起到缓解斜锆石相变应力的作用。在熔铸锆刚玉砖的使用过程中，砖中的玻璃相在高温下部分渗出，形成孔隙，窑炉内玻璃渗入并与电熔砖接触层中残余的玻璃相发生置换，同时通常情况下斜锆石-刚玉共晶体会以同等速度熔到玻璃液中。高温下ZrO2结晶及玻璃相的电阻率较低，而斜锆石-刚玉共晶体电性能接近于刚玉，电阻率较高。根据电熔砖侵蚀及导电机理分析，在电熔砖的玻璃相引入少量特种氧化物，提高玻璃相的电阻率及高温粘度，提高斜锆石-刚玉共晶体数量，具有提高电阻率和耐侵蚀性可能性。

3 高电阻熔铸锆刚玉砖的开发

基于提高玻璃相的电阻率及高温粘度的考虑，我们对高电阻电熔锆刚玉砖的化学成分进行了合理设计，控制其成分符合玻璃熔窑用熔铸锆刚玉耐火制品［1］的要求，试验、调整生产制造工艺并改善了铸造合格率，开发出了高电阻和耐侵蚀的熔铸锆刚玉砖。

熔铸锆刚玉砖中SiO2、Al2O3、Na2O是玻璃相的主要成份，决定着熔铸锆刚玉砖中玻璃相的含量及性能，减少Na2O含量则可以减少玻璃相中氧化铝的含量、提高玻璃相SiO2的含量，从而提高玻璃相的电阻率；同时要控制Fe2O3、TiO2尽量低的含量。添加少量特种氧化物,对熔铸锆刚玉材料晶体结构有一定影响［2］。特种氧化物可做为斜锆石、刚玉晶体的晶核或形成固溶体,增加共晶相的比例，从而提高砖材高温下的电阻率。根据多个配料组合进行批量试验浇铸，综合考虑生产工艺、产品外观品质及其理化指标后，优选出了高电阻熔铸锆刚玉砖的配方和制造工艺。

表2 高电阻熔铸锆刚玉砖与普通熔铸锆刚玉砖的理化指标

4 高电阻熔铸锆刚玉砖的理化指标

按照玻璃熔窑用熔铸锆刚玉耐火制品中规定的样品制备方法和检测项目，41号高电阻熔铸锆刚玉砖与普通41号熔铸锆刚玉砖的理化指标对比如表2。按照日本高温电阻率测试标准［3］，检测的41号高电阻熔铸锆刚玉砖与普通41号熔铸锆刚玉砖的高温电阻率如图1。

图1 高电阻熔铸锆刚玉砖与普通熔铸锆刚玉砖的高温电阻率

5 成本控制

浇铸1500mm×450mm×300mm的AZS砖50块，冷却加工后裂纹规格按照玻璃熔窑用熔铸锆刚玉耐火制品中规定执行，裂纹率低于6%，产品良品率与普通熔铸锆刚玉砖相当。高电阻熔铸锆刚玉砖仅添加少量特种氧化物，其制造成本比普通熔铸锆刚玉砖略高。高电阻熔铸锆刚玉砖冒口熟料，可用于普通41号熔铸锆刚玉砖原料，因此，制造成本差别并不明显。

6 结语

41号高电阻熔铸锆刚玉砖在1000℃～1600℃高温电阻率约为普通41号熔铸锆刚玉砖的3～8倍，侵蚀速率比普通41号高电阻熔铸锆刚玉砖低约30%。经过在电熔玻璃窑炉的实际应用，检测到靠近电极部位的砖材表面温度比普通41号熔铸锆刚玉砖低20～50℃，窑炉的实际侵蚀情况得到大幅改善，因此具有广阔的推广应用前景