BaSO4添加劑對(duì)澆注料性能的影響

本章研究了BaSO4加入量對(duì)澆注料線變化率、顯氣孔率、體積密度、常溫抗折強(qiáng)度、常溫耐壓強(qiáng)度、熱態(tài)抗折強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、抗熱震性能、抗侵蝕性能的影響。

經(jīng)900℃和1200℃燒后，所有試樣均有不同程度的收縮。隨著處理溫度的升高，試樣收縮增加，1200℃處理后的試樣收縮最大。隨著BaSO4加入量的增加，試樣收縮減小，1200℃處理后Ba6試樣收縮最小，為0.1%。

圖1為BaSO4加入量對(duì)試樣顯氣孔率(AP)和體積密度(BD)的影響。可以看出，110℃干燥后試樣的顯氣孔率最小，900℃處理后顯氣孔率增加約2-4%，1200℃燒后顯氣孔率變化不大，稍有增加。即隨著處理溫度的增加，結(jié)合水排出，試樣的顯氣孔率增加，但由于處理溫度越高試樣的收縮越大，導(dǎo)致試樣的體積密度先減小后增加。

隨著BaSO4加入量的增加，試樣的顯氣孔率增加，體積密度減小。Ba2試樣的顯氣孔率最小，體積密度最大，900℃處理后分別為17.7%和2.94g/cm3。

圖2為BaSO4加入量對(duì)澆注料常溫抗折強(qiáng)度(CMOR)和常溫耐壓強(qiáng)度(CCS)的影響。從圖中可以看出，當(dāng)BaSO4加入量為0或較低時(shí)(1%)，試樣的常溫抗折和耐壓強(qiáng)度均隨處理溫度的升高而增大;但當(dāng)BaSO4加入量較高時(shí)(2-6%)，高溫下BaSO4與耐材中Al2O3和SiO2反應(yīng)生成鋇長(zhǎng)石和富含鋇的液相，導(dǎo)致試樣的常溫強(qiáng)度隨處理溫度的升高先增大后減小。

加入量對(duì)110℃干燥后試樣的強(qiáng)度影響較小。但經(jīng)900℃和1200℃處理后，隨著BaSO4加入量的增加，產(chǎn)生的液相量較多，導(dǎo)致試樣的常溫強(qiáng)度逐漸減小，Ba6試樣的耐壓強(qiáng)度最小，為41-68MPa，Ba1試樣的常溫抗折強(qiáng)度最大，1200℃處理后可達(dá)12.1MPa。

為檢測(cè)BaSO4加入量對(duì)澆注料抗熱震性能的影響，測(cè)量經(jīng)1100℃水冷3次后試樣的殘余抗折強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度保持率，結(jié)果如圖3所示。整體看來(lái)，熱震后所有試樣的殘余抗折強(qiáng)度集中在2.6-5.0MPa之間。隨著BaSO4加入量的增加，高溫下生成富含鋇的液相量增加，試樣的殘余抗折強(qiáng)度減小，Ba4和Ba6試樣的殘余抗折強(qiáng)度最小，為2.6-3.2MPa。抗折強(qiáng)度保持率隨BaSO4加入量的增加先減小后增加，Ba1試樣的抗折強(qiáng)度保持率最小，為35%;900℃處理后Ba1、Ba2、Ba4試樣的抗折強(qiáng)度保持率較低，可能是因?yàn)榻?jīng)1100℃熱震3次后，試樣中的液相量增加，抗折強(qiáng)度大幅度降低。

圖4為BaSO4加入量對(duì)澆注料熱態(tài)抗折強(qiáng)度的影響。可以看出，隨著處理溫度的升高，試樣的熱態(tài)抗折強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)BaSO4加入量超過(guò)2%時(shí)，1200℃燒后試樣的熱態(tài)抗折強(qiáng)度低于干燥后試樣，這可能是因?yàn)锽aSO4含量較高，高溫下產(chǎn)生的液相較多，熱態(tài)抗折強(qiáng)度減小。

隨著BaSO4加入量的增加，干燥后試樣的熱態(tài)抗折強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)，而燒后試樣的熱態(tài)抗折強(qiáng)度逐漸減小。經(jīng)900℃和1200℃處理后的Ba6試樣的熱態(tài)抗折強(qiáng)度最小，約為9.5MPa，與未加BaSO4試樣相比(19.5MPa)，熱態(tài)抗折強(qiáng)度降低了51.3%。可見，BaSO4加入量較多時(shí)(4%和6%)，試樣的常溫強(qiáng)度、熱震后殘余抗折強(qiáng)度和熱態(tài)強(qiáng)度均大幅度降低。

BaSO4加入量對(duì)澆注料導(dǎo)熱系數(shù)的影響如圖5所示，可以看出，850℃時(shí)試樣的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.94-1.12W/m·K，1000℃時(shí)試樣的導(dǎo)熱系數(shù)增大，約為1.04-1.32W/m·K。隨著BaSO4加入量的增加，試樣的導(dǎo)熱系數(shù)先增加后減小，與圖1(a)中試樣的顯氣孔率變化趨勢(shì)相反，即顯氣孔率較大的試樣導(dǎo)熱系數(shù)小。Ba6試樣顯氣孔率最大，導(dǎo)熱系數(shù)最小，1000℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為1.041W/m·K。

為研究BaSO4對(duì)澆注料物相組成的影響，對(duì)900℃和1200℃處理后試樣進(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖6所示，可以看出，試樣的主晶相為剛玉和莫來(lái)石。

隨著BaSO4加入量的增加，圖6(a)和(b)中莫來(lái)石的衍射峰逐漸減弱，說(shuō)明BaSO4的加入減少了材料中莫來(lái)石的含量，BaSO4含量6%的試樣經(jīng)1200℃燒后，其XRD圖譜中已全無(wú)莫來(lái)石衍射峰。對(duì)比圖6(a)和(b)，可知隨著處理溫度的升高，試樣中莫來(lái)石含量逐漸減少。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，高溫下BaSO4與耐火材料中的Al2O3和SiO2反應(yīng)生成鋇長(zhǎng)石和富含鋇的液相，從而減少了基質(zhì)中游離的SiO2和莫來(lái)石。

BaSO4試樣經(jīng)1200℃處理后的SEM照片如圖7所示，圖7(a)中1和2處能譜分析如表2所示，可以看出，材料中含量最多的是不規(guī)則粒狀晶體結(jié)構(gòu)的燒結(jié)Al2O3，直徑約為2-3μm。1和2處主要成分為Al2O3，其次還含有少量SiO2和CaO。由物相分析(圖6)可知顆粒狀物質(zhì)為剛玉。整體看來(lái)，隨著BaSO4加入量的增加，試樣中主晶相剛玉顆粒有長(zhǎng)大趨勢(shì)，顆粒之間結(jié)合緊密，氣孔尺寸增大。

坩堝試樣經(jīng)900℃×3h燒后，坩堝內(nèi)放置6063#鋁合金約120g，放入馬弗爐內(nèi)在850℃下保溫72h，保溫結(jié)束后取出，可見試樣外表面完整，沿坩堝軸線切開后，觀察并對(duì)比各試樣的侵蝕情況，如圖8所示，試樣的侵蝕率如表3所示。

從圖8中可以看出，加入BaSO4以后，坩堝試樣的抗侵蝕性能明顯提高，當(dāng)BaSO4加入量為1%時(shí)，侵蝕率由不加BaSO4試樣的5.10%降低到3.75%;當(dāng)BaSO4加入量≥2%時(shí)，坩堝試樣均無(wú)肉眼可見的侵蝕。

BaSO4在鋁硅系澆注料中的作用已經(jīng)被研究過(guò)，材料性能的變化主要?dú)w功于鋇長(zhǎng)石的形成，高溫下BaSO4與試樣中的Al2O3和SiO2反應(yīng)生成熔點(diǎn)較低(1150℃±20℃)的鋇長(zhǎng)石(BaAl2Si2O8)和富含鋇的液相，減少試樣中SiO2的含量，提高材料的抗侵蝕性能。但當(dāng)預(yù)燒溫度>1000℃時(shí)，鋇長(zhǎng)石分解，導(dǎo)致材料的抗侵蝕性能降低。

(1)從XRD圖譜可知，隨著BaSO4加入量的增加，試樣中莫來(lái)石含量逐漸降低，1200℃處理后Ba6試樣中已經(jīng)完全沒有莫來(lái)石衍射鋒。這是因?yàn)椋邷叵翨aSO4與試樣中的Al2O3和SiO2生成鋇長(zhǎng)石(BaAl2Si2O8)和富含鋇的液相，降低了基質(zhì)中與鋁合金熔液反應(yīng)的SiO2和莫來(lái)石的含量，材料的抗侵蝕性能顯著提高。加入1.0%BaSO4后，坩堝試樣的侵蝕率從5.10%降低到3.75%;BaSO4加入量≥2%時(shí)，坩堝試樣均無(wú)肉眼可見侵蝕。

(2)隨著BaSO4加入量的增加，試樣的收縮減小、顯氣孔率增加、體積密度減小、導(dǎo)熱系數(shù)減小。1200℃處理后Ba6試樣收縮最小、顯氣孔率最大，分別為0.095%、21%，1000℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)也最小，為1.041W/m·K。BaSO4加入量較高時(shí)，產(chǎn)生的液相較多，對(duì)材料的強(qiáng)度影響較大。隨著BaSO4加入量的增加，試樣的常溫強(qiáng)度、熱態(tài)抗折強(qiáng)度、熱震后殘余抗折強(qiáng)度均減小，1200℃處理后Ba6試樣的熱態(tài)抗折強(qiáng)度比Ba0試樣降低了51.3%。

(3)BaSO4加入量較小時(shí)，材料的抗侵蝕性能較差;BaSO4加入量較大時(shí)，高溫下產(chǎn)生液相較多，材料的強(qiáng)度減小。此外，當(dāng)處理溫度>1000℃時(shí)，生成的鋇長(zhǎng)石會(huì)分解，使材料的抗侵蝕性能降低。整體看來(lái)，BaSO4最佳加入量為2%，最佳處理溫度為900℃。