一、热风炉中下段高铝耐火球的损毁分析
热风炉中段下部和下段耐火球分别是φ60mmAZC复合高铝耐火球和φ45mm高铝耐火球，这两种球除直径不同外，化学及矿物组成均一致。因耐火球和墙砖破损、挤压产生的粉末沉积在球床的这一区域，与耐火球混合黏结在一起。热风炉中段下部和下段具有黏结区域大，黏结强度低的特点。取5-2号热风炉球床中下部用后高铝耐火球及粉化样品化验，用后高铝球在热风炉内长期使用中吸附一定量的Fe2O3和K2O,并且主要集中在球体表层，这两种氧化物均可与高铝球主要成分Al2O3、SiO2反应形成低熔点物质(见表3)。这些形成于球体表层的低熔物在长期高载荷高温度条件下，会促使球体表面黏结。粉体也含有一定量易形成低熔点物质的Fe2O3和K2O,同时，CaO和MgO在粒度极小的粉体中形成SiO2-Al2O3-CaO系和SiO2-Al2O3-MgO系低熔物，会起到类似结合剂的作用，使耐火球体和粉体紧密地结合成一个整体。
为验证球床中下段粉体的黏结性能，取粉体样品研磨成粒度约0.2mm细粉，取与高铝球材质相似的低蟠变高铝砖为黏结试验砖体，进行冷态抗折黏结强度试验。烧成温度分别为1300℃、1200℃、1150℃、1100℃，保温时间为3h。球床中下段粉体冷态抗折黏结强度随温度升高而显著提高，1150℃时，粉体抗折黏结强度为1.1MPa;当烧成温度为1100℃时，粉体处于未黏结状态(见图1)，可见1150℃为粉体黏结并产生强度的临界温度。当球床中上部耐火球黏结时，球床中下部局部温度会高于1150℃，满足粉体黏结条件。因此，在球床粉体和球体表面的低熔物的共同作用下造成球床中下段的混合黏结。这种形式的黏结强度较低，通过洗球、筛选步骤后，相当大比例的高铝耐火球可以重复利用。
二、热风炉中段AZC复合高铝耐火球的损毁分析
热风炉球床中段是AZC复合高铝耐火球,此处无明显粉尘沉积,但球与球直接黏合在一起，类似葡萄串,5-3号热风炉大的“葡萄串”直径超过2m。仔细观测“葡萄串”形貌,两球之间的黏结面明显变形,并紧密黏结在一起。使用前AZC复合高铝球的荷重软化温度为1595℃(YB/T4232-2010《球式热风炉用耐火球》)，黏结后残球荷重软化温度为1570℃。AZC复合高铝球使用前后荷重软化温度上差别不大,说明其物理性能变化不大。1570℃远高于球床度高值,这说明中段的高铝耐火球在正常情况不会软化变形。同时,球床中段粉尘较少、温度较低,也不具备发生尖晶石化的反应条件实际上中段AZC复合高铝耐火球未发生疏松粉化，证明了这一点。
考虑到球床中段存在低熔物、高载荷、高温环境,设计试验模拟高铝耐火球在该区域的工况。试验样品为5号高炉拆下的用后AZC复合高球(以下简称复合高铝耐火球),将其上下受压球顶点磨制出两个互相平行、直径为20mm的面,将2个复合高铝耐火球按磨制的平面叠放在一起置于荷重软化温度测试炉中,按给定载荷温度条件设置试验组和对照组进行加压、升温操作,观察两个球接触面是否黏结。试验结果(见表2)显示:在高温下载荷对球体黏结有决定性的作用,在200N的载荷下,1300℃为球体黏结的临界温度,高于该温度的球体在试验中均处于黏结状态,而未加载载荷的球体在1450℃高温下仍未黏结。实际上球床中段高铝耐火球所承受的压力远大于200N,这会大大降低球时，由于球体长期受到高温高载荷作用而软化变形，点接触逐渐变形转化为面接触，两个球面之间距离无限接近，此时固体分子的扩散和分子间引力促使球体紧密地黏合在一起。为证明以上推断，采用不含低熔物同材质新高铝球在1350℃×3h条件下，加载200N载荷进行试验，试验结果同样是两球体紧密黏合在一起。
因此认为：中段AZC复合高铝耐火球黏结成“葡萄串”的主要原因是：在一定温度下承受高载荷。而黏结的机制是在长时间高温高压环境下球体接触面分子的扩散作用和分子间引力会急剧增强，使各球紧密地结合在一起，这种黏结形式可称为高温荷重变形黏结。高温荷重变形黏结程度会随球床透气性下降而呈现指数型恶化，球床透气性下降，热传递作用下降，球床局部温度升高，球体软化变形加重，球床黏结面积扩大，从而加剧球床透气性下降过程，形成一个恶性循环。
三、热风炉上段用刚玉耐火球的损毁分析
热风炉球床上段AZM刚玉耐火球直径为75m其主要成分为Al2O3和ZrO2,具有良好的机械强度和高温稳定性。现场观察球床,未发现AZM刚玉耐火球有直接破碎的情况,主要是球体膨胀碎裂粉化,说明其并非载荷造成损毁。观察刚玉耐火球外观,球体表面呈疏松颗粒状,体积明显膨胀,但其内部球心结构依旧细致紧密,说明该粉化损毁是由表及里逐步进行的,表面先粉化。
取球床表面沉积灰、AZM刚玉耐火球表面粉化材料以及球心部分材料化验分析(见表1),结果显示,球床表面沉积灰和球表面粉化材料样品中均含有较高的MgO和Fe2O3。通常,热风炉烧炉送风操作中,会将高炉本体炉尘带入热风炉球床,因此判断过高的MgO和Fe2O3来自高炉炉尘灰。
MgO与Fe2O3均能与刚玉耐火球中的Al2O3反应生成镁铝尖晶石和镁铁尖晶石,简称MA和MF。跟据文献,m(Al2O)3/m(MgO)为2.48时,在1200℃下生成物相MA的质量分数为25%,在1400℃下生成的物相MA质量分数为70%。MgO与Al2O3间发生固相反应生成MA,伴有5%~8%的体积膨胀。[2]在热风炉烧炉过程中,球床上部AZM刚玉耐火球位于整个球床高温处,温度达1400℃,可见球床上段温度满足尖晶石化的条件。当温度达到1600℃时尖晶石晶型发育完全,可提高刚玉耐火球热震稳定性,但球床上段高温度为1400℃,刚玉耐火球表层尖晶石晶型生长不完整,尖晶石化过程中5%~8%的体积膨胀使球体表层粉化。同时,热风炉烧炉、送风操作交替运行产生的热震作用使刚玉耐火球表面产生微裂纹,进一步加剧尖晶石化过程,从而使刚玉耐火球产生由表及里的膨胀碎裂和粉化。
此外,刚玉耐火球本身含有质量分数为1.44%的Fe2O3,球表面也吸附一定量的Fe2O3;热风炉在烧炉和送风过程中,炉内氧分压会发生变化,Fe在Fe3+与Fe2+间相互转换,氧分压增大,Fe2+还原为Fe3+,发生理论计算为20%的体积增加,反之体积缩小,整个铁元素的变价过程伴随着较大的体积效应,也可能会破坏致密的刚玉球,表面结构,造成疏松粉化。
