MgO_Al_C质材料的水化机理及抗水化性能

硅酸盐学报· 430 ·2011年MgO–Al–C质材料的水化机理及抗水化性能樊海兵，李亚伟，桑绍柏，李远兵，赵雷，金胜利，李淑静(武汉科技大学，高技术陶瓷与耐火材料国家重点实验室培育基地，武汉 430081)摘要：采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、Fourier变换红外光谱仪等研究了MgO–Al–C质材料水化前后的物相组成、微观结构及O—H键强弱的变化，探讨了MgO–Al–C质材料的水化机理。

在此基础上，以板状刚玉取代部分电熔镁砂颗粒，以改善MgO–Al–C质材料的抗水化性能。

结果表明：MgO–Al–C质材料除因加热过程中Al粉反应形成的AlN和Al4C3发生水化外，材料中MgO及未反应金属Al的水化也不容忽视。

MgO水化形成Mg(OH)2，Al、Al4C3和AlN水化形成Al(OH)3并放出气体，反应伴随有体积膨胀，导致MgO–Al–C质材料裂纹的产生和强度下降。

刚玉替代部分电熔镁砂颗粒后，材料致密度提高，抗水化性能得到改善。

关键词：氧化镁–铝–碳；抗水化性；红外光谱；热力学分析；机理中图分类号：TB333 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2011)03–0430–06Hydration Mechanism and Hydration Resistance of MgO–Al–C MaterialsF AN Haibing，LI Yawei，SANG Shaobai，LI Yuanbing，ZHAO Lei，JIN Shengli，LI Shujing(Key State Laboratory Breeding Base of Refractories and Ceramics, Wuhan University of Science andTechnology, Wuhan 430081, China)Abstract: The phase composition, microstructure and O—H stretching of the MgO–Al–C materials before and after hydration were analyzed by X-ray diffractometer, scanning electron microscope and Fourier transform infrared analyzer. The hydration mechanism of MgO–Al–C materials was investigated. The hydration resistance of the MgO–Al–C materials was also investigated via replacing the partially-fused magnesia particles with the tabular corundum aggregate. The results show that, besides the formed AlN and Al4C3 during heating, the hydration of MgO and the unreacted Al can not be neglectable, giving a greater contribution to the hydration of the MgO–Al–C materials. MgO is hydrated to Mg(OH)2, and Al, AlN and Al4C3 are hydrated to Al(OH)3 and some gas products, and the accompanied volume expansion results in the generation of the cracks and the reduction of strength of the MgO–Al–C materials. The densification of the materials increases and hydration resistance is improved after the partially-fused magnesia particles replaced by the tabular corundum aggregate in the MgO–Al–C materials.Key words: magnesium oxide–aluminum–carbon; hydration resistance; infrared spectra; thermodynamics; mechanismMgO–Al–C质材料的水化是一个非常普遍的现象。

一般认为，加热或使用过程中Al与碳或气氛中的CO、N2反应生成Al4C3与AlN[1–5]，在潮湿空气中发生水化反应，伴随体积膨胀，导致制品性能下降和结构破坏[6–10]。

文献[11]提到MgO的水化反应也可引起MgO–Al–C质材料的粉化，但更多由镁质原料和金属Al粉引起的水化问题报道见诸于浇注料体系中[12–18]。

为提高MgO–Al–C质材料的抗水化性能，可以采取二种途径：一是减少或者避免水化相的引入或生成[19–25]；另一种是通过减小孔径、提高致密度的方式抑制水或水蒸气向材料内部渗透和侵入。

研究表明：Al2O3能有效提高MgO–C材料的结构致密性，通过Al2O3与MgO之间的原位尖晶石化反应，使MgO–C材料的孔容积大幅降低[26–28]。

因此，Al2O3的加入有可能对MgO–Al–C质材料的抗水化性有一收稿日期：2010–07–05。

修改稿收到日期：2010–08–22。

基金项目：湖北省科技厅自然科学基金重点项目(2009CDA050)资助。

第一作者：樊海兵(1985—)，男，硕士研究生。

通信作者：李亚伟(1966—)，男，博士，教授，博士研究生导师。

Received date:2010–07–05. Approved date: 2010–08–22.First author: FAN Haibing (1985–), male, graduate student for master degree.E-mail: fanhaibing1985@Correspondent author: LI Yawei (1966–), male, Ph.D., professor.E-mail: liyawei@第39卷第3期2011年3月硅酸盐学报JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETYVol. 39，No. 3March，2011樊海兵等：MgO–Al–C质材料的水化机理及抗水化性能· 431 ·第39卷第3期定改善作用。

通过研究MgO–Al–C质材料水化前后的物相组成、微观结构及O—H键强弱的变化，探讨了MgO–Al–C质材料的水化机理，并通过刚玉部分取代电熔镁砂颗粒，研究了刚玉对MgO–Al–C质材料抗水化性的影响。

1 实验1.1 MgO–Al–C质试样的制备以89%(质量分数，下同)的电熔镁砂(纯度97.02%，辽宁海城天源矿业有限公司产)、1%的炭黑(纯度99.84%，平顶山市奥博特橡塑助剂有限公司产)、2%的石墨(纯度97.58%，青岛市天和石墨有限公司产)、7%的铝粉(纯度>98.0%，新乡市中原铝粉材料有限公司产)、1%的二氧化硅微粉(纯度95.42%，挪威埃肯公司产)为原料，外加3.5%的热固性酚醛树脂(残炭率42%～46%，山东圣泉化工股份有限公司产)为黏结剂。

原料混匀后在200MPa 压力下成型为φ36mm×36mm试样，经180℃，24 h烘干后，在埋碳还原气氛下分别经700℃，3h和1000℃，3h热处理制备MgO–Al–C质材料。

一部分试样经100℃，0.5h水化处理后在120℃干燥24h。

1.2 MgO–Al2O3–Al–C质试样的制备采用板状刚玉(纯度98.70%，青岛市安迈铝业有限公司产)部分取代电熔镁砂颗粒制备MgO– Al2O3–Al–C质材料，取代量分别为0、15%、25%、35%、45%(质量分数，下同)，对应编号依次为MC、MAC1、MAC2、MAC3、MAC4。

原料经200MPa压制成φ36mm×36mm试样，分别在700℃和1000℃还原气氛下热处理3h。

1.3 表征利用Philip公司产X’pertPRO型X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)仪分析水化处理前后试样的物相组成，采用Cu Kα辐射源。

借助Bruker公司产VERTEX70型Fourier变换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR)对水化处理前后试样的O—H键强度进行对比。

采用Nova公司产NanoSEM400型扫描电子显微镜(scanning elec- tron microscope，SEM)观察水化处理前后试样的微观形貌。

采用Oxford公司产INCA Energy型X射线能谱散射分析仪(energy dispersive spetroscope，EDS)分析元素组成。

检测试样的线膨胀率、显气孔率及水化处理前后的冷态耐压强度以表征其抗水化性能。

2 结果与讨论2.1 MgO–Al–C质材料的水化机理2.1.1 冷态耐压强度测试表1给出了MgO– Al–C质材料水化前后的冷态耐压强度及其强度损失率。

从表1可以看出：经水化处理后材料强度均大幅降低，且1000℃处理后材料强度降幅最大，达到25.66%。

表1不同温度热处理3h后的MgO–Al–C质材料水化前后的冷态耐压强度及强度损失率Table 1 Cold crushing strength and its loss rate of MgO– Al–C materials heat treated at different tempera-tures for 3h before and after hydrationCold crushing strength/MPaTemperature/℃Before hydration After hydrationLoss rate of cold cru-shing strength/% 70054.99 41.29 24.911000 123.40 91.74 25.66 Specimens were hydrated at 100℃ for 0.5h.2.1.2 XRD分析水化前后MgO–Al–C质材料的XRD谱如图1所示。