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摘要：分别以板状刚玉为主要原料，以氧化铝微粉、纯铝酸钙水泥为结合剂，研究了预合成尖晶石和原位生成尖晶石对刚玉基浇注料性能的影响。研究结果表明：随着尖晶石粒度的减小、预合成尖晶石加入量的增加，热震稳定性能升高，但抗折强度有降低的趋势，烧后试样的线变化由收缩变为膨胀。
关键词：预合成尖晶石；原位生成尖晶石；刚玉基浇注料；热震稳定性能；
镁铝尖晶石的化学式为MgAl2O4或MgO•Al2O3，理论含MgO 28.3%，Al2O3 71.7%。镁铝尖晶石具有良好的抗侵蚀能力[1]、抗磨蚀能力，热震稳定性好[2]。在陶瓷基体中引入第二相，由于热膨胀系数的不同，冷却时可以产生热应力，在材料内部产生残余应力场。如果热膨胀失配较大，则热应力场将导致显微裂纹。镁铝尖晶石和刚玉相的热膨胀系数有较小的差异，可以在材料基质中因失配而产生增韧的作用，很多专家[3-5]都进行过相关研究。本工作研究了尖晶石的不同粒度和加入量对刚玉基浇注料热震稳定性能的影响。
1 试验
1.1原料及试验方案
本试验按骨料与基质70:30的质量比进行配料，基础配方见表1。
采用两种方案：
（1）研究预合成尖晶石粒度的影响
尖晶石粒度分别选用5-3mm、3-1mm、1-0mm和180目，固定尖晶石加入量为15%，分别等量替代基础配方M中的板状刚玉。
（2）研究预合成尖晶石加入量的影响
固定尖晶石粒度为180目，选择加入量分别为1a%、2a%、3a%、4a%、5a%、6a%和7a%，分别等量替代基础配方M中的板刚玉粉。
1.2试验过程和性能检测
按照设计好的配方配料，分别浇注成型尺寸为40 mm×40 mm×l60 mm的条形试样，室温下养护24 h后脱模，经110 ℃ 16 h烘干后，进行1600 ℃ 3 h处理，检测试样的线变化率、显气孔率和常温抗折强度。将经过1600 ℃ 3 h处理后试样，经过1100℃ 20min水冷热震1次后，检测常温抗折强度，并计算抗折强度保持率，以评价热震稳定性能。
2 结果与分析
2.1预合成尖晶石粒度的影响
本组实验选用预合成尖晶石，研究尖晶石粒度对刚玉-尖晶石浇注料热震稳定性能的影响。
由图1可知，随着尖晶石粒度的减小，抗折强度保持率随之增加，当粒度由5-3mm减小到180目时，强度保持率由13.6%升高到23.2%。在刚玉-尖晶石浇注料中，尖晶石粒度的减小有利于热震稳定性能的提高。加入各种粒度试样的抗折强度波动范围很小，在40~45MPa，但随着尖晶石粒度的减小，抗折强度有降低的趋势。由图2可知，随着尖晶石粒度的减小，烧后试样的线变化由收缩变为膨胀，相应地，显气孔率也略有提高。
2.2预合成尖晶石加入量的影响
本组实验选用预合成尖晶石，研究尖晶石加入量对刚玉-尖晶石浇注料热震稳定性能的影响。
由图3可知，随着尖晶石加入量的增加，抗折强度保持率呈现升高趋势，且在几个加入量范围内，波动幅度较小，整体呈区间阶梯式升高趋势。当加入量由1a增加到7a时，强度保持率由13.2%升高到25.3%。由此结果可知，在刚玉-尖晶石浇注料中，尖晶石加入量的增加有利于热震稳定性能的提高。随着尖晶石加入量的增加，抗折强度呈现明显的降低趋势，对材料的强度有一定的损伤。由图4可知，随着尖晶石加入量的增加，烧后试样的线变化呈现明显的膨胀趋势，相应地，显气孔率也略有提高。
图4尖晶石加入量对线变化率和显气孔率的影响图
在陶瓷基体中引入第二相，由于热膨胀系数的不同，在加热和冷却过程中可以产生热应力，在材料内部产生残余应力场，以及产生显微裂纹。显微裂纹与颗粒的尺寸有关，只有颗粒的尺寸较大时，才能产生较大的显微裂纹，同时裂纹偏转的路径增大，裂纹扩展阻力大，消耗的断裂能多。显微裂纹对提高材料的断裂表面能有贡献。因为这些裂纹吸收弹性应变能，使驱动主裂纹扩展的能量降低，提高了材料的断裂表面能。而尖晶石与刚玉材料，热膨胀系数稍有不同（20~1000℃时，尖晶石材料的为7.6×10-6/℃，而刚玉材料的则为6.6×10-6/℃），热膨胀系数失配程度较低，有利于热震稳定性能的提高。
而热膨胀系数失配对热震稳定性能提高的贡献大小，取决于材料中尖晶石与刚玉接触的面积和分布范围，因此尖晶石粒度越小、加入量越大，热膨胀系数失配的效果越明显，但由于线变化率较大，体积膨胀，气孔率升高，导致强度下降。因此，需要综合平衡热震稳定性和强度，以期产品获得更好的适用性能。
3结论
（1）随着尖晶石粒度的减小，抗折强度保持率随之增加，抗折强度有降低的趋势，烧后试样的线变化由收缩变为膨胀。
（2）随着预合成尖晶石加入量的增加，抗折强度保持率呈升高趋势，抗折强度呈现明显的降低趋势，烧后试样的线变化呈现明显的膨胀趋势。
参考文献：
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[4] 李洪波，张建超，刘雷，等. 尖晶石加入量对刚玉-尖晶石浇注料性能的影响[J]. 耐火材料. 2010, 44(4): 298-301.
[5] 韩斌，王会先，赵世杰，等. 尖晶石粒度对高纯刚玉-尖晶石浇注料性能的影响[J]. 耐火材料. 2002, 36(4): 187-189.
作者简介：
张宁：男，1981年生，大专，助理工程师。E-mail：842547973@qq.com
论文作者:张宁1,郑志良2,魏西军3,刘国涛4
论文发表刊物:《基层建设》2017年第33期
论文发表时间:2018/3/5
标签：尖晶石论文; 刚玉论文; 粒度论文; 强度论文; 试样论文; 热膨胀论文; 性能论文; 《基层建设》2017年第33期论文;