在烧结AZS(氧化铝-锆-二氧化硅)耐火材料的广阔领域中,含锆英石的制品家族呈现出一种 deceptive simplicity。其基础工艺看似直白:将莫来石、刚玉或煅烧铝土矿等粗颗粒骨料与不同比例的锆英石混合,加入少量结合剂,然后送入窑炉。然而,正是这最后一步——烧成,成为了决定材料最终命运的分水岭。烧成温度,这个单一的工艺参数,如同一位严苛的指挥家,精准地操控着锆英石颗粒的相变交响曲:是保持其完整性,是表面轻微触动,还是彻底分崩离析。
锆英石(ZrSiO₄)本身在1650℃的高温下依然能维持稳定,但当它与氧化铝(Al₂O₃)的表面发生接触时,化学反应的门槛骤然降低至1500℃以下。S. Hirano的实验早已揭示,锆英石-氧化铝体系的反应温度点就在1500℃。这并非指锆英石本身的分解温度,而是在特定化学环境下的反应激活点,因为在实际材料中,锆英石只是局部与氧化铝接触。这种工艺参数的巨大可调性,直接导致了产品性能的天壤之别。我们可以将这个复杂的家族大致归为四个核心配方体系:
在特定冶金熔炉的应用场景中,这些配方还可以引入碳化硅(SiC)以增强其特定性能。
产品名称和化学成分表往往会掩盖真相。一个引人深思的案例来自对德国某款玻璃熔窑用鼻梁砖的分析。该产品采用烧结莫来石与锆英石制成。显微镜下,我们能看到一个精心构建的世界:
图中,尺寸达3至4毫米的合成莫来石粗大颗粒内部,包裹着适量的封闭式微孔,而晶体间的玻璃相却极为稀少,这暗示着优异的高温稳定性。浑圆的锆英石颗粒均匀地散布在基质中,其表面仅有轻微的分解痕迹,保留了其固有的优良特性。
然而,另一款采用相近配方仿制的砖,其微观世界却讲述了一个完全不同的故事:
在这里,锆英石已经荡然无存。原先的颗粒位置被一团团由玻璃相粘结的二氧化锆(ZrO₂)微粒所占据。基质中更细小的锆英石粉末也已分解为单个的ZrO₂微粒。同时,莫来石晶体过度发育长大,晶间充斥着大量玻璃相。这两种材料性能的巨大鸿沟,其根源并非配方,而是烧成制度的差异。后者,由于其锆英石已完全分解,严格意义上已不能再被称为“含锆英石制品”。
另一个例子来自日本。一款引进时被简单称为“锆英石砖”的烧结AZS产品,经过显微结构剖析,才揭示其真实身份:由特级铝土矿与锆英石烧制而成。
其铝土矿骨料由细小的刚玉晶粒构成,部分发育为短柱状,晶间散布的钛酸铝是煅烧铝土矿的标志性特征。锆英石以粗大浑圆颗粒和微粉形态共存。只有细粉状的锆英石在与铝土矿接触的界面发生了部分分解,从而实现了材料的烧结。粗大的锆英石颗粒本体并未分解,其内部的封闭气孔甚至暗示了可能经过了造粒工艺。然而,该砖的显微结构也暴露了问题:大量的开口气孔和裂隙,锆英石颗粒间结合松弛。这一切都指向一个结论:烧成温度偏低。吊诡的是,即便如此,这款砖的物理性能指标却相当可观。
从日本旭硝子的Z.M.P牌号(据称由氧化铝和锆英石制造),到黑崎的Zircoal(从名称推测亦是同类产品),市场上的命名充满了模糊性。在众多工艺类型中,锆英石-莫来石和锆英石-刚玉体系应用最为广泛,但其可调的工艺窗口也最宽,导致产品性能千差万别,至今缺乏统一的技术标准。
以国内生产历史超过三十年的锆英石-铝土矿制品为例,化学组成相近的产品,其性能可能相差悬殊。比如荷重软化温度,普通产品在1500~1600℃之间,但通过优化工艺参数,可以提升至接近1700℃。玻璃工业中广泛使用的“半锆砖”(通常指Al₂O₃约60%,ZrO₂约20%),可以用上述任何一种工艺路径生产。它既可能被打造成极致性能的王牌,也可能只是表现平平的常规品。许多熔窑发生的异常损毁,其根源往往就是这种看似细微、实则致命的选材不当。
那么,设计和生产部门该如何穿越这片迷雾?答案是唯一的:必须穿透产品名称和成分表的表象,直击材料的本质。在选择烧结AZS砖时,确认其制砖工艺,并委托进行专业的显微结构剖析,是评价其性能优劣、判断其是否满足严苛使用条件的唯一可靠途径。这并非额外的成本,而是规避重大风险的必要投资。
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值得一提的是,含石墨的AZS制品是一个特殊分支。它使用烧结或电熔AZS为原料,但在后续热处理中不发生烧结反应。因此,将其归入烧结AZS系列颇为牵强,更准确的称谓应是“不烧(结)含碳AZS制品”,其独特的微观结构演变将在别处深入探讨。