镁质耐火材料的膨胀性分析,由科瑞耐火材料厂整理搜集。以下为MgO-Al2O3耐火材料,受热反应后体积膨胀性分析。
对于含Al2O3细粉的镁质耐火浇注料来说,在受热过程中会发生f-MgO+f-Al2O3→Spinel(尖晶石)的反应并伴有较大体积膨胀,这会引起内部缺陷,容易产生剥落损坏。
科瑞耐材生产的部分镁质耐火材料产品图
f-MgO+f-AI2O3→Spinel(尖晶石)反应的体积膨胀,可明显地从反应物和产物的摩尔体积变化中得出:Al2O3为25.55cm3/mol、MgO为11.26cm3/mol、Spinel为39.52cm3/mol;因此,由f-MgO+f-Al2O3→Spinel的过程,摩尔体积增加2.71cm3/mol,相当于在固态反应期间体积膨胀7.36%。这一膨胀仅是理论上的膨胀,它是全致密的MgO(3.58g/cm3)和Al2O3(3.99g/cm3)反应后所产生的膨胀。
然而,上述反应的实际膨胀要比理论计算所得到的数值大得多。例如,微米级Al2O3和MgO细粉反应生成Spinel时,伴有14.7%的体积膨胀(为理论值的2倍),而亚微米级Al2O3和MgO细粉反应生成Spinel时,则伴有20.7%的体积膨胀(接近理论值的3倍)。产生这种超常膨胀的原因是烧结期间由f-MgO+f-Al2O3→Spinel的固相反应时存在着一种颗粒尺寸效应,从而产生了额外的体积膨胀。
高活性Al2O3和MgO微粒反应生成Spinel的过程是:在400℃时已有Spinel(尖晶石)生成,900℃已开始有效形成Spinel(尖晶石),1200℃x6h即可完成Spinel反应。
Al2O3和MgO亚微粒超细粉反应生成Spinel的过程是膨胀反应,而且其膨胀量往往远大于单独由Spinel形成过程中产生的体积膨胀量。
产生这种现象的原因有以下3种:
(1)由于摩尔体积增加所产生的预期膨胀,其体积增加2.7lcm3/mol,相当于在固态反应期间体积膨胀7.36%(PLC=+2.45%)。
(2)在Al2O3和MgO反应烧结期间的Al2O3/MgO界面上形成了厚度不等的反应层,在Al2O3一侧和MgO一侧所形成的Spinel(尖晶石)厚度不相等,由于MgO+Al2O3→Spinel(尖晶石)的这一反应使颗粒互相推开,从而导致一种额外膨胀的产生。
(3)克肯达尔效应,即二金属离子(Mg2+和Al3+)越过晶界的不等速相向扩散而使扩散较快的离子所占据晶界那一边形成气孔,从而产生了额外的体积膨胀。
正是由于后两种原因,导致MgO+Al2O3→Spinel(尖晶石)的固相反应伴有大量的体积膨胀产生。由观察结果可以粗略地获得:Al2O3和MgO颗粒尺寸为微米级时,其体积膨胀是摩尔体积膨胀的2倍。如果Al2O3和MgO颗粒尺寸为亚微米级,其体积膨胀是摩尔体积膨胀的3倍。
因此,MgO+Al2O3材料在烧结期间,伴随MgO+Al2O3→Spinel的固相反应,存在一种颗粒尺寸效应,从而导致额外的体积膨胀的产生。其机理可以概括如下:
(1)来自化学反应的摩尔体积增加;
(2)在反应烧结期间Al2O3/MgO界面上形成了反应层(几何颗粒包裹理论);
(3)克肯达尔效应。
不过,至今尚未测出各机理在总膨胀中所占的准确比例。尽管如此,它已为我们选择原料提供了一条十分重要的依据。
由此可见,MgO+Al2O3耐火浇注料中的f-MgO和f-Al2O3在高温下会进行反度生成Spinel(尖晶石),而这会导致材料体积稳定性问题的产生。但可以通过选择适当的Al2O3/MgO比率和两者颗粒(尺寸)大小来加以控制,使之在烧结或者在使用过程中所发生的膨胀处在允许范围之内。
科瑞生产的镁质耐火材料包括:镁砖、镁铬砖、镁铝砖、镁铁尖晶石砖、镁质浇注料、镁质干式振动料、镁质耐火泥等。