氧化锆添加量对镁质材料性能的影响

2022-08-28高永军李心慰苏玉玺雨罗旭东陈卫敏

耐火材料 2022年4期

高永军吴锋李心慰苏玉玺冯雨罗旭东陈卫敏王琼

1）辽宁科技大学材料与冶金学院辽宁鞍山 114051

2）郑州瑞泰耐火科技有限公司河南郑州 452374

3）鞍山市和丰耐火材料有限公司辽宁海城 114225

作为碱性耐火材料，镁质耐火材料具有耐火度高、不污染钢水、抗碱性渣侵蚀等特点，适合纯净钢和特殊钢种的冶炼［1－3］。但是，镁质耐火材料也存在热膨胀系数大，抗热震性和抗剥落性较差等缺点［3］。氧化锆具有熔点高、耐高温、能产生相变增韧等优点［4－5］，添加氧化锆有望提高镁质耐火材料的抗热震性和高温强度［6－7］。在本工作中，利用含氧化钙较高的岫岩二级菱镁矿制备镁质耐火材料，主要研究了氧化锆添加量对镁质耐火材料烧结和抗热震性的影响。

1 试验

1．1 试验原料

试验用主要原料为岫岩二级菱镁矿和以单斜氧化锆为主要晶型的脱硅锆，它们的化学组成见表1。以分析纯无水乙醇为助磨剂，以聚乙烯醇缩丁醛（PVB）为结合剂。

表1 主要原料的化学组成

经XRD分析，岫岩二级菱镁矿的主物相为菱镁矿，还含有少量白云石和滑石；脱硅锆的主要物相为单斜氧化锆，未发现其他物相。

1．2 试样制备

将岫岩二级菱镁矿在900℃保温3 h，然后破粉碎并过0．074 mm筛，制成轻烧镁粉。

按脱硅锆占轻烧镁粉、脱硅锆二者的质量分数分别为0、4%、8%、12%、16%的配方配料（分别记为Z0、Z4、Z8、Z12、Z16）。每100 g混合料加入8 g无水乙醇和2 g聚乙烯醇缩丁醛（PVB），然后湿法球磨混合均匀。在干燥箱中于50℃保温12 h烘干，在玛瑙研钵中研磨至全部通过0．15 mm筛。使用压样机，在200 MPa压力下保压30 s，制成35 mm×20 mm的样坯。在干燥箱中于110℃保温12 h烘干，然后在高温试验炉中分别于1 500、1 600、1 700℃保温3 h煅烧，随炉冷却至室温。

1．3 检测分析

按GB／T 2997—2015检测烧后试样的体积密度ρb；按GB／T 5072—2018检测烧后试样的常温耐压强度；按YB／T 376—2004检测烧后试样的抗热震性。

烧后试样的组成物相以MgO和c ZrO2为主。经查阅，MgO的真密度ρ（MgO）＝3．58 g·cm－3，c ZrO2的真密度ρ（c ZrO2）＝6．27 g·cm－3。根据XRD定量分析得出的试样的物相组成w（MgO）＝95%和w（c ZrO2）＝5%，则可计算出试样的理论密度ρt：

再由体积密度ρb和理论密度ρt计算出各试样的相对密度ρr：

采用X’Pert－Powder型X射线衍射仪检测烧后试样的物相组成，采用∑IGMAHD型场发射扫描电镜观察烧后试样的显微结构。

2 结果与讨论

2．1 烧结性能

烧后试样的体积密度见表2。可以看出：随着脱硅锆添加量从0增加到8%（w），试样的体积密度逐渐增大；但脱硅锆添加量超过8%（w）后，试样的体积密度有所减小。随着烧结温度的升高，烧后试样的体积密度逐渐增大。

表2 烧后试样的体积密度

烧后试样的相对密度见图1。可以看出：随着脱硅锆添加量的增加，烧后试样的相对密度呈先增大后减小的变化趋势，在添加量为8%（w）时达到最大；随着烧结温度的升高，烧后试样的相对密度增大，尤其是在烧结温度从1 500℃升高至1 600℃时增大较多，而从1 600℃升高至1 700℃时增大较少。

图1 烧后试样的相对密度

烧后试样的常温耐压强度见图2。可以看出：随着脱硅锆添加量从0增加到8%（w），试样的常温耐压强度逐渐增大；但脱硅锆添加量超过8%（w）后，试样的常温耐压强度有所减小。随着烧结温度的升高，烧后试样的常温耐压强度逐渐增大。

图2 烧后试样的常温耐压强度

2．2 抗热震性能

烧后试样的抗热震性见图3。由图3可知：随着脱硅锆添加量的增加，试样的抗热震性基本上呈先增大后减小的变化趋势，在添加量为8%（w）时达到最大；随着烧结温度的升高，试样的抗热震性基本上呈增大趋势。

图3 烧后试样的抗热震性

归纳来看，添加8%（w）的脱硅锆，在1 700℃保温3 h煅烧，所得试样的相对密度、常温耐压强度和抗热震性均达到最大，分别为86．21%、201 MPa和6次。

2．3 物相组成和显微结构

1 700℃烧后试样的XRD图谱见图4。由图4可见：各试样的主晶相均为方镁石，其他物相则存在较大差异：试样Z0中存在少量镁蔷薇辉石（C3MS2）；试样Z4中还存在少量 CaZrO3、M2S、MgCaSiO4、Ca2MgSi2O7及 MgO 稳定立方氧化锆c ZrO2（Mg0．125O1．875Zr0．875）；试样Z8的情况与MZ4的相类似，只是CaZrO3的量减少，不存在MgCaSiO4相，但多了c ZrO2固溶体Ca0．2O1．8Zr0．8；试样Z12和Z16情况相同，未生成CaZrO3相，存在较多的c ZrO2固溶体Mg0．125O1．875Zr0．875、Ca0．2O1．8Zr0．8，且c ZrO2固溶体的XRD衍射峰高随脱硅锆用量的增加而增强。