熱震損毀是影響耐火材料壽命的重要原因。大量研究發(fā)現(xiàn)，通過材料中不同物相熱膨脹系數(shù)的不匹配來產(chǎn)生微裂紋，是提高耐火材料抗熱震性的有效途徑。例如：Boccaccini等研究了熱失配材料堇青石-莫來石的抗熱震性能，賀智勇等研究了氧化鋯對(duì)剛玉-尖晶石澆注料抗熱震性的影響。但這些研究大多是針對(duì)熱膨脹系數(shù)各向同性的兩相之間的相互作用，而針對(duì)熱膨脹系數(shù)各向異性晶體對(duì)耐火材料抗熱震性能影響的研究鮮有報(bào)道。
紅柱石是一種優(yōu)質(zhì)耐火原料，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、抗渣性、抗高溫蠕變性、抗熱震性，因而得到了深入研究和廣泛應(yīng)用。有研究指出，紅柱石礦物顆粒是單晶或單晶的碎片，具有熱膨脹系數(shù)各向異性的特點(diǎn)，其各向的熱膨脹系數(shù)(25~300℃)為：α軸13.4×10-6℃-1，b軸9.6×10-6℃-1,c軸3.5×10-6℃-1。紅柱石晶體(顆粒)熱膨脹系數(shù)各向異性行為必定直接作用于周邊環(huán)境，會(huì)造成周邊區(qū)域應(yīng)力集中而誘發(fā)微裂紋。添加紅柱石骨料對(duì)耐火澆注料性能的影響已有不少研究,但紅柱石骨料對(duì)燒成耐火制品抗熱震性影響的研究較少。在本工作中，分別用不同粒度的紅柱石骨料等量替代燒成莫來石-剛玉制品中相同粒度的莫來石骨料，著重研究紅柱石骨料粒度對(duì)莫來石-剛玉材料抗熱震性能的影響。
1試驗(yàn)
1.1原料
原料為:ω(Al2O3)>57%的紅柱石骨料，粒度分別為5~3、3~1、≤1mm;燒結(jié)莫來石骨料，粒度分別為5~3、3?1、≤1mm;ω(Al2O3)>98%的板狀剛玉d50=44μm;ω(Al2O3)>99.81%的活性Al2O3微粉，d50=44μm;ω(Si02)>95%的SiO2微粉，d50=44μm。結(jié)合劑為紙漿廢液。
1.2試樣制備
按表1的配比稱取原料，將稱好的細(xì)粉(板狀剛玉、活性氧化鋁和硅微粉)混合到一起放人球磨機(jī)中研磨2h。把骨料加入混碾機(jī)中與紙漿廢液攪拌3min,然后加入預(yù)混合的粉料攪15min。混合均勻后，用鋼模在液壓機(jī)上壓制成25mm×25mm×125mm試樣，成型壓力為200MPa。試樣經(jīng)110℃干燥24h后，在1450℃保溫3h燒成。
表1? 試驗(yàn)配方
1.3試樣檢測
依據(jù)GB/T2997-2000測量燒成試樣的體積密度和顯氣孔率，按GB/T3001-2007檢測常溫抗折強(qiáng)度，依據(jù)YB/T376.2-1995測抗熱震性能(950℃，風(fēng)冷)，根據(jù)GB/T30758-2014,使用常溫彈性模量測試儀(DEMA-01)測量試樣的彈性模量;采用X射線衍射儀(德國布魯克D8Focus)分析燒成試樣的物相組成;燒成試樣經(jīng)樹脂固化、HF腐蝕后，采用SEM(德國蔡司∑IGMAHD)觀察其顯微結(jié)構(gòu)。
2 結(jié)果與討論
2.1物理性能
經(jīng)1450℃保溫3h燒成試樣的體積密度和顯氣孔率如圖1所示。由圖1可知，各試樣的體積密度基本相同;添加20%(ω)的≤1mm紅柱石的試樣MA1顯氣孔率最低，但隨著添加紅柱石骨料粒度的增加，試樣的顯氣孔率有逐漸提高趨勢(shì)。
圖1 添加不同粒度紅柱石#料的燒成試樣的顯氣孔率和體積密度
圖2為試樣經(jīng)1450℃保溫3h燒后的彈性模量。可以看出，未添加紅柱石骨料的試樣M的彈性模量最大，隨著試樣中添加紅柱石骨料粒度的增大，彈性模量逐漸降低。
圖2 添加不同粒度紅柱石骨料的燒成試樣的彈性模量
圖3為燒成試樣經(jīng)950℃風(fēng)冷熱震前后的常溫抗折強(qiáng)度和熱震5次后的抗折強(qiáng)度保持率。從圖3可以看出，隨著試樣中添加紅柱石骨料粒度的增加，熱震試驗(yàn)前后試樣的抗折強(qiáng)度均逐漸降低，且熱震后抗折強(qiáng)度小于熱震前的;熱震后抗折強(qiáng)度保持率逐漸提高，抗熱震性逐漸提高。
圖3 添加不同粒度紅柱石骨料的燒成試樣熱震前后的常濕抗折強(qiáng)度和經(jīng)950℃風(fēng)冷5次熱震后的抗折強(qiáng)度保持率
2.2物相分析
圖4 燒成試樣的XRD圖譜
1450℃保溫3h燒成試樣的XRD圖譜。從圖4可以看出，不含紅柱石的試樣M主要物相是莫來石和剛玉;而含紅柱石的試樣MA1、MA3和MA5,除了含有莫來石和剛玉外，還含有紅柱石。經(jīng)半定量分析計(jì)算，試樣MA1、MA3、MA5的殘存紅柱石含量(ω)為11.6%、12.0%、14.9%。可見，隨著試樣中添加紅柱石骨料粒度的增大，試樣中殘存紅柱石的含量逐漸提高。試樣中的紅柱石在燒結(jié)過程中發(fā)生莫來石化反應(yīng)，隨著紅柱石骨料粒度的增大，莫來石化程度逐漸降低，因此殘存紅柱石的含量增加。
2.3顯微結(jié)構(gòu)分析
圖5示出了經(jīng)1450℃保溫3h燒成的試樣MA1(加≤1mm紅柱石)和試樣MA5(加5~3mm紅柱石)的顯微結(jié)構(gòu)。由圖5可知，兩試樣中的紅柱石骨料(已部分莫來石化)與基質(zhì)部分均發(fā)生分離而產(chǎn)生了微裂紋。這可能是由于紅柱石骨料(已部分莫來石化)的熱膨脹系數(shù)各向異性，紅柱石骨料與基質(zhì)必然存在熱膨脹系數(shù)失配。在燒結(jié)降溫過程中由熱膨脹系數(shù)失配產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致了微裂紋的產(chǎn)生。通過對(duì)比圖5(a)和圖5(b)可知:添加的紅柱石骨料粒度越大，燒成試樣中形成微裂紋的尺寸也越大。而微裂紋尺寸的增大，會(huì)導(dǎo)致試樣的抗折強(qiáng)度和彈性模量不斷降低(見圖2和圖3)。
圖5 經(jīng)1450℃保溫3h燒成試樣MA1和MA5的顯微結(jié)構(gòu)照片
分析認(rèn)為，添加的紅柱石骨料粒度越大，在燒成降溫過程中骨料與基質(zhì)之間的熱膨脹系數(shù)失配產(chǎn)生的應(yīng)力越大，產(chǎn)生的微裂紋尺寸也就越大;而較大尺寸的微裂紋在熱震過程中能夠起到釋緩熱應(yīng)力，阻止裂紋擴(kuò)展和新裂紋產(chǎn)生的作用，從而提高了試樣的抗熱震性能(見圖3)。
3 結(jié)論
(1)不加紅柱石骨料的燒成試樣抗折強(qiáng)度最大,但抗熱震性最差;添加紅柱石骨料的燒成試樣，隨著紅柱石骨料粒度的增大,試樣的抗折強(qiáng)度和彈性模量逐漸減小，但抗熱震性逐漸增強(qiáng)。
(2)在試樣燒結(jié)降溫過程中，添加的紅柱石骨料粒度越大,紅柱石骨料與基質(zhì)間的熱膨脹系數(shù)失配產(chǎn)生的應(yīng)力越大，產(chǎn)生微裂紋的尺寸也就越大;而較大尺寸的微裂紋在熱震過程中可以有效阻止新裂紋的產(chǎn)生和裂紋擴(kuò)展，提高莫來石-剛玉材料的抗熱震性，因此添加20%(ω)的5~3mm紅柱石骨料的試樣具有較好的抗熱震性。
