金属铬添加量对刚玉质耐火材料性能影响研究

周知瑜

（江苏国豪耐火科技有限公司，宜兴 214221）

1 前言

刚玉质耐火材料的强度较为明显，并且还具有良好的高温性能，所以被广泛应用于各种行业中，例如：冶金、建材、石油化工等方面。同时，为了提升刚玉质耐火材料的使用性能以及使用年限，需要在刚玉质耐火材料中添加不同种类的元素，尤其是金属铬元素，可以有效提升刚玉质耐火材料抗热性能，满足不同行业对于刚玉质耐火材料的使用需求。另外，铬具有延展性、耐腐蚀性、抗氧化等优点，将其添加到刚玉质耐火材料中，有利于实现材料致密化烧结，进一步优化材料的强度。总的来说，将金属铬添加到刚玉质耐火材料中，可以有效改善材料的综合性能，实现预期的使用寿命的。

2 铬元素概述

铬（Cr）属于金属元素的一种，单质为钢灰色金属，并且铬属于强度和硬度最大的金属元素，在地壳中的含量大约为0.01%[1]。同时，铬是银白色光泽的金属，具有良好延展性，密度也相对较高。铬元素可以溶于强碱溶液。另外，由于铬具有较强的耐腐蚀性，即使暴露在空气中，受到空气环境温度的影响，氧化速度也相对较慢。

3 刚玉质耐火材料分析

通过对刚玉质耐火材料的了解，可以分析不同添加量金属铬在刚玉质耐火材料中所产生的反应，从而清楚的了解和掌握刚玉质耐火材料性能。

（1）刚玉质耐火材料具有一定的特殊性，并且被广泛应用于冶金生产中，并且刚玉质耐火材料也叫氧化铝制品，含有大量的氧化铝，以刚玉为主的晶体相的耐火材料。同时，刚玉质耐火材料主要包括：烧结氧化铝制品、再结合烧结刚玉制品、再结合电熔刚玉制品，并且在刚玉质耐火材料使用期间，加入少量的外加物，通过工艺进行成型处理，例如：浇注、热压、挤压或捣。在1600~1800℃之间进行加工，并且进行切割，从而完成刚玉质耐火材料加工。

（2）刚玉质耐火材料在加工期间，经过捣打或振动、半干压制等静压等加工工艺，可以从1650～1850℃进行加工处理[2]。同时，刚玉质耐火材料的强度和硬度等较高，抗腐蚀性也较好。另外，由于刚玉质耐火材料具有较高的高温力学，可以有效满足不同行业领域生产对于刚玉质耐火材料的需求。

（3）刚玉质耐火材料最初应用于冶金领域，主要是因为其所含有的成分与有色冶炼炉衬所用的材料基本相似，并且在使刚玉质耐火材料使用期间，将各种元素加入其中，从而提升刚玉质耐火材料的使用性能。另外，刚玉质耐火材料的使用不仅可以降低制备成本，其产品性能会有所提升。

4 刚玉质耐火材料性能影响实验分析

从实验研究的手段，分析金属铬适当添加对刚玉质耐火材料的影响，主要表现为以下几点内容。

4.1 试验材料

实验以刚玉材料为主，并且选取0.074mm 的金属铬作为添加，并且结合剂为硫酸镁。同时，刚玉材料的化学性能主要包括：Al2O3、SiO2、Fe2O3、CaO、Na2O 等成分，具体如表1 所示。

表1 刚玉材料的主要化学元素（%）

需要根据表2 中所显示的称量进行混合，其混合时间通常为8～10min 之间，并且在250MPa 下，压制成预设的圆柱试样[3]。同时，在试样压制完成以后，需要在试样中选取合适的内容，以便试样的展开。另外，需要将成型的坯体放置在120℃中干燥处理12h 左右。干燥完成以后，将其置于电阻炉中，经过高温2h 保温处理其高温为1540℃、1500℃、1550℃、1600℃。

表2 ：试样配比（w/%）

4.2 性能监测

通过以上的分析，对性能进行了检测，具体的内容如下。根据相关标准，将试样的加热永久线变化率进行测量，并且检测试样的显气孔率和体积密度，以及测定常温耐压强度。同时，将试样在1500℃烧结，并将处理以后的试样，放置于1200℃保温1h。另外，在室温冷却30min 以后，放入炉内进行加热处理，如此反复进行5 次以后，测量试样的耐压强度，通过利用耐压强度，以此保证刚玉质耐火材料的抗热性能[4]。

利用X 射线衍射仪对1500℃的热处理试样物相组成进行分析，并且利用附有能谱仪的扫描电子显微镜进行观察，分析金属铬添加以后刚玉质耐火材料的组成。

5 结论

通过分析，得出了以下几点结论：

（1）金属铬添加量的不同，并且试样经过不同温度的处理，体积密度和显气孔率都有着明显的变化。同时，在相同温度下，如果金属铬添加量增加，刚玉质耐火材料的体积密度会呈现先升高后降低的情况，并且显气孔率也呈现先降低后升高的情况。如果金属铬添加量为3%，试样C2的体积密度最大，但是进一步增加金属铬的添加量，试样C3的体积密度就会呈现降低的趋势，显气孔率就会增加。另外，如果燃烧温度有所增加，试样的体积密度会逐渐增大，然后显气孔率就会逐渐减小。

（2）将金属铬元素不同量地加入刚玉质耐火材料试验中，并且经过不同温度的影响，线变化率也是不同的，可以看出，如果温度相同，随着金属铬添加量的增加，试样线的膨胀率就会逐渐增大。同时，如果温度处于相同的状态，可以有效提升试样的反应度。另外，将不同量的金属铬添加到刚玉质耐火材料中，可以在空气中进行氧化，生成Cr2O3、Al2O3与Cr2O3相同的晶体结构，并且可以形成无限固溶体[5]。但是，如果固溶体的密度比反应物相对较小的话，会导致刚玉质耐火材料体积就会膨胀，并且体积密度降低。

（3）由于金属铬添加量的不同，并且经过温度处理以后，常温耐压的强度会产生变化。同时，如果温度处于相同状态的话，刚玉质耐火材料的常温耐压强度就会呈现前变大后降低的趋势，并且在金属铬添加达到3%的话，刚玉质耐火材料的常温耐压强度可以达到最为理想的状态。如果温度有所升高的话，刚玉质耐火材料的常温耐压强度的总体趋势就会上升，并且温度与金属铬添加量的增加，固溶反应程度就会变大，这样就会增加颗粒与是基质逐渐的结合强度，进而提升了刚玉质耐火材料的耐压强度。另外，如果金属铬的添加，可以使刚玉质耐火材料在较低的环境下，获取较高的强度，例如：加热温度在1450℃，金属铬未添加，刚玉质耐火材料的耐压强度可以达到19.8MPa；添加3%的金属铬，刚玉质耐火材料的强度有明显的提升，可以达到42.7MPa。

（4）金属铬的添加量，对于1500℃处理刚玉质耐火材料的抗热性能有直接的影响，在金属铬未添加的时候，刚玉质耐火材料的强度一般都会保持在83%左右[6]。同时，随着金属铬添加量的增加，刚玉质耐火材料的强度保持率也会增加，并且金属铬添加量达到3%时，刚玉质耐火材料的保持率即可达到最大。另外，随着金属铬的添加，刚玉质耐火材料内侵蚀深度就会有着明显的变化，会呈现明显减少的情况，这样也证明刚玉质耐火材料的抗侵蚀能力也得到提升[7]。对于未添加金属铬的刚玉质耐火材料，渗透深度最少应当在6.4mm，而添加3%的金属铬以后，渗透深度就会减轻，可以到达4.2mm。

（5）金属铬的添加量，可以明显影响刚玉质耐火材料的各项性能，例如：力学性能、抗热性和抗侵蚀性等，并且这些性能可以有效改变刚玉质耐火材料各个成分的化学反应以及微观组织结构变化。同时，金属铬的熔点如果为1905℃的话，刚玉质耐火材料在制备或使用期间，均成为固相的状态。由于金属铬的塑性相对较高，将其添加到刚玉质耐火材料中，可以在刚玉质耐火材料成型期间将刚玉颗粒间的空隙进行填充，有效提升刚玉质耐火材料的密度[8]。另外，在空气环境下，金属铬高于600℃，会产生氧化反应，生成Cr2O3。刚玉质耐火材料内部金属铬氧化所产生的适量体积膨胀可以有效提升致密化。但是，如果温度为1600℃，金属铬添加量达到5%时，刚玉质耐火材料的膨胀率就会上升，体积密度呈现下降趋势，气孔也会增多。

（6）金属铬在刚玉质耐火材料中，所生成的Cr2O3与Al2O3相互扩散，并且生成反应形成固溶体，可以适当增加基质与基质、基质与颗粒之间的连接，适当减少颗粒之间的缝隙，增强成刚玉质耐火材料的强度和硬度以及其他性能，并且也在一定程度上抑制熔渣向刚玉质耐火材料结构内渗透，带来负面影响[9]。另外，通过对金属铬添加量的不同，可以很好地判断刚玉质耐火材料的各项性能，有针对性进行使用，并且在刚玉质耐火材料使用期间，可以适当优化刚玉质耐火材料自身的性能。

6 结语

综上所述，为了确保刚玉质耐火材料的各项性能，逐渐将金属铬添加到其中，可以有效提升刚玉质耐火材料的各种性能。同时，在刚玉质耐火材料试验中，随着金属铬添加量的增加，体积密度、常温耐压强度、抗热性能、抗侵蚀性能等方面，都会得到明显的提升，并且金属铬添加量达到3%的时候效果最佳。另外，由于金属铬的塑性相对较高，所以将金属铬添加到其中，很容易引起体积膨胀，以及铬氧化物与Al2O3进行反应，这样可以形成固溶体，从而有效提升刚玉质耐火材料的综合性能，满足各个行业对于刚玉质耐火材料的需求。