荷重及温度变化同时作用下莫来石红柱石制品性能的变化分析

付 卫，车连房，南建林，秦建涛，李慧雯，李志杰

（1 山东耐材集团鲁耐窑业有限公司，山东 淄博 255200；2 山东耐火材料集团有限公司，山东 淄博 255200）

1 前言

随着我国经济的高速发展，高炉热风炉高风温、长寿化、多样化、高效化得到了快速的发展，从热风炉设计到耐火材料选择都有了大幅度的改进和提高［1-2］。其中：达涅利克鲁斯（霍戈文）高风温热风炉的引进，新日铁型、PW型大型外燃式热风炉的引进，大型外燃式热风炉加辅助小热风炉的组合，俄罗斯卡鲁金顶燃式的引进，球式顶燃式和逆旋流顶燃式等都取得了高风温的实效［3］。对于热风炉用耐火材料而言，要实现热风炉长寿命，所用耐材除了要求其具有优异的抗蠕变性能外，还应具有优良的抗热震性、抗CO 和碱蒸气侵蚀等综合性能［4］。鲁耐窑业公司根据国内外热风炉耐火材料的使用情况研发了1 250～1 550 ℃条件下的系列热风炉低蠕变红柱石砖，实现了制品从仅满足低蠕变要求到高热震低蠕变的优化。产品技术指标达到了欧美国际化设计工程公司（如新日铁、达涅利、PW、VAI、KALUGIN等热风炉）设计的要求，热风炉产品成为鲁耐窑业公司的国际知名品牌产品。根据使用条件的不同，热风炉用红柱石砖分为红柱石部分转化的红柱石基耐火制品及红柱石全部转化的红柱石制品，该两种类型的制品通过控制红柱石粒度及烧成温度在实际的应用中取得了较好的使用效果。本文从应用产品中选取3 种不同档次的红柱石莫来石制品承受荷载和温度变化作用，真实的模拟该材质产品正常使用环境，从而更好地判断莫来石红柱石制品同时抵抗荷载和温度变化作用时的性能变换，并通过荷载及反复温度变化的同时作用研究产品物理指标及显微结构的变化，判断材料的性能变化趋势。

2 试 验

选取AL55、AL65、AL75 三种不同级别的红柱石制品进行高温下荷载和温度变化同时作用的研究。通过对试验后样品性能与原始性能的对比分析，研究不同产品试验前后常温耐压强度、气孔率、体积密度及显微结构的变化，并分析产生变化的原因及效果。

2.1 试验选材

选择AL55、AL65、AL75 进行高温下的荷载和温度变化同时作用的研究。

2.2 试样制备

将各种材质的样品制成中心带通孔的圆柱体，直径50±0.1 mm，高50±0.1 mm，中心通孔直径12～13 mm，并与圆柱体同轴。

2.3 性能检测

采用GB/T 2997—2015《致密定形耐火制品体积密度、显气孔率和真气孔率试验方法》检测气孔率及体积密度；采用GB/T 5072—2008《耐火材料常温耐压强度试验方法》检测常温耐压强度；使用SEM观察试样的显微结构。采用GB/T 5073—2005《耐火材料压蠕变试验方法》在1 500～800 ℃温度波动范围内进行荷载和温度变化同时作用的检测。

3 结果与讨论

AL55、AL65、AL75 样品试验前进行显气孔率、体积密度的检测，同时取平行样进行烧前常温耐压强度、显微结构的分析。试验中样品在0.2 MPa 条件下，AL55 承受高温1 200～800 ℃的温度变化，AL65、AL75承受高温1 500～1 100 ℃的温度变化，温度变化完成6 个循环后自然降温至室温。对试验后样品进行显气孔率、体积密度、常温耐压强度、显微结构的分析。试验前后样品的气孔率变化见图1，体积密度变化见图2，常温耐压强度变化见图3，显微结构变化见图4～6。

图1 试验前后样品的气孔率变化规律

图2 试验前后样品的体积密度变化规律

图3 试验前后样品的常温耐压强度变化规律

图4 AL55试验前后显微结构

3.1 实验结果讨论

3.1.1 产品气孔率的变化趋势分析

从图1可以看出：AL55在荷载和温度变化同时作用后气孔率下降1.73%；AL65在荷载和温度变化同时作用后气孔率增加0.8%；AL75 在荷载和温度变化同时作用后气孔率增加1.10%。

3.1.2 从产品体积密度的变化趋势分析

从图2可以看出：AL55在荷载和温度变化同时作用后体积密度+0.03 g/cm3，AL65在荷载和温度变化同时作用后体积密度-0.11 g/cm3，AL75在荷载和温度变化同时作用后体积密度-0.09 g/cm3。

3.1.3 从产品耐压强度的变化趋势分析

从图3 可以看出：AL55 在荷载和温度变化同时作用后耐压强度-5%，保持在71 MPa；AL65 在荷载和温度变化同时作用后耐压强度-13%，保持在89.5 MPa；AL75 在荷载和温度变化同时作用后耐压强度+22%，达到130 MPa，耐压强度有了大幅度提高。

3.1.4 显微结构

从图4 可以看出：试验后AL55 样品结构更加致密，由于红柱石莫来石化后富硅液相的填充作用使得气孔率降低。同时，材料中形成了大量的莫来石晶柱，晶柱呈现连续分布并且结晶方向一致，初步判断为红柱石一次莫来石化形成完整的莫来石化晶相。液相的填充抵消了红柱石一次莫来石化引起的微膨胀，将莫来石晶相与其他晶相连接的更紧密，莫来石化产生的膨胀抵消了部分烧结收缩，且气孔随莫来石晶柱的形成而逐渐聚集及排除，使产品气孔率降低，体积密度升高。莫来石相的发育提高了材料的力学性能，荷载和温度变化同时作用后，产品的常温耐压强度并未受到影响，维持在70 MPa以上。

从图5a 可以看出：试验前AL65 表面已经存在较完整的莫来石晶相，该晶相内部包裹刚玉、莫来石、石英等晶相，各个晶相之间紧密累积，无序排列。从图5b 可以看出：试验后AL65 表面的莫来石晶相继续扩展，该晶相内部包裹的晶相逐渐向莫来石转化，形成结晶方向一致的柱状莫来石及原位生成的二次莫来石晶粒，柱状莫来石在高温高压下形成排列方向一致的尺寸10～20 μm晶柱，在晶柱的边缘部分存在一部分很小的莫来石晶粒，该晶粒主要是由红柱石转化莫来石时生成的富SiO2液相与基质中的富Al2O3反应生成。莫来石化反应增强了产品的结构强度，使产品产生微膨胀，产品的体积密度降低、气孔率升高。莫来石晶相的大范围的有序形成使制品的常温耐压强度保持在89 MPa 以上，对材料的实际使用不会产生任何的影响。

图5 AL65试验前后显微结构

从图6 可以看出：试验前AL75 样品结合致密、少孔，试验后样品结构层次分明，多孔，刚玉相与莫来石相相间，莫来石晶相得到进一步的发育并与刚玉颗粒相互穿插，大大提高了力学性能。莫来石化产生的微膨胀使产品气孔率稍微有所提高，但随着莫来石化产生的陶瓷结合度的提升，产品的常温耐压强度大幅度提升，达到130 MPa。

图6 AL75试验前后显微结构

3.2 试验数据分析

从试验分析来看，荷载和温度变化同时作用后，产品中的红柱石均进一步的莫来石化及二次莫来石化。莫来石化产生的微膨胀大于高温下液相出现产生的收缩时，试样膨胀，气孔率提升，体积密度降低；莫来石化产生的微膨胀小于高温下液相出现产生的收缩时，试样收缩，气孔率降低，体积密度增加。但是无论从哪个方面分析，莫来石化的发生都增强了产品的结构强度，使产品的常温耐压强度出现不同程度的提升，莫来石化程度越完整的产品，结合强度提升得越突出，例如：AL75耐压强度提升30%。

从实验前后产品的常温耐压强度变化情况分析，三种牌号的红柱石砖均表现出了良好的性能，且荷载和温度变化同时作用后，产品仍保持了较强的耐压强度。该材质在长期的使用过程中，可以为客户创造出更高的使用价值。

荷载和温度变化同时作用后，产品呈现稳定状态，该稳定状态的出现代表产品可以长期保持结构稳定，为热风炉的高风温、长寿化发展提供了一定的参考意义。

4 结语

（1）荷载和温度变化同时作用的试验方法，更好地模拟了生产实际使用过程中的相关环境参数的变化，该试验方法对评价材料的性能具有很好的借鉴性。

（2）通过分析经荷载和温度变化同时作用后的试验数据，可以看出：试验后AL55、AL65、AL75 红柱石产品的结构都得到不同程度的优化，能够很好地满足热风炉实际使用要求，是热风炉高风温、长寿化发展趋势下耐火材料的发展方向。

（3）AL75 红柱石砖在荷载和温度变化同时作用下，实现了力学性能的大幅度提升，该材料为热风炉高热震、高风温处的耐火材料的选择提供了可靠的借鉴。