不同刚玉骨料对刚玉尖晶石砖抗渣性能的影响

2019-09-03翟红军高配亮秦建涛

山东冶金 2019年4期

翟红军，高配亮，秦建涛

（山东耐材集团鲁耐窑业有限公司，山东淄博255200）

1 前言

20世纪90年代以来，随着低碳钢、超低碳钢冶炼技术的不断发展，无碳钢包衬材料研制一直受到耐火材料从业者广泛关注［1］。刚玉尖晶石类耐火材料因其具有较好的抗热震稳定性能、较强的耐侵蚀性能和耐磨性能等优点，被应用于无碳钢包衬［2-4］。刚玉尖晶石类耐火材料主要包括刚玉尖晶石浇注料、刚玉尖晶石预制块和刚玉尖晶石砖。较刚玉尖晶石浇注料、刚玉尖晶石预制块相比，刚玉尖晶石砖还具有施工性能好、体积稳定性好、致密度高、不引入SiO2、烘炉不会发生裂纹变形、在高温下不会出现液相等优点，因此刚玉尖晶石砖较前两者在无碳钢包衬中使用更为广泛［5］。

针对刚玉尖晶石砖的研究成果较多，但未见不同刚玉骨料加入对刚玉尖晶石砖抗渣性能的影响的相关研究。笔者通过试验引入白刚玉、板状刚玉、棕刚玉作为骨料加入制成刚玉尖晶石砖，并利用坩埚静态抗渣法研究分析了加入不同刚玉骨料的刚玉尖晶石砖抵抗LF炉渣侵蚀性能。

2 试验

据李楠［7-8］等研究结果表明，尖晶石加量在10%～30%时，刚玉尖晶石材料抗渗透性能最佳，但尖晶石添加量＞30%和＜10%的材料会因渣黏度下降而导致抗渗透性下降。本试验在镁铝尖晶石添加量在25%的情况下开展，固定粒度1 mm以下原料的类型与含量，分别以白刚玉、板状刚玉、棕刚玉为粒度1 mm以上骨料引入形式，以硫酸铝溶液和糊精溶液为结合剂，研究骨料的最佳组合方案。具体编号与试验方案见表1。抗渣侵蚀试验用LF炉炉渣具体化学成分如表2所示。

表1 试验编号与骨料加入形式对应

表2 LF炉渣主要化学成分 %

原料按照一定的颗粒机配于混炼机混炼得到具有一定塑性的泥料，混炼后泥料通过机压成型控制相同的体积密度制得标准砖半成品（试样尺寸230 mm×114 mm×65 mm），半成品经过110℃×24 h干燥后于隧道窑1 530℃×8 h高温烧成得到4组刚玉尖晶石砖。

对4组试样进行抗LF炉炉渣试验，将试样制成80 mm×80 mm×65 mm内孔Φ40 mm×35 mm的坩埚试样，在每个坩埚中放入50 g LF炉炉渣，再同时于1 600℃下保温4 h，将保温处理后坩埚沿中心线剖开，对试样的抗LF炉炉渣侵蚀性能进行分析。

3 结果与讨论

3.1 不同骨料对刚玉尖晶石砖抗渣侵蚀性能影响

通过汇总试验数据绘制图表，得到不同骨料加入的刚玉尖晶石砖抗渣侵蚀深度与剖面形貌图片如图1和图2所示。

图1 不同骨料加入制品的侵蚀深度

从图2可以看出，3#与4#试样均发生裂纹穿渣现象，而未添加棕刚玉的1#与2#试样未发生穿渣，分析其原因为：随着处理温度的升高与侵蚀时间的延长，棕刚玉晶界处的杂质向颗粒边缘迁移，使颗粒溃散，导致抗侵蚀试样开裂较为严重；说明杂质含量对其抗侵蚀性能的影响，这是由于原料中的Fe2O3、TiO2等杂质加剧了刚玉相、尖晶石相与渣中CaO、SiO2反应生成低熔点相，致使材料加速熔损；同时1#抗渣性能优于2#，说明板状刚玉由于气孔率较高，抗侵蚀能力稍有下降。综合分析考虑到骨料的复合使用可以提高刚玉尖晶石砖的抗热震稳定性能，使用板状刚玉和白刚玉作为粗颗粒的1#试样能够更好的满足钢包使用条件。

图2 1#～4#试样抗LF炉渣后剖面外观形貌

3.2 刚玉尖晶石砖抗渣侵蚀机理探究

对抗渣侵蚀性能较好的1#试样的抗渣后坩埚侵蚀界面层和抗渣试验前后的钢渣进行衍射分析，所得XRD衍射图谱如图3和图4所示。

图3 抗渣前后钢渣的XRD图谱

图4 抗渣后坩埚界面层的XRD图谱

由图3可知，对抗侵蚀试验前渣XRD衍射图谱进行分析可知，渣中主要矿物相为：C3S、CA、CaO、MgO。并通过半定量分析发现渣中CA与C3S的含量最高，因而可知渣的黏度较高，流动性较差，故其对材料的渗透能力较弱，这很好地解释了侵蚀后坩埚断面未见渗透层的原因。通过抗侵蚀试验后渣的XRD图谱进行分析可知，渣中主要矿物相变为：镁铝尖晶石、铝酸钙、硅铝酸钙。抗侵蚀试验后的渣中CA和MA矿物相的相对含量较高，主要是因为材料中的Al2O3融入到渣中与MgO、CaO、CA发生反应所形成的，另外材料受侵蚀部位中的MA也融入到渣中，使得渣中也含有了一定量的MA。

通过图4对受钢渣侵蚀后材料与渣的界面层的XRD进行分析，发现界面层中主要矿物相为氧化铝、六铝酸钙、镁铝尖晶石等。被渣侵蚀后的耐火材料中的尖晶石融入到渣液中致使刚玉相外露，部分刚玉相与渣中的C3A、CA、CaO发生反应与固溶，其中反应生成的CA6黏度大，附着在侵蚀层表面，对材料而言是一层抗侵蚀的保护层，从而阻止了渣对耐火材料的进一步渗透与侵蚀。刚玉尖晶石材料中尖晶石的抗侵蚀机理为富铝尖晶石八面体中存在大量的阳离子空位，非常容易地吸收渣中Fe2+、Ti2+等阳离子，形成复杂尖晶石体，尖晶石中的MgO与渣中FeOx反应生成的MgO-FeOx固溶体，尖晶石固溶渣中FeOx、TiO2形成的（Mg，Ti，Fe）（Fe，Al2O4）复合尖晶石，使渣中Fe、Ti氧化物的含量降低，SiO2含量增大，渣的黏度增大，提高了耐火材料的抗渣侵蚀性能和抗渣渗透性能。