β-Al2O3熔铸砖在玻璃窑炉中使用后结构变化的原因分析

商宜农，李笃斌，李志军，周庆忠，金瑞琦，魏坤，段文峰

（淄博旭硝子刚玉材料有限公司 淄博 255200）

1 前言

氧化铝（化学式Al2O3）作为一种高硬度、高熔点的材料为人们所熟知，最常用于制造耐火材料。对于玻璃行业用耐火材料而言，常见的有α-β熔铸砖与β-熔铸砖两大类，这两类熔铸砖的不同之处在于产品内α-刚玉相与β-刚玉相的含量不同，典型的晶相比例如表1所示。

前者因具有组织致密、耐侵蚀性强、不污染玻璃液的特性而被用于玻璃窑炉的成型部位，后者则因为具有对碱蒸汽优越的耐饱和性而被用于上部胸墙、平碹等部位，对于提高玻璃产品的品质都具有重要的作用。目前国内对α-β熔铸砖的使用及制造工艺研究较多［1］，但对β-熔铸砖使用及制造工艺很少涉及，但随着对玻璃质量要求的提高，β-熔铸砖的使用范围逐渐扩大，从最初的工作池平碹部位，逐步扩大到熔化池胸墙等部位，平碹部位因温度低，以纯碱蒸汽侵蚀为主且已经有成熟的经验，不需要特别关注。而在熔化池胸墙等部位的使用才刚刚开始，因此需要对其使用效果进行系统的研究，以确认该类材料在使用前后结构的变化，优化制造工艺，确定今后改善的方向，更好的适应玻璃窑炉的需求。

表1 晶相比例

2 试验方法

将Al2O3含量＞99%的氧化铝粉与碱粉按照一定比例混合后加入到三相电弧炉中，在电弧熔融后浇铸到事先组装好的黑铅或者刚玉砂型中，经过在保温箱中的冷却退火后取出，采用金刚石加工成所需要的产品形状。将该产品使用在超白玻璃窑炉胸墙部位，第3对小炉之后，使用时间为8～9年。在玻璃窑炉停窑后进行观察，确认β-熔铸砖表面形态的变化，并对使用后的表面进行取样，进行晶相、显微结构的分析，对比通常产品的成分与显微结构，由此推断产品结构变化的原因，推测改善方向。

3 试验结果及讨论

3.1 表面形态变化

使用前的β-熔铸砖表面较为平整，呈现浅浅的草绿色；使用后β-熔铸砖呈现出浅红色，表面发生了膨胀与裂纹，而且发生了层裂的现象，如图1，2所示：

3.2 晶相变化

取通常β-熔铸砖与使用后熔铸砖表面相同位置进行晶相测定，所用仪器为Rigaku MultiFlex型衍射仪及X-ray荧光分析仪，分析计算结果见表2。

图1 使用前β-熔铸砖表面

图2 使用后β-熔铸砖表面

从表1结果看，使用后β-熔铸砖表面发生了一定程度的晶相变化，有1/4～1/3左右的β-刚玉相转变成了α-刚玉相，这是一个值得注意的变化。

3.3 显微结构分析

取通常β-熔铸砖与使用后熔铸砖表面相同位置进行制样，并对样品进行研磨，研磨后进行显微组织结构观察，结果图3，图4所示：

表2 β-熔铸砖和使用后熔铸砖的晶相测定结果

图3 通常的β-熔铸砖表面

图4 使用后β-熔铸砖表面

使用后β-熔铸砖表面晶型分布情况发生了变化，虽然还是一些粗大的结晶，但其间部分变为了α-刚玉相

3.4 讨论

从表面状态、晶相构成及显微结构分析结果来看，经过窑炉使用后，β-熔铸砖中部分β-刚玉相发生了β-Al2O3到α-Al2O3的转变，窑炉中熔化部胸墙部位温度大概在1500～1600℃之间，气氛以水蒸气、碱蒸汽为主，反应如下：

Na2O·11Al2O3→ 11Al2O3+Na2O↑

根据相关资料［2］，β -Al2O3的理论密度为3.31g/cm3,α-Al2O3的理论密度为3.97g/cm3,因此在发生转变时会有约17%的体积收缩，推测是这种收缩导致β-熔铸砖在使用后发生了表面的膨胀与裂纹。

对于这种因为晶相变化而导致的收缩需要在耐材使用过程中加以注意，防止出现大量层裂的现象，影响窑炉的使用寿命，因此在β-熔铸砖制造过程中要加以优化，例如减少表面一定厚度范围内的β-刚玉相的含量，降低β-刚玉相转化α-刚玉相的概率，这样就可以减少熔铸砖表面的收缩，从而确保使用效果。而为达到晶型转化的目的，需要对熔铸砖的成分、浇铸温度、保温加工方式等进行相应的调整，这些与具体的工艺相关，因不同企业的工艺不尽相同，因此不再详细讨论。

4 结论

在1500～1600℃使用条件下，经过窑炉中胸墙部位使用后，β-熔铸砖中部分β-刚玉相转变成α-刚玉相，这种转变会导致β-熔铸砖发生层裂，影响使用效果，因此需要在制造工艺中加以优化调整。