Il vantaggio dell’allumina tabulare sinterizzata nel mattone refrattario sagomato

L’allumina tabulare sinterizzata ha un’elevata attività di sinterizzazione, che può favorire la combinazione di substrati e particelle. Adottando l’allumina tabulare sinterizzata nella produzione di mattoni di allumina di elevata purezza e quindi osservando l’effetto di diversi corindone sinterizzato sulle prestazioni dei mattoni di allumina, gli ingegneri hanno scoperto che le particelle di allumina tabulare sinterizzata sono piccole e piene di pori. Nel processo di sinterizzazione, questa caratteristica aiuta a diffondere la sinterizzazione dei substrati, che può anche migliorare la forza di sinterizzazione e la resistenza alla permeabilità del mattone di allumina combinando più strettamente il substrato e le particelle.

I mattoni di allumina sono prodotti refrattari con corindone come fase cristallina principale. Hanno una buona stabilità chimica e una forte resistenza alle scorie acide e alcaline, al metallo e al vetro fuso. Utilizzato principalmente negli altiforni per la produzione del ferro, negli altiforni a caldo, nei forni di raffinazione esterni ai forni per la produzione dell’acciaio, nei forni per la fusione del vetro e nei forni industriali petrolchimici. Attualmente, i mattoni di allumina di elevata purezza sul mercato sono prodotti principalmente con materie prime di allumina fusa. La produzione di allumina fusa consuma molta energia con grandi perdite che non sono amiche dell’ambiente. L’uso di materie prime di corindone fuso per produrre mattoni di allumina di elevata purezza è difficile da sinterizzare e con bassa capacità di resistenza alle scorie. Negli ultimi anni, essendo un materiale refrattario di alta qualità, la tecnologia e la produzione dell’allumina tabulare sinterizzata sono state migliorate a passi da gigante. Vediamo il vantaggio di realizzare mattoni di allumina con allumina tabulare sinterizzata.

1 prova

1.1 Materiale

Utilizziamo l’allumina tabulare sinterizzata come materiale per eseguire la produzione di prova. L’allumina tabulare che utilizziamo ha un tasso di porosità apparente del 5,7%, un tasso di assorbimento d’acqua dell’1,6%, la densità apparente è di 3,48 g/cm3. Il materiale rivale è l’allumina fusa con un tasso di porosità estetica dell’8,8%, un tasso di assorbimento d’acqua del 2,4% e una densità apparente di 3,61 g/cm3. Gli indici sono i seguenti:

1.2 Produzione di prova

Usando una betoniera a rulli da 15 Kg, aggiungendo graniglia per premiscelare per 3 minuti, quindi aggiungere il 3% di legante e impastare per 1 minuto, infine aggiungere polvere fine e impastare per 15 minuti, e modellare su una pressa idraulica da 100 t con una pressione di stampaggio di 280MPa. I campioni stampati sono mattoni cilindrici con mattoni cubici φ50mm×50mm con 150mm×25mm×25mm e crogiolo con dimensione esterna φ50mm×50mm e dimensione del foro interno φ25mm×25mm. I campioni di mattoni vengono realizzati in un forno elettrico a temperatura ultraelevata riscaldato a 1750 ℃ ​​per 3 ore dopo averli mantenuti a 110 ℃ per 3 ore e asciugati.

1.3 Prova delle prestazioni

Testare il cambiamento permanente della linea di riscaldamento, la densità del volume e la porosità apparente, la resistenza alla compressione e alla flessione a temperatura normale, la resistenza alla flessione ad alta temperatura (a 1400°C per 0,5 ore) dei campioni secondo gli standard nazionali. Testare la capacità di resistenza alle scorie mediante il metodo del crogiolo statico e osservare la microstruttura del campione mediante microscopio elettronico a scansione SEM.

2 Risultato e conclusione

2.1 Microstruttura del materiale

L’  immagine 1  sotto mostra la microstruttura delle particelle della materia prima. Si è scoperto che l’allumina tabulare sinterizzata è composta da cristalli oi-Al2O3 con una dimensione delle particelle di 40~120μm e sono presenti una certa quantità di pori sferici chiusi. La struttura dell’allumina fusa è più densa, sono presenti alcuni pori aperti di dimensioni maggiori.

(a) Grano di allumina tabulare sinterizzata (b) Grano di allumina tabulare fusa

Immagine 1.

 2.2 Variazione lineare del riscaldamento

L’immagine 2  mostra la curva di variazione lineare del riscaldamento di campioni realizzati con diverse materie prime. I risultati sperimentali mostrano che tutti i campioni hanno tendenza al ritiro in cottura. Tuttavia, man mano che il contenuto di allumina tabulare sinterizzata aumentava, nel frattempo aumentava anche la contrazione da cottura. Confrontando gli indici delle materie prime, abbiamo scoperto che le particelle di allumina tabulare sinterizzata contengono molti più pori. Se la densità reale di α-Al2O3 è 3,99 g/cm3 e la densità apparente è 3,48 g/cm3, la quantità totale di porosità è di circa il 13%. Inoltre, con dimensioni cristalline molto ridotte di allumina tabulare sinterizzata, facilita la diffusione e la sinterizzazione del trasferimento di massa nel processo di sinterizzazione. Si ottiene così una contrazione del volume perché alcuni pori vengono rimossi dal confine del cristallo insieme al movimento delle sostanze. La densità apparente delle particelle di allumina fusa è di 3,61 g/cm3 e la percentuale di tutti i pori è di circa il 9%. Poiché l’allumina fusa viene prodotta mediante fusione e condensazione in un forno ad arco elettrico ad alta temperatura, la materia prima ha cristalli di grandi dimensioni e pochi canali al confine tra cristalli. Pertanto, il ritiro dovuto alla sinterizzazione è inferiore a quello delle particelle di allumina tabulare sinterizzata.

Immagine 2 Modifica lineare del riscaldamento su diversi campioni.

2.3 Porosità apparente e densità apparente

Nell’immagine 3 viene mostrato generalmente che i campioni con un contenuto di allumina tabulare sinterizzata più elevato hanno una porosità apparente inferiore e una densità apparente più elevata. Ciò avviene perché la porosità apparente dell’allumina tabulare sinterizzata è molto piccola, circa il 5,7%, mentre la porosità apparente dell’allumina fusa è dell’8,8%. Inoltre, rispetto all’allumina fusa, i pori nell’allumina tabulare sinterizzata sono più facili da rimuovere dal cristallo, il che riduce la porosità e ottiene un maggiore restringimento del volume, oltre ad aumentare ulteriormente la densità apparente del campione. Pertanto la porosità apparente del campione cotto diminuisce all’aumentare della percentuale di allumina tabulare sinterizzata.

Immagine 3 Porosità apparente e densità apparente per diversi campioni

L’immagine 4  mostra che la normale resistenza alla compressione della temperatura (CCS) del mattone C1 in materiale di allumina tabulare sinterizzata pura è molto maggiore di quella del mattone C5 in materiale di allumina fusa pura. Ci sono due ragioni principali per questo. In primo luogo, dal punto di vista della resistenza della materia prima, la dimensione dei cristalli del materiale di allumina tabulare sinterizzata è piccola e la resistenza alla frattura (σ) del materiale e la dimensione dei cristalli (G) hanno la seguente relazione funzionale:

σ=f(Sol-1/2)

Pertanto, la resistenza del materiale di allumina tabulare sinterizzata è relativamente elevata, mentre il materiale di allumina fusa è fragile e facile da staccare (come mostrato nell’immagine  5 (a) ) e contiene anche una piccola quantità di fase β-Al2O3 , che riduce la resistenza del materiale.

In secondo luogo, dall’aspetto dello stato di legame del materiale, il legame tra le particelle di allumina tabulare sinterizzata e il substrato è buono, quasi sinterizzato in un tutto. Le particelle di allumina fusa non sono ben legate al substrato e si formano facilmente crepe a forma di anello attorno alle particelle  (Immagine 5) (b) ). Per i due motivi sopra indicati, la resistenza meccanica del mattone C1 in materiale tabulare puro sinterizzato è migliore di quella del mattone C5 in materiale puro di allumina fusa.

Immagine 4 Resistenza alla compressione a temperatura normale e resistenza alla flessione per diversi campioni

Immagine 5 la microstruttura dei campioni realizzati in allumina fusa

Dopo aver aggiunto 20 g di scorie di gassificazione nel crogiolo (vedere la Tabella 2 per la composizione delle scorie), riscaldando il crogiolo a 1550 ℃ nel forno elettrico di prova a una velocità di riscaldamento di 100 ℃/h e mantenendolo per 3 ore, quindi tagliando il crogiolo lungo il direzione assiale dopo il raffreddamento a temperatura ambiente, osservare i cambiamenti della microstruttura nella sezione longitudinale.

La composizione chimica delle scorie del forno è la seguente:

Immagine 6 Profilo antiscoria crogiolo statico

 Dopo il test di corrosione delle scorie del forno di gassificazione dei liquami di carbone-acqua, osservare la microstruttura al microscopio elettronico. Le scorie della gassificazione dei liquami di acqua di carbone sono a forma di spina di pesce, principalmente di fase anortite (come mostrato nell’immagine  7 (a) ); le scorie reagiscono con l’allumina nei mattoni di prova e ottengono una fase spinello composita di magnesio-alluminio-ferro. L’analisi dello spettro energetico mostra che la composizione della fase spinello composita è (x/%): MgO 40,43%, Al2O 347,61%, Fe2O3 11,96%. La fase spinello composita magnesio-alluminio-ferro formata dalla reazione forma un anello attorno alle particelle di allumina (come mostrato in  Immagine7(b) ). Lo spessore dell’anello attorno alle particelle di allumina tabulare sinterizzata è di 60~90μm e lo spessore dell’anello attorno alle particelle di allumina fusa è di 50~70μm, si può vedere che è più facile che le scorie reagiscano con il tabulare sinterizzato perché il sinterizzato l’allumina ha una grande attività di sinterizzazione, cristalli più piccoli, pori più chiusi e più confini cristallini. Le scorie penetrano facilmente lungo i confini cristallini e reagiscono chimicamente con l’allumina tabulare sinterizzata.

(a) Scorie (b) C2 Superficie di lavoro

Immagine 7 Microstruttura del campione di mattone di allumina dopo il test di resistenza alle scorie e alla corrosione

Non vi è alcuna differenza evidente nella profondità dell’erosione di C1, C2, C3, C4 e C5. Sono tutti circa 1 mm. La Figura 8 mostra le foto della microstruttura del mattone C1 e del mattone C5 rispettivamente dopo l’erosione , facendo apparire le particelle di corindone come forma di isole isolate, quindi reagisce con le particelle e le consuma.

Tutta la profondità di erosione di C1, C2, C3, C4 e C5 è di circa 1 mm, senza differenze evidenti.  L’immagine 8  mostra le foto della microstruttura rispettivamente dei mattoni C1 e C5 dopo l’erosione. Le scorie reagiscono prima con il substrato di mattoni per far sì che le particelle di allumina diventino forme isolane e poi reagiscono con le particelle per mangiarle via.

Immagine 8 Microstruttura del campione di mattone di allumina dopo il test di resistenza alle scorie

 L’immagine 9 mostra che le modalità di penetrazione dei mattoncini di prova con diverse formulazioni sono simili. Le scorie penetrano nei mattoni lungo i pori, esistono nella fase intergranulare e nei pori come fase vetrosa e fase anortitica.

Immagine 9 Microstruttura dello strato permeabile C5 del campione di mattone di allumina dopo il test di resistenza alle scorie

Ma campioni diversi mostrano proprietà antipermeabilità diverse: la tabella seguente mostra la profondità di penetrazione di SiO2 in diversi campioni. Man mano che il contenuto di allumina tabulare sinterizzata nel mattone diminuisce, la profondità di penetrazione delle scorie mostra una tendenza all’aumento.

Ci sono due ragioni per questo risultato:

1. Il campione ad alto contenuto di allumina tabulare sinterizzata ha una porosità apparente inferiore;
2. Le particelle di materiale tabulare sinterizzato si legano meglio al substrato, impedendo la penetrazione di scorie nei mattoni.

3 Conclusione

A causa delle piccole dimensioni dei cristalli dell’allumina tabulare, nelle particelle sono presenti un gran numero di pori, il che è utile per effettuare la sinterizzazione a trasferimento di massa. Alcuni pori vengono rimossi dal cristallo lungo il confine cristallino con il movimento delle sostanze, ottenendo una contrazione di volume. Ciò si traduce in un aumento del tasso di ritiro e in una diminuzione della porosità apparente nella sinterizzazione aumentando il contenuto di allumina tabulare sinterizzata.

L’allumina tabulare sinterizzata pura ha una struttura a grana fine con elevata resistenza ed elevata attività di sinterizzazione. Le particelle di allumina tabulare sinterizzata presenti nel mattone hanno un buon legame con i substrati, quindi le prestazioni di resistenza meccanica aumentano all’aumentare del contenuto di corindone sinterizzato.

Poiché l’allumina tabulare presenta due vantaggi significativi: bassa porosità apparente ed eccellente capacità di legame con il substrato, dimostra che l’allumina tabulare sinterizzata può rallentare la penetrazione delle scorie nel mattone.