氧化物耐火材料制品(二)

三、氧化锆耐火材料制品
二氧化锆(ZrO2)可由锆精矿(或工业氧化锆)经过化学处理制得。
ZrO2具有两种变体。在1000℃以下是单斜晶系ZrO2(比重是5.68),在1000℃时生产较致密的四方晶系的ZrO2(比重是6.10)。

1000℃ 单斜ZrO2 ——→ 四方ZrO2

单斜ZrO2 与四方ZrO2之间的转变是可逆的快速转变,在冷却过程中该转化伴生7%的体积膨胀,易使制品产生开裂。为防止这种转变作用,必须加入稳定ZrO2结构接近的(晶系相同、离子半径相近)氧化物,如CaO、MgO、Y2O3、Nb2O3、CeO2等可以起稳定ZrO2的作用,能和ZrO2形成立方晶系溶体而使ZrO2稳定下来。通常认为,加入CaO和 MgO作为稳定剂较好,而以CaO最有效,MgO次之。CaO的加入量通常为3%~8%或更多一些,将混合物煅烧至1700℃,可使ZrO2稳定下来。
ZrO2-CaO系立方固体溶体,虽较为稳定,但在长期加热时亦会发生部分分解,而使ZrO2 失去稳定作用。ZrO2-Y2O3固溶体与其他ZrO2固溶体相比,最主要优点是在1100~1400℃长期加热不发生分解,但这类氧化物稀缺,价格昂贵,只能局限于某些特殊要求的地方使用。为此,人们研究了多种符合稳定剂,如ZrO2-MgO和ZrO2-CaO固溶体加入1%~2% Y2O3 即可显著提高其抗热震性。加入3%~5%Y2O3可以使固溶体完全不分解,而且具有很高的机械强度和较低的线膨胀系数。
原料中的杂质含量对ZrO<, SPAN style="FONT-STYLE: normal; FONT-FAMILY: '宋体'; COLOR: rgb(51,51,51); FONT-SIZE: 10.5pt; VERTICAL-ALIGN: sub; FONT-WEIGHT: normal; mso-spacerun: 'yes'">2的稳定和对熔化金属的玷污均有很大的影响,因此欲制出优良性能的ZrO2制品,采用高纯度的原料也是很重要的。
原料的粉碎是将ZrO2原料和稳定剂按一定的配比,在橡胶衬里和金属锆球(或稳定烧结ZrO2制成的球)的球磨机中共同湿粉碎到小于2μm。然后经分离、干燥、打粉制成团块,并在1700℃下预烧,使之稳定下来。再将稳定的团块破碎,根据制品要求的性质湿粉碎到要求的细度。用注浆法成型时,须将球磨料用盐酸处理后,加蒸馏水清洗。清洗时加入0.3%(浓度为10%)的阿拉伯树胶,作为颗粒清洗的沉降剂,清洗至PH值=6~7,经烘干(水分小于0.15%时),即可配浆浇注。也可用酸性泥浆浇注成型,其PH值=2,含水量为28%~30%,小于5μm的颗粒在90%为适宜。如用压制法成型时,须在制备好的一定颗粒和粉料的配料中加入粘结剂(磷酸、硼酸、糊精、或Zr(OH)2 等)制成坯料。成型后的砖坯经干燥后在1700~2000℃下烧成。
在氧化物制品系统中,ZrO2具有许多优良特性,如熔点高(2700℃ ),高温结构强度大,化学稳定性良好,高温蒸气压和分解压均较低,热导率小,因而可以满足高温、高真空冶炼的许多纯金属和合金所需的技术要求。
ZrO2坩埚的 使用温度可达2500℃,能成功地熔炼铂、钯、钌、铯等铂族贵金属及其合金,亦可用来熔炼钾、钠、石英玻璃以及氧化物和盐类等。ZrO2制品可用作高温炉衬。在铸钢工业中,由于它不被钢水所浸润,在连续铸钢过程中已成功地用作铸口砖。ZrO2热电偶保护管可用来测定钢水温度和熔融金属铬的温度,由于加入稳定剂后因金属离子间的价键不同,使固溶体形成空位,提高了高温离子的导电性,因此可作为高温炉(>2000℃)的发热元件。此外,ZrO2 材料还可用作原子反应堆的反射材料。因此,它在冶金、热工及其它工业的高温技术发展领域中有不容忽视的重要作用。
四、氧化钙耐火材料制品
氧化钙的熔点为2570℃,资源极其丰富,价格比较便宜 ,但难于烧结,在大气中稳定性低,易于水化,是制造CaO制品存在的 问题。
制取纯氧化钙所用的原料是化学纯碳酸钙或氢氧化钙,在略高于其分解温度下灼烧。
在制造氧化钙制品过程中,自制备团块至烧成制品直到使用时为止,都必须保存在无水分的介质中。制品中氧化钙的水化速度和其气孔率成正比,为了增强氧化钙制品的稳定性,可加入各种加入物使它们在煅烧过程中在CaO晶体表面上生成易熔性低共熔混合物,形成保护膜。如TiO2,BeO,Fe2O3+MoO3,Fe2O3+Cr2O3+MoO3。
在制造稳定的坩埚和其他制品时,通常加入5%~10%的TiO2,并用糊精或其他有机结合剂润滑CaO+TiO2,然后压制成团块,在1650~1700℃进行预烧。在细粉碎(小于0.074mm )的混合料中加入少量润滑油,在50~70MPa压力下成型,随后在1650~1700℃烧成。
用压制法制造CaO坩埚时,可加入1%蜂蜡的四氧化碳溶液作结合剂。浇注氧化钙坩埚时,须用无水酒精或石蜡与油酸的混合液。
为防止坩埚在贮存中水化,可在其上涂覆一层保护层。
氧化钙是很便宜并易得到的原料,用其制造坩埚及其制品又具有非常良好的抗渣性,因此能用来熔炼高纯度的金属,如铂、铑、铱及铀、钍等。