解构电熔锆刚玉 (AZS)：从化学配方到熔炼工艺的质量控制核心

日期：2025-07-12 浏览：51

在电熔锆刚玉（AZS）的世界里，卓越性能的密码隐藏在化学成分、微观物相与熔炼工艺三者的精妙博弈之中。任何一个环节的微小失衡，都可能导致最终产品性能的断崖式下跌。对于玻璃熔窑等严苛应用环境，理解并掌控AZS的制造工艺要点，是确保材料长周期稳定服役的根本。

AZS的性能基石，首先由其理化组成决定。其核心是Al₂O₃-ZrO₂-SiO₂三元体系，其中氧化铝（Al₂O₃）和氧化锆（ZrO₂）是构建耐火骨架的主成分，而二氧化硅（SiO₂）则需要被严格限制。氧化钠（Na₂O）作为熔剂，其含量直接影响着材料中玻璃相的生成量和特性。

1. 熔剂与杂质：性能的“双刃剑”

Na₂O：作为一种低熔点（852°C）助熔剂，Na₂O的加入是一把双刃剑。当其含量达到1.5%时，几乎所有的SiO₂都会转化为玻璃相，其体积分数可达20%左右，同时导致耐高温的莫来石相完全分解。这虽然有助于熔炼，但过多的低黏度玻璃相会显著降低材料的高温性能。现代AZS生产中，已不再添加氧化硼、氟化物或稀土氧化物等传统助熔剂。

图：Na₂O含量对ZAC（AZS）铸块物相构成的影响

Fe₂O₃ 与 TiO₂：这两者是AZS中最需要警惕的有害杂质。铁和钛的氧化物在高温下化学状态不稳定，极易在与玻璃液接触时引发气泡，这不仅会加速耐火材料自身的侵蚀，更会在最终的玻璃制品上留下致命的疵点。从历史数据看，将铁钛氧化物总量从0.58%降至0.1%以下，是AZS材料性能实现飞跃的关键一步，它直接将玻璃相的渗出温度提高了100°C以上。
其他痕量杂质：
- 碳 ©：在电熔工艺中，来自石墨电极的碳污染不可避免。还原法生产的AZS含碳量可高达0.03%~0.19%，而氧化法可降至0.005%~0.01%。碳会使铁钛氧化物还原成更低价态，显著降低玻璃相的渗出温度，并在使用中释放气泡，对熔窑关键部位危害极大。
- 硫 (S) 和 磷 (P)：分别来自氧化铝和锆英砂原料，前者会降低材料的致密度，后者的危害与碳相似。
- CaO 与 MgO：含量通常极微，但CaO会与Al₂O₃反应生成六铝酸钙，消耗主成分并劣化玻璃相性质，因此必须严格限制在0.2%以内。

化学成分决定了AZS在熔融冷却后能够形成怎样的矿物组成，而这些物相的种类、数量和分布形态，才是其宏观性能的直接体现。

斜锆石-刚玉共晶体：这是AZS材料的抗侵蚀核心。由于刚玉的结晶速度快于斜锆石，两者共析时会形成刚玉晶体包裹着粒状斜锆石的独特“筛状结构”。这种结构能有效阻止玻璃液对刚玉的过早破坏。因此，共晶体的数量越多，AZS的抗侵蚀性越强。
斜锆石的分布：除了共晶体，多余的斜锆石会以串珠状、熔滴状或细粒状分散在玻璃相中。这些“游离”的斜锆石抗侵蚀能力较弱，是材料性能的短板。因此，控制游离斜锆石的析出量是生产优质AZS的关键。例如，优质的AZS-33产品，其游离斜锆石含量应控制在21.5%，而普通品则可能高于25%，这直接导致其抗侵蚀指数的显著差异。
玻璃相：作为晶体间的联结相，玻璃相虽然不耐侵蚀，但其弹塑性可以缓冲晶体在相变或热冲击中产生的应力，防止制品开裂。其含量通常以20%±2%为宜。一个重要的认知是，在将铁钛杂质降至极低水平后，AZS中的玻璃相转变为一种高黏度的特殊玻璃。通过调整配方中的硅钠比，可以有效调控其性能，在保证抗侵蚀性的前提下，改善产品的抗开裂能力。

没有高品质的原料，就不可能有高性能的AZS。

氧化铝：高温煅烧的α-Al₂O₃与低温煅烧的普通氧化铝（含γ-Al₂O₃）是两种主要选择。国际先进技术普遍采用前者，因为它灼减量低，能避免在铸件中引入显微气孔。更重要的是，γ-Al₂O₃在熔融冷凝时会转变为α-Al₂O₃，伴随体积收缩，易导致制品开裂，同时减少关键的锆铝共晶体生成，增加游离斜锆石，进一步恶化性能。
锆英石 (ZrSiO₄)：需严格控制TiO₂含量（≤0.2%）和放射性元素（U, Th ≤ 0.05%）。
脱硅锆：对于追求低SiO₂含量的高端牌号（如AZS-36, AZS-41），需要加入脱硅锆来调整配方。实验证明，即使在AZS-33中适量添加，也能显著增加共晶体数量，减少玻璃相和游离相，从而提升材料的整体性能。
熟料：回炉利用的AZS废品（冒口、废砖等）是稳定生产、降低成本的有效手段。但前提是熟料必须洁净、未受潮，且加入量（通常20%左右）和加入方式必须严格控制。最优的方式是将熟料破碎至5mm以下，进行成分分析后，与生料一同混合入炉，以消除批次间的成分波动。

要精确控制如此复杂的原料体系，确保每一批次的化学成分和杂质含量都符合严苛标准，离不开高精度的化学成分分析和物相鉴定。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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拥有了完美的配方和原料，熔炼工艺就是决定最终铸件质量的临门一脚。现代AZS生产已普遍淘汰了易造成碳污染的还原法，全面转向氧化法。

氧化法 vs. 还原法：一场性能的革命

氧化熔融工艺的核心在于“长电弧”与“吹氧”：

长电弧精炼：投料结束后，采用高压长电弧（≥50mm）对熔液进行至少30分钟的精炼。这一过程能确保熔液温度和成分的均匀性，是获得致密、尺寸规整、外观优良铸件的基础。熔炼时间不足，性能降低；时间过长，又可能因成分挥发不均而导致开裂。
吹氧：精炼后的吹氧是点睛之笔。其作用是多维度的：
- 均化：进一步搅拌熔液，使其温度和成分更均匀。
- 除碳：彻底去除熔液中的残余碳，消除一个主要的性能隐患。
- 氧化：将FeO、TiO等低价氧化物转化为高价态的Fe₂O₃、TiO₂。
- 补氧：填充玻璃相网络中的氧离子空位，增强[SiO₄]四面体的连接紧密性，从而增大玻璃相黏度，提高其渗出温度。