第32卷第8期2010年8月
北京科技大学学报Jou rnal of U niversity of Sc i ence and T echno l ogy B eijing
V o.l 32No .8Aug .2010
彭西高
1,2)
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 TQ 175 1+2
Abrasion resistance of al u m i na based refractory products at elevated tempera
四君子汤加减
tures
PENG X i gao 1,2),W ANG X iao li 2),W U Xue zhen 2),SU N J i a lin 1)
1)S c h ool ofM at eri als S ci ence and Eng i neeri ng ,Un ivers i ty of S ci en ce and Technol ogy Beijing ,B eiji ng 100083,Ch i na 2)S i nosteel Luoyang In stit u te ofR efract ories Researc h Co .Ltd .,Lu oyang 471039,Ch i na
AB STRACT A brasi on resistances of five k i nds o f a l um i na based refractory produc ts at e l evated te m pe raturesw ere determ i ned usi ng a ne w deve loped h i gh te m pera t ure abrasion fac ility .T he results sho w that t he w ear vo l u m e o f the refractory products during e l asti c de for m ation has a littl e change w ith te m perat ure r i sing ,but i n t he plastic defo r m ati on range it drops sharp l y .T he re fractory produc tsw ith a h i gh hardness m i neral as the m ain crysta l phase have a be tter abrasion resistance .S i nter i ng degree has a m ore obv i ous e ffect on the abrasi on resistance .F or the re fractory produc tsw ith t he sa m e m a i n m i neral phase ,the dense r the si nter i ng deg ree ,the be tter the abra si on resistance is .W hen a l ow m elti ng po i nt liquid phase for m s i n the refracto ry products at e leva ted te m pera t ures ,t he w ear vo l ume de creases ,and t he li qu i d phase has a m ore e ffect on t he abrasi on resi stance than the hardness o f the m ine ra l phase .T he w ear vo l u m e has a close re lati on w it h hot modu l us o f rupture (HM OR ).The h i gher the HMOR,the s m a ller the w ear vo l u m e is during e lastic defor m a ti on .T he HMOR and w ear vo l ume decrease rap i d l y w ith temperature risi ng dur i ng p l astic deforma ti on .K EY W ORDS refracto ry m ater i a ls ;al um ina ;abrasion resistance ;struc t ure
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,sun ji alin @ m
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.
有机锡化合物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.
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
Table 1 Phys i cal and che m i cal properties of al um i na based refractory products
编号产品名称A l 2O 3质量分数/%
显气孔率/%
体积密度/(g c m -3)
常温耐压强度/M Pa
A 普通高铝砖77 921 92 5995
B 塑性相结合刚玉砖
79 914 13 09130C 锆铬刚玉砖87 417 83 22110D 高纯刚玉砖98 519 13 18100E
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，试样表面与喷呈90 ，将试样加热至实验温度，并在实验温度保温30m in 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
F ig .1 Sketch of t he h i gh te mp erature abrasion apparat u s
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 /T 18301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 /T 3002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 m i n -1
;1000 至实验
温度，升温速率4~5 m i n -1
.在实验温度下保温30m i n .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.
采矿与安全工程学报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(SE M )进行观察，设备型号为P H I LI PS XL30.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
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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
F i g.2 R elationship bet w een ab rasi ve vol um e and t e m perat u re of the tested m ateri als
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
F i g.3 R elationship bet w een el asti c m odu l u s and te m perature of the tested m ateri als
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]
中国高射机，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A l 2O 3与C r 2O 3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.
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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
F i g.4 E ros i on app earance and bondi ng st ate b et w een grai ns and matri x m ateri a l s of ord i nary h i gh al um i na bricks (a1,a2)and h i gh purity corundum b ri cks (b1,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
F i g.5 SEM i m ages of zircon i um ch ro m e corundum b ri cks (a),p lasti c phase con tai n i ng corundum bricks (b )and S ial on bond ed corundum bricks (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
灸除百病大应力，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.
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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
F i g.6 R elations of w ear vol um e and hot m odu l us of rupture w i th t e m perat u re of t he tested bricks :(a)ord i nary h igh al um i na bric k;(b )plas tic phase con tai n i ng corundum b ri ck ;(c)zircon
i um c h ro m e corundum b ri ck;(d)h i gh purity corundum br i ck ;(e)S ial on bonded cor undum b ri ck
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
企业物流成本管理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
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ti on of Ch i n a .GB /T 18301 2004R e fra ctory P rodu cts :D eter m i
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