ZrO2細粉、MgO細粉加入量對剛玉-尖晶石澆注料性能的影響;用靜態坩堝法研究了加入不同添加劑的剛玉-尖晶石撓注料抗渣侵蝕行為。結果表明：加入適量氧化鋯細粉有補強作用，提高強度;加入適量MgO細粉可在高溫下生成尖晶石，強化基質，提高強度。在澆注料中加入一定量的MgO細粉能增強澆注料的抗渣性;加入ZrO2細粉會使澆注料的抗滲透性和抗侵蝕性下降。
RH爐浸漬管襯體內層使用的鎂鉻磚含有生態上有害的鉻元素。鉻的化合物以二價鉻(如CrO)、三價鉻(Cr2O3)和六價鉻(如CrO3)的形式存在，其中二價鉻和六價鉻的化合物比較常見，二者都有致癌作用。從環保方面考慮，在耐火材料中應盡量少用含鉻磚或不用含鉻磚，以減少鉻對環境的污染。此外，鎂鉻磚屬于高檔耐火材料，其價格比較貴，基于環保和經濟兩方面考慮，研究開發新型環保無鉻澆注料，用于RH爐浸漬管，替代鎂鉻磚。新型優質剛玉-尖晶石澆注料除了具有一般澆注料所具有的整體性好、抗剝落等優點外，還具有熱震穩定性好，抗侵蝕性強等特點。
實驗
實驗所用主要原料化學組成見表1。抗渣實驗用渣的化學成分見表2。澆注料實驗技術路線：原料→配合→昆合→成型→干燥→險測。
表1 原料的化學組成 %
表2 實驗用渣的化學組成 %
骨料采用電熔白剛玉，細粉采用尖晶石，結合劑選用Al-80水泥，加入適量添加劑，合理配合后加水，經振動成型，制成40×40×160試樣，經干燥，燒至各溫度進行檢測。
實驗結果及分析
不同尖晶石微粉/ZrO2微粉比對剛玉-尖晶石澆注料性能的影響
在固定澆注料的骨料、結合劑及其余基質料的條件下，調整基質料中尖晶石粉和ZrO2微粉的加入量，研究其對玉-尖晶石澆注料抗折強度、耐壓強度、氣孔率、體積密度影響。
尖晶石粉和ZrO2微粉量的比例不同，試樣的抗折強度、耐壓強度的變化見表3。可見，隨著尖晶石微粉/ZrO2微粉比值的減少，澆注料的燒后耐壓強度和抗折強度都增加，烘干耐壓強度和抗折強度無明顯變化。這是因為當尖晶石微粉和ZrO2微粉比減少時，ZrO2微粉的量增大，適量的含鋯外加劑使澆注料內部產生適量的微裂紋吸收了部分斷裂能，使裂紋擴展終止，強化基質，并且氧化鋯添加劑有補強的作用，可以提高澆注料的耐壓強度和抗折強度。
表3 不同尖晶石粉/ZrO2比對試樣強度的影響
圖1和圖2示出了尖晶石粉和ZrO2微粉比不同時試樣對顯氣孔率和體積密度的影響。由圖可以看出：隨著尖晶石粉/ZrO2的增大，1500℃×3h燒后試樣的體積密度減少，顯氣孔率增大，但增大的幅度不是很明顯試樣的體積密度隨尖晶石/ZrO2比的減少而增加，這與尖晶石粉和Zr02微粉的體積密度有關。因為尖晶石粉的密度小于主成分白剛玉的密度，ZrO2微粉的密度相對較大，隨著尖晶石/ZrO2的減少，尖晶石粉的量不斷減少，ZrO2微粉的量不斷增大，試樣的體積密度也隨之增大。試樣的顯氣孔率隨ZrO2加入量的增加而減少不大的一個主要原因是：ZrO2能促進燒結，在高溫下ZrO2相變產生體積膨脹而使得試樣的氣孔率變化不明顯。
圖1 尖晶石/ZrO2對體積密度影響
圖2 尖晶石/ZrO2對氣孔率的影響
適量氧化鋯添加劑有補強的作用，可以提高澆注料的耐壓強度，試樣的體積密度隨著ZrO2加入量的增加而增大，試樣的顯氣孔率隨著ZrO2加入量的增加而減少。
不同尖晶石微粉/ MgO微粉比對澆注料性能的影響
在固定骨料、結合劑及其余基質料不變的條件下，調整基質料中尖晶石粉和MgO細粉的加入量 。
表4列出了不同尖晶石/MgO比對剛玉-尖晶石澆注料強度的影響。可見，材料經高溫燒后的抗折強度和耐壓強度，隨著尖晶石/MgO的減少先增大后略有減少，低溫抗折強度先減少后增大，耐壓強度減少。這是因為，雖然在燒注料中添加MgO ，會導致Al2O3-SiO2-MgO-Ca0低熔點物產生，但由于澆注料中CaO含量處于較低水平，限制了低融點物的形成量。隨著氧化鎂細粉加入量的增加，反應生成的尖晶石強化了基質，從而提高了材料的高溫強度。但氧化鎂細粉加入過量時則有下降趨勢，這是由于燒后試樣產生的組織松馳而使強度有所降低。因此必須控制配料組成中的氧化鎂細粉加入量，并調整它與基質細粉的配合，從而使澆注料達到較好的強度性能。
表4 尖晶石粉/MgO不同對試樣強度的影響
圖3 尖晶石/MgO對體積密度影響
圖4 尖晶石/MgO對氣孔率的影響
圖3和圖4示出了不同尖晶石粉和MgO細粉比對試樣的體積密度和顯氣孔率的影響。從圖3和圖4可以看出，隨著尖晶石/MgO值的增大，基質中MgO含量減少，尖晶石粉含量增加，試樣的體積密度有所增加，顯氣孔率略有下降。在澆注料中加入一定量的氧化鎂細粉，1200℃左右MgO與基質中的Al2O3開始反應：Al2O3+MgO=MA生成尖晶石。此反應產生7.96 %的體積膨脹，抵消了高溫液相的部分收縮。隨著尖晶石/ MgO值的減少，尖晶石粉的量不斷減少，MgO微粉的量不斷增大，反應產生的體積膨脹量增大，使得試樣經1500℃X3h后的體積密度減少，氣孔率增大，這可以減少耐火材料在使用中開裂和剝落現象的發生。
不同添加劑對燒注料抗渣性能的影響
侵蝕深度最大的是加入了3.5 %ZrO2細粉的試樣3(9mm)。且取出坩堝后可明顯看出坩禍的邊緣有開裂現象：其次是空白試樣1 (6mm)，坩堝的邊緣稍有開裂：侵蝕深度最小的是加入3.5 %MgO細粉的試樣2 (3mm)。
圖5 試樣1
圖6 試樣2
圖7 試樣3
圖5、6、7為1號-空白樣，2號-加入3.5%MgO，3號-加入3.5%ZrO2的顯微結構照片(100X)。
圖5中白色為剛玉顆粒，可以看出，空白試樣1受爐渣的侵蝕比較嚴重，被爐渣侵蝕后的剛玉骨料邊緣呈鋸齒狀，這是由于尖晶石與剛玉間存在著熱膨脹系數的差異，在試樣經高溫燒成后的冷卻過程中，尖晶石及剛玉的周圍會產生一些顯微裂紋，這些顯微裂紋會成為爐渣侵蝕的快速通道。
圖6原質層中基質與顆粒的分布比較均勻，沒有被爐渣侵蝕的剛玉骨料邊緣比較整齊，試樣受爐渣的侵蝕較少。鎂砂粉與剛玉骨料在高溫下形成鎂鋁尖晶石，有利于抵抗熔渣的侵蝕，鎂砂粉的加入有利于反應Al2O3+MgO=MA的進行，材料的抗渣侵蝕性增強。除此之外，熔渣中的CaO與澆注料中的Al2O3反應，同時，FeO也可以固溶于尖晶石中，使得爐渣中FeO和CaO的含量降低，而FeO和CaO含量的降低會使渣的粘度增加，滲透能力降低。因此，加入了3.5%MgO的剛玉-尖晶石澆注料具有較好的抗渣性。
圖7中存在較多氣孔，爐渣通過這些氣孔不斷向澆注料的內部滲透，ZrO2細粉的加入試樣受爐渣的侵蝕較嚴重，這可能是由于加入ZrO2細粉后，在試樣中形成許多微裂紋，增加侵蝕面積和通道，使得試樣抗渣性變差。
結論
(1)在剛玉-尖晶石澆注料中加入適量的氧化鋯外加劑有補強的作用，可以提高澆注料的耐壓強度、體積密度，降低顯氣孔率。
(2)在剛玉-尖晶石澆注料中加入適量的MgO細粉可使澆注料在高溫條件下發生尖晶石化反應，反應生成的尖晶石強化了基質，提高了材料的高溫強度。但鎂砂加入過量時則會由于燒后產生的組織松弛而使材料的強度下降。
(3)在燒注料中加入一定量的MgO能增強燒注料的抗渣性;在澆注料中加入ZrO2會使澆注料的抗滲透能力減弱，對爐渣的抗侵蝕能力變差。