玻璃窯爐使用后氧化鋁大碹磚的分析研究

張同劍,李志軍,李篤斌,寧國(guó)強(qiáng),王仕龍,魏 坤,李 鵬

(淄博艾杰旭剛玉材料有限公司,山東 淄博 255200)

氧化鋁磚因具有對(duì)玻璃液低污染的特性而被廣泛應(yīng)用于玻璃窯爐工作池、料道等溫度較低的區(qū)域。隨著全氧燃燒技術(shù)的推廣,氧化鋁磚越來越多地應(yīng)用于大碹部位[1],經(jīng)驗(yàn)等[2]介紹了氧化鋁大碹的使用情況,武麗華等[3]研究了氧化鋁大碹使用后可能出現(xiàn)的變化,但對(duì)于使用后氧化鋁大碹磚的變化情況未見相關(guān)報(bào)道,需要進(jìn)行分析研究,以期延長(zhǎng)窯爐使用壽命。

1 樣品選擇、取樣位置及項(xiàng)目分析

1.1 樣品選擇

選取某全氧燃燒光伏玻璃窯爐使用5 年后的大碹磚,從大碹第2、3、4區(qū)分別選取一塊有代表性的氧化鋁大碹磚,碹磚厚度為335 mm、上端寬度為360 mm、長(zhǎng)度810 mm 的普通澆鑄產(chǎn)品。從大碹磚樣品外觀看,第2、3區(qū)樣品大碹磚爐內(nèi)面發(fā)藍(lán),第4區(qū)樣品大碹磚表面無明顯變化。從外觀結(jié)構(gòu)看,第2、3區(qū)(圖1、圖2)樣品表面有顆粒脫落,第4區(qū)(圖3)樣品表面無脫落現(xiàn)象,各段樣品均有變質(zhì)層存在。

圖1 第2區(qū)樣磚

圖2 第3區(qū)樣磚

圖3 第4區(qū)樣磚

1.2 取樣位置

首先,如圖4中所示,將樣品大碹磚沿寬度居中切斷。其次,如圖5所示,在長(zhǎng)度中心左右各50 mm 處,與爐內(nèi)面距離分別為20 mm,60 mm,110 mm 位置進(jìn)行鉆孔,取得的分析樣品是直徑30 mm、長(zhǎng)度約170 mm 的圓柱體銷子。最后,在寬度中心位置沿爐內(nèi)面向爐外面方向垂直鉆取直徑30 mm、長(zhǎng)度100 mm 的圓柱體銷子。

圖4 樣磚加工方式

圖5 銷子位置

1.3 項(xiàng)目分析

在距離爐內(nèi)面20 mm、60 mm、110 mm 處鉆取的長(zhǎng)度170 mm 銷子進(jìn)行體積密度與化學(xué)成分分析(一側(cè)銷子分析,另一側(cè)備用),其中0~30 mm 進(jìn)行體積密度和氣孔率分析,30~50 mm 進(jìn)行化學(xué)成分分析。將從中心線位置鉆取的100 mm 銷子按照20 mm 距離均分為5段進(jìn)行顯微組織結(jié)構(gòu)分析,化學(xué)成分采用RIX2100 Pri musⅡZSX100e熒光分析儀進(jìn)行分析,顯氣孔率、體積密度的分析按照GB/T 2998－2015標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。分析位置及內(nèi)容示意圖如圖6、圖7所示。

圖6 體積密度、氣孔率分析部位

圖7 顯微結(jié)構(gòu)分析部位

2 結(jié)果分析

2.1 體積密度、顯氣孔率分析

從結(jié)果看,2區(qū)距爐內(nèi)面20 mm 位置處體積密度最高,顯氣孔率最低;3區(qū)與4區(qū)相同位置的體積密度大小近似,但3 區(qū)氣孔率數(shù)值是最高的,這與外觀觀察結(jié)果相符合,具體數(shù)值見表1。

表1 不同區(qū)域、不同位置的體積密度、顯氣孔率分析結(jié)果

2.2 化學(xué)成分分析

不同區(qū)域、不同位置的化學(xué)成分分析記過見表2。從表2 的數(shù)據(jù)可以看出:2 區(qū)樣品Si O2含 量 最 高,3、4 區(qū) 樣 品 基 本 一 致。2 區(qū) 樣品Si O2含量隨著與爐內(nèi)面距離的增加而減少,3區(qū)樣品則是先增加后減少,4 區(qū)樣品則是先減少后略有增加。從Na2O 含量來看,2 區(qū)樣品Na2O 含量最低,4 區(qū)樣品Na2O 含量最高,近似產(chǎn)品正常組分;2 區(qū)Na2O 含量隨著與爐內(nèi)面距離的增加先增后減,3、4 區(qū)樣品Na2O 含量則逐漸增加。

表2 不同區(qū)域、不同位置的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 單位:%

2.3 顯微結(jié)構(gòu)分析

對(duì)各區(qū)樣品的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,得到結(jié)論如下:

(1)2區(qū)距離爐內(nèi)面0~65 mm 區(qū)域?yàn)樽冑|(zhì)層,3區(qū)0~71 mm 內(nèi)為變質(zhì)層,4區(qū)0~19 mm為變質(zhì)層,其中的β-剛玉轉(zhuǎn)變?yōu)棣?剛玉,其余區(qū)域?yàn)棣?剛玉與β-剛玉共存。

(2)各區(qū)α-剛玉、β-剛玉結(jié)晶共存區(qū)域內(nèi),晶體間的玻璃相增多,主要含Na2O、Mg O、Al2O3、Si O2、Ca O 和Ti O2。

(3)各區(qū)Al2O3、Si O2、Ca O 和Ti O2滲入厚度等同于變質(zhì)層厚度。

隨著距離爐內(nèi)面距離的增加,樣品的顯微結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的變化。如圖6所示,以2區(qū)為例,在距離爐內(nèi)面0~20 mm 位置為典型的α-剛玉相,隨著深度的增加,逐漸變?yōu)閳D7中所示的α-剛玉、β-剛玉相共存,接近于產(chǎn)品未使用前的狀態(tài)。3區(qū)、4區(qū)情況類似。

圖6 2區(qū)0~20 mm 顯微結(jié)構(gòu)

圖7 2區(qū)80~100 mm 顯微結(jié)構(gòu)

3 原因探討

該窯爐加料口處大碹為AZS制品,2、3、4區(qū)大碹為氧化鋁制品。2區(qū)較靠近加料口,因此成分中Si O2含量較高,Na2O 含量較低。3區(qū)為熱點(diǎn)區(qū)域,溫度最高,因此3區(qū)表面剝落程度最為嚴(yán)重,變質(zhì)層深度最大,變質(zhì)的主要原因是因?yàn)棣?剛玉失去Na2O 后變成了顆粒狀的α-剛玉[3]。4區(qū)因?yàn)榭拷刍┒?溫度較低,因此表面幾乎無變化,成分與原磚也較為相似。大碹表面的剝落會(huì)使整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差,導(dǎo)致使用的安全性下降,再次使用的危險(xiǎn)性較高。提高耐剝落性對(duì)于確保大碹的安全使用非常必要,淄博艾杰旭剛玉材料有限公司推出了牌號(hào)為MB-C 的新型氧化鋁大碹磚,該產(chǎn)品將氧化鋁磚中α-剛玉相的含量提高到75%左右,具有更好的耐剝落性,更有利于大碹磚的安全使用。

4 結(jié)論

本研究通過對(duì)全氧燃燒玻璃窯爐使用后氧化鋁大碹磚的情況分析,確認(rèn)了產(chǎn)品使用后的組織、成分狀態(tài)以及顯微結(jié)構(gòu)的變化,并提供了最新的產(chǎn)品信息,以期對(duì)延長(zhǎng)窯爐使用壽命、提高產(chǎn)品質(zhì)量有所幫助。