焼結板状アルミナは焼結活性が高く、基材と粒子の結合を促進できます。焼結板状アルミナを高純度アルミナれんがの製造に採用し、さまざまな焼結コランダムがアルミナれんがの性能に与える影響を観察することで、技術者は焼結板状アルミナ粒子が小さく、細孔がたくさんあることを発見しました。焼結プロセスでは、この特性が基材の焼結を広げるのに役立ちます。これにより、基材と粒子がより緊密に結合され、アルミナれんがの焼結強度と透過抵抗も向上します。
アルミナれんがは、コランダムを主な結晶相とする耐火物です。化学的安定性が良好で、酸・アルカリのスラグ、金属、溶融ガラスに対する耐性が強いです。主に製鉄用高炉、高炉熱間高炉、製鋼炉外精錬炉、ガラス溶解炉、石油化学工業炉に使用されています。現在、市場に出回っている高純度アルミナれんがは、主に溶融アルミナ原料で生産されています。溶融アルミナの生産には多くのエネルギーが消費され、損失も大きく、環境に優しくありません。溶融コランダム原料を使用して高純度アルミナれんがを生産すると、焼結が難しく、スラグ耐性も低くなります。近年、高級耐火物として、焼結板状アルミナの技術と生産量は飛躍的に向上しています。焼結板状アルミナでアルミナれんがを作る利点を見てみましょう。
1 テスト
1.1 材質
試作の材料として、焼結板状アルミナを使用しています。当社が使用している板状アルミナは、外観気孔率が5.7%、吸水率が1.6%、嵩密度が3.48g/cm3です。競合材料は、外観気孔率が8.8%、吸水率が2.4%、嵩密度が3.61g/cm3の溶融アルミナです。指標は以下のとおりです。
| アイテム | o% | ||||
| C1 | C2 | C3 | C4 | C5 | |
| 板状アルミナ | 90 | 70 | 50 | 25 | 0 |
| 溶融アルミナ | 0 | 20 | 40 | 65 | 90 |
| 活性α-Al2O3粉末 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| バインダー(追加) | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 |
1.2 試作
15Kgローラーミキサーを使用し、予備混合用のグリットを加えて3分間混練した後、3%のバインダーを加えて1分間混練し、最後に微粉を加えて15分間混練し、100t油圧プレスで成形圧力280MPaで成形した。成形サンプルは、φ50mm×50mmの円筒レンガ、150mm×25mm×25mmの直方体レンガ、外形φ50mm×50mm、内孔径φ25mm×25mmのるつぼである。レンガサンプルは、110℃で3時間保持して乾燥させた後、1750℃で3時間加熱した超高温電気炉で作製した。
1.3 パフォーマンステスト
国家標準に従って、サンプルの加熱永久線変化、体積密度と見かけの気孔率、常温での圧縮強度と曲げ強度、高温での曲げ強度（1400°Cで0.5時間）をテストします。静的るつぼ法でスラグ耐性をテストし、SEM走査型電子顕微鏡でサンプルの微細構造を観察します。
2 結果と結論
2.1 材料の微細構造
下の画像 1 は、原料粒子の微細構造を示しています。焼結板状アルミナは、粒子サイズが 40 ～ 120 μm の oi-Al2O3 結晶で構成されており、一定量の閉じた球状気孔があることがわかります。溶融アルミナの構造はより緻密で、より大きなサイズの開いた気孔がいくつかあります。
(a)焼結板状アルミナ粒子 (b)溶融板状アルミナ粒子
画像1.
2.2 再加熱線形変化
図2は、 異なる原材料から作られたサンプルの再加熱線形変化曲線を示しています。実験結果によると、すべてのサンプルは焼成収縮の傾向があります。ただし、焼結板状アルミナの含有量が増加するにつれて、焼成収縮は同時に増加しました。原材料指数を比較すると、焼結板状アルミナ粒子にははるかに多くの気孔が含まれていることがわかりました。α-Al2O3の真密度が3.99g/cm3で、嵩密度が3.48g/cm3の場合、気孔の総量は約13％です。さらに、焼結板状アルミナの結晶サイズが非常に小さいため、焼結プロセスで拡散および質量移動焼結が容易になります。したがって、物質の移動に伴って一部の気孔が結晶境界から除去されるため、体積収縮が発生します。溶融アルミナ粒子の嵩密度は3.61g/cm3で、全気孔の割合は約9％です。溶融アルミナは高温の電気炉で溶融・凝縮して製造されるため、原料の結晶サイズが大きく、結晶境界チャネルが少ないため、焼結板状アルミナ粒子に比べて焼結収縮が小さくなります。
画像 2 さまざまなサンプルの再加熱による線形変化。
2.3 見かけの気孔率と嵩密度
図 3 は、一般的に焼結板状アルミナの含有量が多いサンプルの方が見かけの気孔率が低く、嵩密度が高いことを示しています。これは、焼結板状アルミナの見かけの気孔率が約 5.7% と非常に小さいのに対し、溶融アルミナの見かけの気孔率は 8.8% であるためです。さらに、溶融アルミナと比較すると、焼結板状アルミナの気孔は結晶から除去されやすく、そのため気孔率が低下して体積収縮が大きく、サンプルの嵩密度がさらに増加します。したがって、焼結板状アルミナの割合が増加すると、焼成サンプルの見かけの気孔率は減少します。
図3 異なるサンプルの見かけの気孔率とかさ密度
図4は 、純粋な焼結板状アルミナ材料C1レンガの常温圧縮強度（CCS）が純粋な溶融アルミナ材料C5レンガのそれよりもはるかに大きいことを示しています。 これには主に2つの理由があります。 まず、原料強度の面から見ると、焼結板状アルミナ材料の結晶サイズが小さく、材料の破壊強度（σ）と結晶サイズ（G）には次の関数関係があります。
σ=f(G-1/2)
そのため、焼結板状アルミナ材料の強度は比較的高いのに対し、溶融アルミナ材料は脆く剥がれやすい（ 図5（a）参照）ほか、β-Al2O3相も少量含まれており、材料の強度を低下させます。
第二に、材料の結合状態の観点から見ると、焼結板状アルミナ粒子と基材との結合は良好で、ほぼ一体に焼結されています。溶融アルミナ粒子は基材と十分に結合しておらず、粒子の周囲にリング状の亀裂が形成されやすい （図5）（b））。上記の2つの理由により、純粋な焼結板状材料C1レンガの機械的強度は、純粋な溶融アルミナ材料C5レンガの機械的強度よりも優れています。
図4 異なるサンプルの常温圧縮強度と曲げ抵抗強度
図5 溶融アルミナから作られたサンプルの微細構造
るつぼにガス化スラグ20gを入れ（スラグ組成は表2参照）、試験電気炉で100℃/hの加熱速度でるつぼを1550℃まで加熱し、3時間保持した後、室温まで冷却した後、るつぼを軸方向に沿って切断し、縦断面の微細構造の変化を観察します。
炉スラグの化学組成は以下のとおりです。
| 化学薬品 | SiO2 | Al2O2 | Fe2O3 | TiO2 | 高い | マグネシウム | ケイツーオー | Na2O |
| コンテンツω% | 40.8 | 23.6 | 5.1 | 1.1 | 20.9 | 3.8 | 1.1 | 3.6 |
図6 静的るつぼのスラグ防止プロファイル
石炭水スラリーガス化炉スラグの腐食試験後、電子顕微鏡で微細構造を観察しました。石炭水スラリーガス化炉スラグは魚の骨のような形をしており、主にアノーサイト相で構成されています（ 図7（a）を参照）。スラグは試験レンガ内のアルミナと反応して、マグネシウム、アルミニウム、鉄の複合スピネル相を得ました。エネルギースペクトル分析によると、複合スピネル相の組成は（x /％）：MgO 40.43％、Al2O 347.61％、Fe2O3 11.96％です。反応によって形成されたマグネシウム、アルミニウム、鉄の複合スピネル相は、アルミナ粒子の周りにリングを形成しています（ 図7（b）を参照）。焼結板状アルミナ粒子の周りのリングの厚さは60〜90μmで、溶融アルミナ粒子の周りのリングの厚さは50〜70μmであり、焼結アルミナは焼結活性が大きく、結晶が小さく、閉じた気孔が多く、結晶境界が多いため、スラグが焼結板状アルミナと反応しやすいことがわかります。スラグは結晶境界に沿って浸透しやすく、焼結板状アルミナと化学反応します。
(a)スラグ (b)C2作業面
図7 スラグおよび耐食性試験後のアルミナレンガサンプルの微細構造
C1、C2、C3、C4、C5 の侵食深さには明らかな違いはなく、いずれも約 1 mm です。図 8 は、侵食後の C1 レンガと C5 レンガの微細組織写真を示しています。 、コランダム粒子を孤立した島状に見せ、粒子と反応して粒子を食い荒らします。
C1、C2、C3、C4、C5 の侵食深さはすべて約 1 mm で、明らかな違いはありません。 図 8 は、侵食後の C1 レンガと C5 レンガの微細構造写真です。スラグは最初にレンガの基材と反応してアルミナ粒子を島状にし、次に粒子と反応して粒子を侵食します。
図8 スラグ耐性試験後のアルミナレンガサンプルの微細構造
図 9 は、異なる配合の試験レンガの浸透方法が似ていることを示しています。スラグは気孔に沿ってレンガに浸透し、ガラス相とアノーサイト相として粒界と気孔に存在します。
図9 スラグ耐性試験後のアルミナレンガサンプルのC5透過層の微細構造
しかし、異なるサンプルは異なる耐透水性を示します。次の表は、異なるサンプルにおける SiO2 の浸透深さを示しています。レンガ内の焼結板状アルミナの含有量が減少するにつれて、スラグの浸透深さは増加する傾向を示します。
| 作業面からの距離 | SiO2含有量(ω%) | ||||
| 0.2mm | 4mm | 8mm | 12mm | 16mm | |
| C1 | 5.64 | 5.78 | 3.73 | 1.1 | 0 |
| C2 | 6.99 | 5.12 | 3.32 | 3.14 | 0 |
| C3 | 7.08 | 4.42 | 4.73 | 3.57 | 0 |
| C4 | 6.38 | 5.95 | 6.34 | 4.12 | 3.3 |
| C5 | 6.47 | 6.7 | 5.21 | 5.46 | 2.74 |
この結果には 2 つの理由があります。
- 焼結板状アルミナ含有量が多いサンプルは見かけの多孔度が低くなります。
- 焼結された板状材料粒子は基材とよりよく結合し、レンガへのスラグの浸透を防ぎます。
3 結論
板状アルミナの結晶サイズが小さいため、粒子内に多数の気孔が存在し、物質移動焼結に役立ちます。物質の移動に伴って、結晶境界に沿って一部の気孔が結晶から除去され、体積収縮が発生します。その結果、焼結板状アルミナ含有量が増加すると、焼結時の収縮率が上昇し、見かけの気孔率が低下します。
純粋な焼結板状アルミナは、高強度と高焼結活性を備えた微粒子構造を持っています。レンガ内の焼結板状アルミナ粒子は基材と良好な結合性を持っているため、焼結コランダムの含有量が増えるにつれて機械的強度性能が向上します。
板状アルミナには、見かけの気孔率が低く、基材との結合能力が優れているという 2 つの大きな利点があるため、焼結板状アルミナはスラグのレンガへの浸透を遅らせることができることがわかります。
