D0I:10.13374/i.i8sn1001-t53.2010.08.026 第32卷第8期 北京科技大学学报 Vol 32 No 8 2010年8月 Journal of Un iversity of Science and Technolgy Beijing Aug 2010 氧化铝基耐火材料的高温耐磨性 彭西高2)王晓利)吴学真)孙加林) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司，洛阳471039 摘要采用新研制的高温耐磨性实验装置，测定了五种氧化铝基耐火制品的高温耐磨性能·结果表明：当材料处于弹性变 形阶段时，随温度的升高，磨损体积变化不明显；当温度继续升高，材料达到塑性变形阶段时，磨损体积大幅度减小。以高硬度 矿物相为主晶相的耐火制品更耐磨，但材料的烧结程度对耐磨性的影响更显著，对于具有同样主矿物相的材料，烧结程度越 好，耐磨性也越好。高温下材料中产生低熔点液相时，缓冲了磨损，其作用超过矿物相硬度对耐磨性的影响·材料的磨损体积 与其高温抗折强度紧密相关，在脆性变形阶段，高温抗折强度越高，磨损体积越小：在塑性变形阶段，材料的磨损体积和高温 抗折强度均显著降低。 关键词耐火材料；氧化铝：耐磨性；组织结构 分类号T0175.1+2 Abrasion resistance of a lum ina based refractory products at elevated tem pera- tures PENG Xi gao3,WANG Xiao-,WU Xue-hen,SUN Jia-lin 1)School ofMaterals Science and Engineerng University of Science and Technobgy Beijing Beijing 100083 China 2)Sinosteel Luoyang Institute ofRefmactories Research Co Ld,Luoyang 471039 Chna ABSTRACT Abrasion resistances of five kinds of alm ina based refractory products at elevated temperatures were detem ined using a new developed high-temperature abrasion facility The results show that the wear volme of the refractory products during elastic de- fomation has a little change w ith temperature rising but in the plastic defomation range it drops shamply The refractory products with a high hardness m ineral as the main crystal phase have a better abrasion resistance Sintering degree has a more obvious effect on the abrasion resistance For the refractory products w ith the same main m ineral phase the denser the sintering degree the better the abra- sion resistance is W hen a low melting point liuid phase foms in the refractory products at elevated temperatures the wear vohme de- creases and the liquid phase has a more effect on the abrasion resistance than the handness of the m ineral phase The wear volme has a close relation with hot modulus of rupture (HMOR).The higher the HMOR.the smaller the wear volme is during elastic defoma- tion The HMOR and wear volme decrease rapily w ith temperature rising during plastic defomation KEY WORDS refractory materiaks alm ina abrasion resistance stmucture 高温高速气流、粉尘和固体物料对耐火材料的 出山.本课题前期已经对耐火材料在常温下的耐磨 冲刷和磨损是造成某些工业窑炉内衬损坏的重要因 性进行了一些研究)，在此基础上，本文分析了国 素.例如，高炉上部和风口，水泥窑窑口、下料口，以 内外对耐火材料高温耐磨性的研究成果3，开发 及循环流化床锅炉旋风分离器、炉膛密相区等部位 出一种新型高温耐磨性实验装置，并利用该实验装 的材料由于承受长时间的高温冲刷，损毁十分严重. 置研究了五种氧化铝基定形耐火制品的高温耐磨 上述磨损属于气流喷砂型磨损，含砂气流的运 性，探讨了耐火制品的高温耐磨性与实验温度、制品 动规律一般遵守流体力学规律，其作用机理是粒子 的组织结构和高温抗折强度之间的关系，取得了一 撞击靶面时，首先出现能量交换，并伴生材料流 些具有指导意义的实验结果， 收稿日期：2009-11-03 作者简介：彭西高(1966)男，教授级高级工程师，博士研究生：孙加林(1956)男，教授，博士生导师，mja@126cm
第 32卷 第 8期 2010年 8月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．8 Ａｕｇ．2010 氧化铝基耐火材料的高温耐磨性 彭西高 12） 王晓利 2） 吴学真 2） 孙加林 1） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京 100083 2） 中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司洛阳 471039 摘 要 采用新研制的高温耐磨性实验装置测定了五种氧化铝基耐火制品的高温耐磨性能．结果表明：当材料处于弹性变 形阶段时随温度的升高磨损体积变化不明显；当温度继续升高材料达到塑性变形阶段时磨损体积大幅度减小．以高硬度 矿物相为主晶相的耐火制品更耐磨但材料的烧结程度对耐磨性的影响更显著对于具有同样主矿物相的材料烧结程度越 好耐磨性也越好．高温下材料中产生低熔点液相时缓冲了磨损其作用超过矿物相硬度对耐磨性的影响．材料的磨损体积 与其高温抗折强度紧密相关在脆性变形阶段高温抗折强度越高磨损体积越小；在塑性变形阶段材料的磨损体积和高温 抗折强度均显著降低． 关键词 耐火材料；氧化铝；耐磨性；组织结构 分类号 ＴＱ175∙1 ＋2 Ａｂｒａｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆａｌｕｍｉｎａｂａｓｅｄｒｅｆｒａｃｔｏｒｙｐｒｏｄｕｃｔｓａｔｅｌｅｖａｔｅｄｔｅｍｐｅｒａ- ｔｕｒｅｓ ＰＥＮＧＸｉ-ｇａｏ 12）ＷＡＮＧＸｉａｏ-ｌｉ 2）ＷＵＸｕｅ-ｚｈｅｎ 2）ＳＵＮＪｉａ-ｌｉｎ 1） 1） ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ 2） ＳｉｎｏｓｔｅｅｌＬｕｏｙａｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＲｅｆｒａｃｔｏｒｉｅｓＲｅｓｅａｒｃｈＣｏ．Ｌｔｄ．Ｌｕｏｙａｎｇ471039Ｃｈｉｎａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ａｂｒａｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｓｏｆｆｉｖｅｋｉｎｄｓｏｆａｌｕｍｉｎａｂａｓｅｄｒｅｆｒａｃｔｏｒｙｐｒｏｄｕｃｔｓａｔｅｌｅｖａｔｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｗｅｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｕｓｉｎｇａ ｎｅｗｄｅｖｅｌｏｐｅｄｈｉｇｈ-ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｂｒａｓｉｏｎｆａｃｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｗｅａｒｖｏｌｕｍｅｏｆｔｈｅｒｅｆｒａｃｔｏｒｙｐｒｏｄｕｃｔｓｄｕｒｉｎｇｅｌａｓｔｉｃｄｅ- ｆｏｒｍａｔｉｏｎｈａｓａｌｉｔｔｌｅｃｈａｎｇｅｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｉｎｇｂｕｔｉｎｔｈｅｐｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｒａｎｇｅｉｔｄｒｏｐｓｓｈａｒｐｌｙ．Ｔｈｅｒｅｆｒａｃｔｏｒｙｐｒｏｄｕｃｔｓｗｉｔｈ ａｈｉｇｈｈａｒｄｎｅｓｓｍｉｎｅｒａｌａｓｔｈｅｍａｉｎｃｒｙｓｔａｌｐｈａｓｅｈａｖｅａｂｅｔｔｅｒａｂｒａｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇｄｅｇｒｅｅｈａｓａｍｏｒｅｏｂｖｉｏｕｓｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅ ａｂｒａｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．Ｆｏｒｔｈｅｒｅｆｒａｃｔｏｒｙｐｒｏｄｕｃｔｓｗｉｔｈｔｈｅｓａｍｅｍａｉｎｍｉｎｅｒａｌｐｈａｓｅｔｈｅｄｅｎｓｅｒｔｈｅｓｉｎｔｅｒｉｎｇｄｅｇｒｅｅｔｈｅｂｅｔｔｅｒｔｈｅａｂｒａ- ｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｉｓ．Ｗｈｅｎａｌｏｗｍｅｌｔｉｎｇｐｏｉｎｔｌｉｑｕｉｄｐｈａｓｅｆｏｒｍｓｉｎｔｈｅｒｅｆｒａｃｔｏｒｙｐｒｏｄｕｃｔｓａｔｅｌｅｖａｔｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔｈｅｗｅａｒｖｏｌｕｍｅｄｅ- ｃｒｅａｓｅｓａｎｄｔｈｅｌｉｑｕｉｄｐｈａｓｅｈａｓａｍｏｒｅｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅａｂｒａｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｔｈａｎｔｈｅｈａｒｄｎｅｓｓｏｆｔｈｅｍｉｎｅｒａｌｐｈａｓｅ．Ｔｈｅｗｅａｒｖｏｌｕｍｅｈａｓ ａｃｌｏｓｅｒｅｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｈｏｔｍｏｄｕｌｕｓｏｆｒｕｐｔｕｒｅ（ＨＭＯＲ）．ＴｈｅｈｉｇｈｅｒｔｈｅＨＭＯＲｔｈｅｓｍａｌｌｅｒｔｈｅｗｅａｒｖｏｌｕｍｅｉｓｄｕｒｉｎｇｅｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａ- ｔｉｏｎ．ＴｈｅＨＭＯＲａｎｄｗｅａｒｖｏｌｕｍｅｄｅｃｒｅａｓｅｒａｐｉｄｌｙｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｉｎｇｄｕｒｉｎｇｐｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙｍａｔｅｒｉａｌｓ；ａｌｕｍｉｎａ；ａｂｒａｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 收稿日期：2009--11--03 作者简介：彭西高 （1966— ）男教授级高级工程师博士研究生；孙加林 （1956— ）男教授博士生导师ｓｕｎｊｉａｌｉｎ＠126．ｃｏｍ 高温高速气流、粉尘和固体物料对耐火材料的 冲刷和磨损是造成某些工业窑炉内衬损坏的重要因 素．例如高炉上部和风口水泥窑窑口、下料口以 及循环流化床锅炉旋风分离器、炉膛密相区等部位 的材料由于承受长时间的高温冲刷损毁十分严重． 上述磨损属于气流喷砂型磨损含砂气流的运 动规律一般遵守流体力学规律其作用机理是粒子 撞击靶面时首先出现能量交换并伴生材料流 出 ［1］．本课题前期已经对耐火材料在常温下的耐磨 性进行了一些研究 ［2］在此基础上本文分析了国 内外对耐火材料高温耐磨性的研究成果 ［3--4］开发 出一种新型高温耐磨性实验装置并利用该实验装 置研究了五种氧化铝基定形耐火制品的高温耐磨 性探讨了耐火制品的高温耐磨性与实验温度、制品 的组织结构和高温抗折强度之间的关系取得了一 些具有指导意义的实验结果． DOI :10．13374／j．issn1001—053x．2010．08．026
,1036, 北京科技大学学报 第32卷 1实验 火制品，其中包括普通高铝砖、塑性相结合刚玉砖、 锆铬刚玉砖、高纯刚玉砖和赛隆结合刚玉砖，其理化 1.1试样 性能见表1 本实验采用了工厂生产的五种氧化铝基定形耐 表1氧化铝基耐火制品的理化性能 Table 1 Physical and chen ical pmoperties of alm ina based refractory products 编号 产品名称 A上03质量分数% 显气孔率% 体积密度(gm-3) 常温耐压强度MPa A 普通高铝砖 77.9 21.9 2.59 95 B 塑性相结合刚玉砖 79.9 14.1 3.09 130 C 钴铬刚玉砖 87.4 17.8 3.22 110 D 高纯刚玉砖 98.5 19.1 3.18 100 E 赛隆结合刚玉砖 87.3 13.2 3.22 170 1.2实验方法 次实验结果的平均值， 高温耐磨性实验装置是新研制的，其原理是采 高温抗折强度采用GBT3002进行]，试样尺 用高压空气携带一定质量的标准磨料喷吹试样，以 寸为25mm×25mm×150mm.升温制度：室温至 试样的磨损体积来表示耐磨性，实验装置示意图如 1000℃，升温速率8~10℃·mm1000℃至实验 图1所示.试样放入实验仓内，试样表面与喷枪呈 温度，升温速率4~5℃·mm.在实验温度下保温 90°将试样加热至实验温度，并在实验温度保温 30min以0.15MPas的加荷速率对试样施加弯 30m后开始喷吹磨料.在喷吹过程中，试样表面的 曲应力，直至试样破坏， 温度变化稳定在20℃以内，通过调节调压仓上的排 弹性模量采用国内研制生产的高温弯曲应 气孔大小使实验仓的压力稳定在0.016MPa左右， 力应变仪进行测试[门.试样装置包括高温实验炉、 喷吹介质采用36电熔白刚玉砂，喷吹量为1000： 加荷装置、变形测量装置和计算机控制系统，试样 喷吹时间为900s 的尺寸为25mmX25mm×125mm 材料的显微结构采用扫描电镜(SM)进行观 压缩空气 察，设备型号为PH ILIPS XL3Q显微结构试样从高 磨损介质 温冲蚀后的试块中心切取，再经研磨、喷金处理、 气体 2结果与讨论 排气口 2.1温度对高温耐磨性的影响 周压仓 材料的磨损体积与实验温度的关系如图2所 玻璃枪管 示·从图中可以看出：随着实验温度的升高，塞隆结 陶瓷保护管 合刚玉砖的磨损体积逐渐减小；其他四种产品的磨 损体积则表现为两个阶段变化，即在某一温度点出 实验仓 现显著变化，如普通高铝砖、塑性结合高铝砖和锆铬 热电偶 试样 刚玉砖在常温至800℃时磨损体积变化不大，当温 度大于800℃时磨损体积开始大幅度降低，高纯刚 玉砖的磨损体积开始大幅度降低的温度则在 1000℃.另外，在各实验温度下，高纯刚玉砖的磨 图1高温耐磨实验装置的示意图 损体积最大，赛隆结合刚玉砖最小，除高纯刚玉砖 Fig1 Sketch of the high-temnperatue abrasion appamtus 以外，其他产品在1200℃以上时，磨损体积很小且 趋于一致 将制品切割成100mm×100mm×(20~ 图3为材料的弹性模量与实验温度的关系曲 30)mm的样块，磨损量以试样磨损掉的体积计，具 线、从图中可以看出，当温度升高时除赛隆结合刚 体方法按GB斤18301进行)，每个实验数据为两 玉砖外，其他四种材料的弹性模量均在某温度范围
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 1 实验 1∙1 试样 本实验采用了工厂生产的五种氧化铝基定形耐 火制品其中包括普通高铝砖、塑性相结合刚玉砖、 锆铬刚玉砖、高纯刚玉砖和赛隆结合刚玉砖其理化 性能见表 1． 表 1 氧化铝基耐火制品的理化性能 Ｔａｂｌｅ1 Ｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｌｕｍｉｎａｂａｓｅｄｒｅｆｒａｃｔｏｒｙｐｒｏｄｕｃｔｓ 编号 产品名称 Ａｌ2Ｏ3质量分数／％ 显气孔率／％ 体积密度／（ｇ·ｃｍ—3） 常温耐压强度／ＭＰａ Ａ 普通高铝砖 77∙9 21∙9 2∙59 95 Ｂ 塑性相结合刚玉砖 79∙9 14∙1 3∙09 130 Ｃ 锆铬刚玉砖 87∙4 17∙8 3∙22 110 Ｄ 高纯刚玉砖 98∙5 19∙1 3∙18 100 Ｅ 赛隆结合刚玉砖 87∙3 13∙2 3∙22 170 1∙2 实验方法 高温耐磨性实验装置是新研制的其原理是采 用高压空气携带一定质量的标准磨料喷吹试样以 试样的磨损体积来表示耐磨性．实验装置示意图如 图 1所示．试样放入实验仓内试样表面与喷枪呈 90°将试样加热至实验温度并在实验温度保温 30ｍｉｎ后开始喷吹磨料．在喷吹过程中试样表面的 温度变化稳定在 20℃以内通过调节调压仓上的排 气孔大小使实验仓的压力稳定在 0∙016ＭＰａ左右． 喷吹介质采用 36 ＃电熔白刚玉砂喷吹量为 1000ｇ 喷吹时间为 900ｓ． 图 1 高温耐磨实验装置的示意图 Ｆｉｇ．1 Ｓｋｅｔｃｈｏｆｔｈｅｈｉｇｈ-ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｂｒａｓｉｏｎａｐｐａｒａｔｕｓ 将 制 品 切 割 成 100ｍｍ× 100ｍｍ× （20～ 30） ｍｍ的样块磨损量以试样磨损掉的体积计具 体方法按 ＧＢ／Ｔ18301进行 ［5］．每个实验数据为两 次实验结果的平均值． 高温抗折强度采用 ＧＢ／Ｔ3002进行 ［6］试样尺 寸为 25ｍｍ×25ｍｍ×150ｍｍ．升温制度：室温至 1000℃升温速率 8～10℃·ｍｉｎ —1；1000℃至实验 温度升温速率 4～5℃·ｍｉｎ —1．在实验温度下保温 30ｍｉｎ．以 0∙15ＭＰａ·ｓ —1的加荷速率对试样施加弯 曲应力直至试样破坏． 弹性模量采用国内研制生产的高温弯曲应 力--应变仪进行测试 ［7］．试样装置包括高温实验炉、 加荷装置、变形测量装置和计算机控制系统．试样 的尺寸为 25ｍｍ×25ｍｍ×125ｍｍ． 材料的显微结构采用扫描电镜 （ＳＥＭ）进行观 察设备型号为 ＰＨＩＬＩＰＳＸＬ30．显微结构试样从高 温冲蚀后的试块中心切取再经研磨、喷金处理． 2 结果与讨论 2∙1 温度对高温耐磨性的影响 材料的磨损体积与实验温度的关系如图 2所 示．从图中可以看出：随着实验温度的升高塞隆结 合刚玉砖的磨损体积逐渐减小；其他四种产品的磨 损体积则表现为两个阶段变化即在某一温度点出 现显著变化如普通高铝砖、塑性结合高铝砖和锆铬 刚玉砖在常温至 800℃时磨损体积变化不大当温 度大于 800℃时磨损体积开始大幅度降低高纯刚 玉 砖 的 磨 损 体 积 开 始 大 幅 度 降 低 的 温 度 则 在 1000℃．另外在各实验温度下高纯刚玉砖的磨 损体积最大赛隆结合刚玉砖最小．除高纯刚玉砖 以外其他产品在 1200℃以上时磨损体积很小且 趋于一致． 图 3为材料的弹性模量与实验温度的关系曲 线．从图中可以看出当温度升高时除赛隆结合刚 玉砖外其他四种材料的弹性模量均在某温度范围 ·1036·
第8期 彭西高等：氧化铝基耐火材料的高温耐磨性 .1037. 不大 A-0B 此外，脆性材料的硬度和临界应力强度因子会 一D◆一E 随温度升高而降低，所以对于单一高纯矿物相的 高纯刚玉砖，在发生塑性变形之前，其硬度随温度升 高而减小，耐磨性下降；其他产品则由于温度升高， 虽然硬度有所降低，但材料中原有的缺陷随温度升 高而有所弥合，因此耐磨性有所增强，磨损体积 0 0 40080012001600 减小. 实验温度℃ 2.2组织结构与高温耐磨性的关系 图2材料的磨损体积与实验温度的关系曲线 材料的组织结构是影响耐火制品耐磨性的本质 Fig 2 Relationship beween abrasive volme and temperature of the 因素。一般来说，原料的硬度越大，骨料与基质的结 tested materials 合强度越高，耐磨性越好.由于耐火材料是非均质 发生了显著变化，这是材料发生弹塑性转化的结果， 体，基质部位是材料的薄弱环节，而冲蚀磨损也是从 其中普通高铝砖、塑性相复合刚玉砖和锆铬刚玉砖 基质部位开始的，因此基质与颗粒的结合强度对材 的弹塑性转变温度为600~800℃，而高纯刚玉砖为 料的耐磨性影响更大， 800~1000℃，这与其高温耐磨性实验结果基本符 实验结果表明，普通高铝砖的耐磨性低于锆铬 合，即在材料发生明显的塑性变化时，其高温磨损体 刚玉砖、塑性相结合刚玉砖和赛隆结合刚玉砖，这是 积显著减小，其机理是产生的塑性变形吸收了磨损 主要矿物相起了重要作用，普通高铝砖的主要原料 介质的冲击动能，较大地缓冲磨损介质对试样的冲 为特级矾土，其矿物相主要为莫来石、刚玉和玻璃 击，阻碍裂纹的产生和扩展，因此磨损体积显著减 相，所以普通高铝砖的耐磨性与矿物相为刚玉的其 小，耐磨性增强 他材料相比较差 22 但是，高纯刚玉砖的耐磨性比普通高铝砖还差， 则是因为普通高铝砖的烧结程度（骨料与基质的结 合程度较好，提高了其耐磨性，当磨损介质冲蚀试 样表面时，由于基质与骨料结合得不牢固，基质部分 容易被冲刷掉，留下裸露的骨料，使其磨损体积更 -A0-B 大，从图4中材料的扫描电镜照片可以看出，普通 一D·一E 高铝砖中基质与骨料结合得较好，矾土骨料与基质 400 8001200 1600 形成密实的结合，而高纯刚玉砖中的颗粒与基质结 实羚温度心 合的边界清楚，结合程度差 图3材料的弹性模量与实验温度的关系曲线 另外，由图5可以看出：在烧成过程中，锆铬刚 Fig 3 Relationship beween elastic modulus and temnpemtire of the 玉砖在刚玉颗粒周围形成了A03与C0固溶体， tested materials 同时锆英石在1400℃分解后与刚玉反应生成莫来 耐火材料属于脆性材料，其弹塑性转变温度与 石，结构致密性高于高纯刚玉砖；在塑性相结合刚玉 基质结合相的矿物组成密切相关，普通高铝砖由于 砖中，加入的金属硅在成型时可以呈现“塑性成型” 杂质含量较高，在较低温度时，基质相发生软化，使 的特征而形成更加致密的结构，在烧成过程中，金属 材料处于塑性状态[).塑性相结合刚玉砖则是由于 硅熔融后充填于颗粒间隙，最后利用界面张力而使 添加了金属硅等，其作为塑性弥散相与耐火骨料和 颗粒形成紧密结合，所以塑性相结合刚玉砖的耐磨 基质复合而使材料在较低温度下表现为塑性[町.锆 性高于锆铬刚玉砖和高纯刚玉砖.由于赛隆或氮化 铬刚玉砖中添加了少量磷酸盐，在较低温度下即产 物氧化时放热和颗粒膨胀，形成非常致密的表面，且 生低熔点矿物相，高纯刚玉砖的杂质含量低，弹塑 在出现新的断口后，这个防护层自动生成，材料具有 性转变的温度较高，赛隆结合刚玉砖的结合相在实 “自修复的能力山.所以，赛隆结合刚玉砖因同时 验温度范围内不会出现液相，因此在整个实验温度 具有高硬度矿物相和致密的结构及“自修复能力， 范围内没有发生弹塑性变化，所以磨损体积变化 其耐磨性最好
第 8期 彭西高等： 氧化铝基耐火材料的高温耐磨性 图 2 材料的磨损体积与实验温度的关系曲线 Ｆｉｇ．2 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎａｂｒａｓｉｖｅｖｏｌｕｍｅａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅ ｔｅｓｔｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓ 发生了显著变化这是材料发生弹塑性转化的结果 其中普通高铝砖、塑性相复合刚玉砖和锆铬刚玉砖 的弹塑性转变温度为 600～800℃而高纯刚玉砖为 800～1000℃这与其高温耐磨性实验结果基本符 合即在材料发生明显的塑性变化时其高温磨损体 积显著减小．其机理是产生的塑性变形吸收了磨损 介质的冲击动能较大地缓冲磨损介质对试样的冲 击阻碍裂纹的产生和扩展因此磨损体积显著减 小耐磨性增强． 图 3 材料的弹性模量与实验温度的关系曲线 Ｆｉｇ．3 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅ ｔｅｓｔｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓ 耐火材料属于脆性材料其弹塑性转变温度与 基质结合相的矿物组成密切相关普通高铝砖由于 杂质含量较高在较低温度时基质相发生软化使 材料处于塑性状态 ［8］．塑性相结合刚玉砖则是由于 添加了金属硅等其作为塑性弥散相与耐火骨料和 基质复合而使材料在较低温度下表现为塑性 ［9］．锆 铬刚玉砖中添加了少量磷酸盐在较低温度下即产 生低熔点矿物相．高纯刚玉砖的杂质含量低弹塑 性转变的温度较高．赛隆结合刚玉砖的结合相在实 验温度范围内不会出现液相因此在整个实验温度 范围内没有发生弹塑性变化所以磨损体积变化 不大． 此外脆性材料的硬度和临界应力强度因子会 随温度升高而降低 ［10］所以对于单一高纯矿物相的 高纯刚玉砖在发生塑性变形之前其硬度随温度升 高而减小耐磨性下降；其他产品则由于温度升高 虽然硬度有所降低但材料中原有的缺陷随温度升 高而有所弥合因此耐磨性有所增强磨损体积 减小． 2∙2 组织结构与高温耐磨性的关系 材料的组织结构是影响耐火制品耐磨性的本质 因素．一般来说原料的硬度越大骨料与基质的结 合强度越高耐磨性越好．由于耐火材料是非均质 体基质部位是材料的薄弱环节而冲蚀磨损也是从 基质部位开始的因此基质与颗粒的结合强度对材 料的耐磨性影响更大． 实验结果表明普通高铝砖的耐磨性低于锆铬 刚玉砖、塑性相结合刚玉砖和赛隆结合刚玉砖这是 主要矿物相起了重要作用普通高铝砖的主要原料 为特级矾土其矿物相主要为莫来石、刚玉和玻璃 相所以普通高铝砖的耐磨性与矿物相为刚玉的其 他材料相比较差． 但是高纯刚玉砖的耐磨性比普通高铝砖还差 则是因为普通高铝砖的烧结程度 （骨料与基质的结 合程度 ）较好提高了其耐磨性．当磨损介质冲蚀试 样表面时由于基质与骨料结合得不牢固基质部分 容易被冲刷掉留下裸露的骨料使其磨损体积更 大．从图 4中材料的扫描电镜照片可以看出普通 高铝砖中基质与骨料结合得较好矾土骨料与基质 形成密实的结合而高纯刚玉砖中的颗粒与基质结 合的边界清楚结合程度差． 另外由图 5可以看出：在烧成过程中锆铬刚 玉砖在刚玉颗粒周围形成了 Ａｌ2Ｏ3与 Ｃｒ2Ｏ3固溶体 同时锆英石在 1400℃分解后与刚玉反应生成莫来 石结构致密性高于高纯刚玉砖；在塑性相结合刚玉 砖中加入的金属硅在成型时可以呈现 “塑性成型 ” 的特征而形成更加致密的结构在烧成过程中金属 硅熔融后充填于颗粒间隙最后利用界面张力而使 颗粒形成紧密结合所以塑性相结合刚玉砖的耐磨 性高于锆铬刚玉砖和高纯刚玉砖．由于赛隆或氮化 物氧化时放热和颗粒膨胀形成非常致密的表面且 在出现新的断口后这个防护层自动生成材料具有 “自修复 ”的能力 ［11］．所以赛隆结合刚玉砖因同时 具有高硬度矿物相和致密的结构及 “自修复 ”能力 其耐磨性最好． ·1037·
·1038 北京科技大学学报 第32卷 【a) (a2 (bD) 刚玉顺粒 图4普通高铝砖(a认a2)和高纯刚玉砖(b1b2的冲蚀形貌及骨料与基质的结合状态 Fig 4 Emsion appearance and bonding state beteen grains and matrix materials of oinary high alm ina bricks (al.a2)and high purity conndum bricks (bl.b2) 图5锆铬刚玉砖(a)、塑性相结合刚玉砖(b)和赛隆结合刚玉砖(c)的电镜照片 Fig 5 SEM mages of zimconim chmme comindim bricks (a),plastic phase contaning conindum bricks (b)and Sialon bonded conindum bricks (c) 2.3高温抗折强度与高温耐磨性的关系 大应力，而磨损是磨损介质不连续地冲击试样表面 五种氧化铝基耐火制品的磨损体积、抗折强度 形成的材料流失，二者的作用机理不同.例如，普通 与实验温度的关系曲线如图6所示. 高铝砖、塑性相结合刚玉砖和锆铬刚玉砖，由于试样 从图6中可以看出，除赛隆结合刚玉砖外，其他 中不同矿物相的热膨胀系数各不相同，在试样重新 四种耐火材料的高温抗折强度和磨损体积随温度变 加热的过程中，不同矿物相之间由于热膨胀而相互 化的趋势有相似之处，分成两个阶段（弹性变形阶 靠近，使得材料内的裂纹得以弥合，直到800~ 段和塑性变形阶段)，在低温阶段，高纯刚玉砖的抗 1000℃，抗折强度仍逐渐提高，超过这一温度，低熔 折强度随温度升高而略有降低，磨损体积增大；而普 点基质相软化引起的晶体间滑移成为主导因素，使 通高铝砖、塑性相结合刚玉砖和锆铬刚玉砖的抗折 物料中的结晶相容易滑动，抗折强度明显降低，对 强度均随温度升高而增大，磨损体积减小.当超过 于高温耐磨性，试样在800℃开始发生塑性变形，塑 某一温度时，磨损体积和高温抗折强度均随实验温 性变形吸收了磨损介质的冲击能量，磨损体积即快 度的升高而急剧降低， 速下降，表现为塑性形变对耐磨性的影响更敏感. 分析其原因，应取决于两方面因素：一是材料中 但是，对于单一矿物相的高纯刚玉砖，由于不存在因 矿物相间热膨胀系数不同导致的裂纹弥合作用；二 矿物相的热膨胀系数不同而产生的裂纹弥合作用， 是在高温下低熔点基质相软化产生的塑性变形作 因此其抗折强度在低温时反而随温度的升高而降 用，抗折强度是试样连续承受三点弯曲载荷时的最 低，磨损体积随温度升高而逐渐增大
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 4 普通高铝砖 （ａ1、ａ2）和高纯刚玉砖 （ｂ1、ｂ2）的冲蚀形貌及骨料与基质的结合状态 Ｆｉｇ．4 Ｅｒｏｓｉｏｎａｐｐｅａｒａｎｃｅａｎｄｂｏｎｄｉｎｇｓｔａｔｅｂｅｔｗｅｅｎｇｒａｉｎｓａｎｄｍａｔｒｉｘｍａｔｅｒｉａｌｓｏｆｏｒｄｉｎａｒｙｈｉｇｈａｌｕｍｉｎａｂｒｉｃｋｓ（ａ1ａ2）ａｎｄｈｉｇｈ-ｐｕｒｉｔｙｃｏｒｕｎｄｕｍ ｂｒｉｃｋｓ（ｂ1ｂ2） 图 5 锆铬刚玉砖 （ａ）、塑性相结合刚玉砖 （ｂ）和赛隆结合刚玉砖 （ｃ）的电镜照片 Ｆｉｇ．5 ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆｚｉｒｃｏｎｉｕｍｃｈｒｏｍｅｃｏｒｕｎｄｕｍｂｒｉｃｋｓ（ａ）ｐｌａｓｔｉｃｐｈａｓｅｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｃｏｒｕｎｄｕｍｂｒｉｃｋｓ（ｂ） ａｎｄＳｉａｌｏｎｂｏｎｄｅｄｃｏｒｕｎｄｕｍｂｒｉｃｋｓ （ｃ） 2∙3 高温抗折强度与高温耐磨性的关系 五种氧化铝基耐火制品的磨损体积、抗折强度 与实验温度的关系曲线如图 6所示． 从图 6中可以看出除赛隆结合刚玉砖外其他 四种耐火材料的高温抗折强度和磨损体积随温度变 化的趋势有相似之处分成两个阶段 （弹性变形阶 段和塑性变形阶段 ）．在低温阶段高纯刚玉砖的抗 折强度随温度升高而略有降低磨损体积增大；而普 通高铝砖、塑性相结合刚玉砖和锆铬刚玉砖的抗折 强度均随温度升高而增大磨损体积减小．当超过 某一温度时磨损体积和高温抗折强度均随实验温 度的升高而急剧降低． 分析其原因应取决于两方面因素：一是材料中 矿物相间热膨胀系数不同导致的裂纹弥合作用；二 是在高温下低熔点基质相软化产生的塑性变形作 用．抗折强度是试样连续承受三点弯曲载荷时的最 大应力而磨损是磨损介质不连续地冲击试样表面 形成的材料流失二者的作用机理不同．例如普通 高铝砖、塑性相结合刚玉砖和锆铬刚玉砖由于试样 中不同矿物相的热膨胀系数各不相同在试样重新 加热的过程中不同矿物相之间由于热膨胀而相互 靠近使得材料内的裂纹得以弥合直到800～ 1000℃抗折强度仍逐渐提高超过这一温度低熔 点基质相软化引起的晶体间滑移成为主导因素使 物料中的结晶相容易滑动抗折强度明显降低．对 于高温耐磨性试样在 800℃开始发生塑性变形塑 性变形吸收了磨损介质的冲击能量磨损体积即快 速下降表现为塑性形变对耐磨性的影响更敏感． 但是对于单一矿物相的高纯刚玉砖由于不存在因 矿物相的热膨胀系数不同而产生的裂纹弥合作用 因此其抗折强度在低温时反而随温度的升高而降 低磨损体积随温度升高而逐渐增大． ·1038·
第8期 彭西高等：氧化铝基耐火材料的高温耐磨性 .1039. 6 40r a (b) 40 20 5 16 sr 30 30 4 aW/ 墓1o0 20 20- -·抗折强度 --抗折强度 -·抗折强度 一®一磨损体积 5 一一磨损体积 ®一磨损体积 400 800 12001600 400 8001200 1品 0 400 8001200 1600 实验温度℃ 实验温度℃ 实验温度℃ 7 40 16 ·抗折强度 6 30 ©一磨损体积 兰20 4 4 20 -·-抗折强度 一磨损体积 0 0 400 80012001600 0 400 80012001600 实验温度代 实验温度① 图6材料的磨损体积、抗折强度与实验温度的关系曲线.(a)普通高铝砖：(b)塑性相结合刚玉砖：()钴铬刚玉砖；(d)高纯刚玉砖： (©)赛隆结合刚玉砖 Fig 6 Relations of wear volme and hot moduls of nipture with temperature of the tested bricks (a)oninary high ahm na brick;(b)plastic phase containng conndum brick (c)zirconim chmme comndum brick (d)high purity conindum brick:(e)Sialon bonded conindum brick 其抗折强度逐渐降低，磨损体积逐渐增加，其他多矿 3结论 物相材料的磨损体积与抗折强度的关系与之相反； (1)氧化铝基耐火材料的磨损体积随温度的升 在材料处于塑性变形阶段时，材料的磨损体积与抗 高可以分为两种类型，氮氧化物复合结合的赛隆结 折强度均显著降低，对于在整个实验温度范围内没 合刚玉砖在整个实验温度范围内磨损体积逐渐减 有发生弹塑性变化的赛隆结合刚玉砖，其抗折强度 小，氧化物结合的普通高铝砖、塑性相结合刚玉砖、 随着温度的升高而逐渐增加，磨损体积逐渐减小，耐 锆铬刚玉砖和高纯刚玉砖的磨损体积随温度的变化 磨性增强 趋势分成两个阶段：当材料处于弹性变形阶段时，随 参考文献 实验温度的升高，磨损体积变化不大；继续升高温 度，当材料达到塑性变形阶段时，磨损体积大幅度降 [1]He J A.W ang Y W.Materials Wearing Abrasive Materials 低，弹塑性变化的温度与材料中基质组成和杂质含 Shenyang Northeast University Press 2001 (何奖爱，王玉玮.材料磨损与耐磨材料.沈阳：东北大学出版 量有关，普通高铝砖、塑性相结合刚玉砖和锆铬刚玉 社，2001) 砖的磨损体积开始明显下降的温度为800℃，而高 [2]Peng X G.Sun JL LiF S etal Effect of impacting parmeter 纯刚玉砖为1000℃ on abrasion resistance of ahm ina based refractories at room tom- (2)在高温状态下，影响氧化铝基耐火材料高 permre Refraclorics 2008 42(3):178 温耐磨性的因素有矿物相组成、烧结状态和低熔点 (彭西高，孙加林，李福桑，等.冲击参数对氧化铝基耐火材料 常温耐磨性的影响.耐火材料，200842(3)：178) 基质相的性质等，在较低温度时，具有高硬度的矿 [3]Hu S Yu R H.Jiang M X.Stdy on emosion and abrasion resist 物相以及骨料和基质结合致密的材料更耐磨，当实 ance of conindum refrac tories at high temperatres Refractories 验温度大于1000℃时，材料中产生的低熔点液相对 200539(6):415 耐磨性的影响更显著，缓冲了磨损介质的冲击应力， (胡水，于仁红，蒋明学.刚玉质耐火材料高温耐冲蚀磨损性能 提高了材料的耐磨性.当温度升高到1200℃，除高 的研究-耐火材料，200539(6)：415) 纯刚玉砖外，其他四种材料的磨损体积很小，并趋于 [4]Briggnann C K rause 0.Potschke J et al High temperature abra- sion rsistance of cementbased refractories//48 th Intemational 一致 Colloquim on Refractories Aachen 2005.35 (3)在材料处于弹性变形阶段时，对于单一矿 [5]Techn ical Canm ittee on Refractories ofStandanization Adm inistra" 物相组成的高纯刚玉砖来说，随着实验温度的升高， tion of China GB/T 18301-2004 Refmactory Products Detemi
第 8期 彭西高等： 氧化铝基耐火材料的高温耐磨性 图 6 材料的磨损体积、抗折强度与实验温度的关系曲线．（ａ） 普通高铝砖；（ｂ） 塑性相结合刚玉砖；（ｃ） 锆铬刚玉砖；（ｄ） 高纯刚玉砖； （ｅ） 赛隆结合刚玉砖 Ｆｉｇ．6 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｏｆｗｅａｒｖｏｌｕｍｅａｎｄｈｏｔｍｏｄｕｌｕｓｏｆｒｕｐｔｕｒｅｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｔｅｓｔｅｄｂｒｉｃｋｓ：（ａ） ｏｒｄｉｎａｒｙｈｉｇｈａｌｕｍｉｎａｂｒｉｃｋ；（ｂ） ｐｌａｓｔｉｃ ｐｈａｓｅｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｃｏｒｕｎｄｕｍｂｒｉｃｋ；（ｃ） ｚｉｒｃｏｎｉｕｍｃｈｒｏｍｅｃｏｒｕｎｄｕｍｂｒｉｃｋ；（ｄ） ｈｉｇｈｐｕｒｉｔｙｃｏｒｕｎｄｕｍｂｒｉｃｋ；（ｅ） Ｓｉａｌｏｎｂｏｎｄｅｄｃｏｒｕｎｄｕｍｂｒｉｃｋ 3 结论 （1） 氧化铝基耐火材料的磨损体积随温度的升 高可以分为两种类型．氮氧化物复合结合的赛隆结 合刚玉砖在整个实验温度范围内磨损体积逐渐减 小．氧化物结合的普通高铝砖、塑性相结合刚玉砖、 锆铬刚玉砖和高纯刚玉砖的磨损体积随温度的变化 趋势分成两个阶段：当材料处于弹性变形阶段时随 实验温度的升高磨损体积变化不大；继续升高温 度当材料达到塑性变形阶段时磨损体积大幅度降 低．弹塑性变化的温度与材料中基质组成和杂质含 量有关普通高铝砖、塑性相结合刚玉砖和锆铬刚玉 砖的磨损体积开始明显下降的温度为 800℃而高 纯刚玉砖为 1000℃． （2） 在高温状态下影响氧化铝基耐火材料高 温耐磨性的因素有矿物相组成、烧结状态和低熔点 基质相的性质等．在较低温度时具有高硬度的矿 物相以及骨料和基质结合致密的材料更耐磨．当实 验温度大于 1000℃时材料中产生的低熔点液相对 耐磨性的影响更显著缓冲了磨损介质的冲击应力 提高了材料的耐磨性．当温度升高到 1200℃除高 纯刚玉砖外其他四种材料的磨损体积很小并趋于 一致． （3） 在材料处于弹性变形阶段时对于单一矿 物相组成的高纯刚玉砖来说随着实验温度的升高 其抗折强度逐渐降低磨损体积逐渐增加其他多矿 物相材料的磨损体积与抗折强度的关系与之相反； 在材料处于塑性变形阶段时材料的磨损体积与抗 折强度均显著降低．对于在整个实验温度范围内没 有发生弹塑性变化的赛隆结合刚玉砖其抗折强度 随着温度的升高而逐渐增加磨损体积逐渐减小耐 磨性增强． 参 考 文 献 ［1］ ＨｅＪＡＷａｎｇＹ Ｗ．ＭａｔｅｒｉａｌｓＷｅａｒｉｎｇ＆ ＡｂｒａｓｉｖｅＭａｔｅｒｉａｌｓ． Ｓｈｅｎｙａｎｇ：ＮｏｒｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓ2001 （何奖爱王玉玮．材料磨损与耐磨材料．沈阳：东北大学出版 社2001） ［2］ ＰｅｎｇＸＧＳｕｎＪＬＬｉＦＳｅｔａｌ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｉｍｐａｃｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｎａｂｒａｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆａｌｕｍｉｎａｂａｓｅｄｒｅｆｒａｃｔｏｒｉｅｓａｔｒｏｏｍ ｔｅｍ- ｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｉｅｓ200842（3）：178 （彭西高孙加林李福燊等．冲击参数对氧化铝基耐火材料 常温耐磨性的影响．耐火材料200842（3）：178） ［3］ ＨｕＳＹｕＲＨＪｉａｎｇＭＸ．Ｓｔｕｄｙｏｎｅｒｏｓｉｏｎａｎｄａｂｒａｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔ- ａｎｃｅｏｆｃｏｒｕｎｄｕｍ ｒｅｆｒａｃｔｏｒｉｅｓａｔｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ．Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｉｅｓ 200539（6）：415 （胡水于仁红蒋明学．刚玉质耐火材料高温耐冲蚀磨损性能 的研究．耐火材料200539（6）：415） ［4］ ＢｒüｇｇｍａｎｎＣＫｒａｕｓｅＯＰöｔｓｃｈｋｅＪｅｔａｌ．Ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｂｒａ- ｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｃｅｍｅｎｔ-ｂａｓｅｄｒｅｆｒａｃｔｏｒｉｅｓ∥ 48ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＣｏｌｌｏｑｕｉｕｍｏｎＲｅｆｒａｃｔｏｒｉｅｓ．Ａａｃｈｅｎ2005：35 ［5］ ＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｍｍｉｔｔｅｅｏｎＲｅｆｒａｃｔｏｒｉｅｓｏｆＳｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎＡｄｍｉｎｉｓｔｒａ- ｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ．ＧＢ／Ｔ18301—2004ＲｅｆｒａｃｔｏｒｙＰｒｏｄｕｃｔｓ：Ｄｅｔｅｒｍｉ- ·1039·